《Desalination》：Amino acid versus peptide functionalization of ultra-dispersible graphene oxide: A dual-mechanism strategy for anti-biofouling reverse osmosis membranes
编辑推荐：
石墨烯氧化物与氨基酸/肽结合提升反渗透膜抗生物污染性能。通过多巴胺固定化技术制备RO-UDGO-AA和RO-UDGO-PepN膜，显著降低大肠杆菌生物污染，其中UDGO-PepN减少92%活菌并提高3.8倍杀菌效率，成本增加1.1倍仍具经济性。
Kritika Jashrapuria|G. Vajitha|Suman Gomosta|Shihabudheen M. Maliyekkal|Swatantra P. Singh
印度孟买印度理工学院环境科学与工程系（ESED），邮编400076
摘要
生物污染仍然是反渗透（RO）膜的致命弱点，导致通量显著下降、能耗增加以及需要提前更换膜。本研究提出了一种混合策略，通过将超分散氧化石墨烯（UDGO）与L-精氨酸（UDGO-AA）或尼辛（UDGO-PepN）结合，开发出新型的双效抗生物污染纳米材料。UDGO的亲水性纳米结构和“纳米刀”形态能够破坏微生物细胞壁，而生物分子则通过静电相互作用增强抗污染效果，从而显著提高抗生物污染性能，优于未经改性的氧化石墨烯或单独使用的生物分子。通过多巴胺辅助的表面固定化技术，这些复合物被整合到商用反渗透膜上，制备出RO-UDGO-AA和RO-UDGO-PepN膜。RO-UDGO-AA和RO-UDGO-PepN膜对大肠杆菌（E. coli）表现出更强的抗菌和抗生物污染能力，因为它们的负ζ电位低于未改性的氧化石墨烯。此外，由于UDGO中含有丰富的羟基、羧基、羰基和环氧基等官能团，这些膜在保持优异分离性能的同时，还提升了亲水性。其中RO-UDGO-PepN的性能更佳，活菌数量减少了92%，死菌数量增加了3.8倍，而RO-UDGO-AA则分别减少了71%和3倍。尽管改性膜的制造成本比商用膜高约1.1倍，但其经济可行性依然很高。本研究首次展示了UDGO与氨基酸和肽类结合在反渗透膜中的应用，作为潜在的抗生物污染解决方案。
引言
生物污染是反渗透（RO）膜面临的主要问题，会导致通量下降和运行成本增加。其原因在于微生物在膜表面的附着、生长和生物膜的形成，从而降低渗透通量、增加跨膜压力，并需要频繁进行化学清洗。这些问题缩短了膜的使用寿命并提高了运行成本，与生物污染相关的费用占海水淡化总成本的50% [1]、[2]。通量下降是由于盐分反向扩散和微生物细胞沉积导致渗透压升高所致。此外，细胞外聚合物物质（EPS）的积累进一步增加了流体阻力，加剧了通量的下降。即使采用微过滤和杀菌剂等先进预处理方法（可去除高达99.99%的微生物），也无法完全防止生物膜的形成 [3]。因此，生物污染被认为是海水反渗透装置中的一个主要挑战，常常导致通量下降、跨膜压力增加和频繁的化学清洗。近期关于反渗透设施的研究表明，生物污染是影响运行性能和增加维护成本的主要因素 [2]、[4]、[5]。这些发现凸显了开发具有更强抗污染性能的先进膜系统的必要性。
传统的化学清洗方法通常只能部分去除生物膜，常常会在膜表面留下残留物，并通过废物处理带来环境风险 [1]。使用氧化剂（如氯、氯胺和二氧化氯）的消毒方法受到聚酰胺膜低耐氯性的限制。另一个挑战是生物膜的生物韧性，尤其是那些存活但无法培养（VBNC）的细菌细胞，它们虽然代谢活跃但无法通过标准培养方法检测到。在适宜条件下，这些细胞可能恢复可培养状态，从而导致生物膜再生和持续污染 [6]。因此，尽管在预处理、清洗和监测方面取得了进展，但目前仍没有有效的策略能够完全控制反渗透系统中的生物污染。因此，研究重点转向在膜表面直接实施原位抗污染策略，以更好地缓解生物污染 [7]、[8]、[9]。
研究人员探索了多种材料来增强膜的抗生物污染性能，包括金属氧化物、沸石和碳基纳米粒子，以及抗菌肽（AMPs）/氨基酸 [8]、[10]、[11]、[12]。其中，碳基纳米材料（如氧化石墨烯（GO）、碳纳米管和其他石墨烯衍生物）展现了潜力 [9]、[13]、[14]。特别是氧化石墨烯，因其优异的亲水性、高表面积、可调的表面化学性质和固有的抗菌性能而受到关注。将其整合到反渗透膜中可以提升水通量、表面润湿性，并抑制微生物附着和生物膜的形成 [15]、[16]、[17]。然而，未经改性的氧化石墨烯在水性和聚合物介质中存在分散性差和层间聚集等问题，导致膜涂层不均匀、可接触表面积减少以及选择性 and 透水性降低。此外，基于氧化石墨烯的膜的抗生物污染效率会随时间减弱，这是由于纳米片层聚集、氧化以及含氧官能团的丢失 [15]、[18]、[19]、[20]。抗菌肽（AMPs）和阳离子氨基酸也被广泛研究作为生物膜的生物相容性抑制剂 [21]、[22]、[23]。尼辛和精氨酸分别是代表性的抗菌肽和阳离子氨基酸。尼辛是一种由乳酸菌（Lactococcus lactis）产生的34个氨基酸组成的抗菌肽，通过脂质II结合和孔洞形成发挥强杀菌作用。精氨酸是一种带正电荷的氨基酸，通过静电相互作用破坏细菌膜并形成保护层，防止微生物附着。尽管它们各自具有潜力，但单独使用时对革兰氏阴性菌的效果有限，因为存在保护性的脂多糖屏障 [24]、[25]。
上述限制表明，单独使用氧化石墨烯或抗菌肽/氨基酸无法实现持久的抗生物污染效果。将氧化石墨烯与抗菌生物分子结合是一种有效的方法，可以增强抗菌活性。通过共价或强非共价键将生物分子功能化，可以防止纳米片层重新堆叠，提高表面亲水性，并引入多种抗菌和抗附着机制，从而更有效地控制生物污染 [12]、[22]、[23]。尼辛和精氨酸因其生物相容性、化学稳定性以及多途径的非特异性作用机制而具有广泛应用前景，这降低了细菌产生抗性的风险 [26]、[27]。虽然这种结合策略在其他领域已有研究 [22]、[28]，但在反渗透膜中的应用仍然非常有限。迄今为止，尚未有针对氧化石墨烯-氨基酸与氧化石墨烯-肽类结合在反渗透膜抗生物污染效果方面的直接比较。
本研究介绍了新型超分散氧化石墨烯（UDGO）与L-精氨酸和尼辛的结合物，制备出两种创新的纳米碳复合物：UDGO-Arginine（UDGO-AA）和UDGO-Nisin（UDGO-PepN）。与传统Hummer的氧化石墨烯（HGO）相比，UDGO具有可扩展的单步合成工艺，成本效益高出8-10倍，速度快7-10倍，且稳定性更优。UDGO具有更好的分散性，解决了氧化石墨烯的聚集问题，实现了均匀的表面功能化 [16]。本研究首先利用圆盘扩散试验和抗菌试验评估了这些材料的抗菌性能。这些复合物利用了UDGO的分散性和表面反应性，同时增强了精氨酸和尼辛的抗菌作用，从而扩展了对革兰氏阴性菌的抗菌效果。通过ATR-IR、FESEM、TEM、拉曼光谱、ζ电位和XPS等物理化学方法对最佳组成的UDGO-AA和UDGO-PepN进行了全面分析。随后，通过一步多巴胺（DA）介导的涂层工艺将这些复合物整合到商用反渗透膜上，制备出RO-UDGO-AA和RO-UDGO-PepN膜。对这些膜进行了详细表征，性能评估表明，这两种膜都表现出优异的亲水性、操作稳定性和对革兰氏阴性菌的更强抗菌效果。此外，本研究还进行了成本分析，表明开发RO-UDGO-AA和RO-UDGO-PepN膜的成本仅比商用膜略有增加。因此，这种改性膜在保持与商用膜相当的整体价格的同时，具备了高性能的抗生物污染潜力。
材料
L-精氨酸（BioUltra，纯度≥99.5%）和石墨粉（粒径<20 μm，12.01 g mol?1）购自印度MerckLife Science Pvt. Ltd.；葡萄糖从印度Tirupati的本地供应商处购买；过硫酸钾（K?SO?）也来自同一供应商。N-羟基琥珀酰亚胺（C?H?NO?，纯度97%）、1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（C?H??N?HCl，纯度99%）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF，纯度99%）购自印度Sisco Research Laboratories Private Limited。尼辛（浓度900 IU mg?1）和盐酸多巴胺也来自该公司。
圆盘扩散试验
通过圆盘扩散试验定性评估了所开发材料（UDGO-AA和UDGO-PepN）以及对照材料（UDGO、L-精氨酸和尼辛）的抗菌性能。虽然这项研究主要是为了初步评估材料的抗菌性能，但这是筛选材料的重要步骤。准备了新鲜培养的细菌（18–24小时），并将整个琼脂平板均匀翻转。
结论
生物污染是反渗透系统长期运行的主要障碍，导致通量显著下降、频繁的化学清洗、膜降解以及海水淡化和水处理设施的运行成本增加。本研究通过引入一种基于生物分子的氧化石墨烯表面改性策略，解决了这些问题。利用多巴胺介导的方法，将氧化石墨烯与L-精氨酸和尼辛结合，从而提高了膜的抗菌性能。
作者贡献声明
Kritika Jashrapuria：概念设计、数据整理、数据分析、方法论制定、软件使用、验证、可视化处理、初稿撰写、审阅与编辑。G. Vajitha：概念设计、数据整理、数据分析、方法论制定、软件使用、验证、可视化处理、初稿撰写、审阅与编辑。Suman Gomosta：实验执行。Shihabudheen M. Maliyekkal：概念设计、项目监督、资金获取、资源协调、项目管理、写作与审阅。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢印度科技部（DST）（DST/TMD-EWO/WTI/2 K19/EWFH/2019/395(C1)；DST/TMD/EWO/WTI/DM/2021/283）和印度科技部的资助。同时，作者感谢印度理工学院孟买分校和IIT Tirupati对这项研究的支持。Kritika Jashrapuria还感谢印度教育部的总理研究奖学金（PMRF）的支持。
