摘要：该校资源与环境科学学院邓红兵教授团队和华中科技大学周雪教授团队研制了一种可重复使用、可生物降解的新型全生物质纤维海绵，其首次使用时可吸附水中99.8%的微塑料，为清除水中微塑料提供了新策略。相关研究成果日前发表在国际学术刊物《Science Advances》

新华社武汉12月2日电，记者从武汉大学获悉，该校资源与环境科学学院邓红兵教授团队和华中科技大学周雪教授团队研制了一种可重复使用、可生物降解的新型全生物质纤维海绵，其首次使用时可吸附水中99.8%的微塑料，为清除水中微塑料提供了新策略。相关研究成果日前发表在国际学术刊物《Science Advances》上。

“由于环境中存在大量塑料垃圾，在数百年内进入陆地和水环境中的微塑料将持续增加。”邓红兵教授介绍，该团队研制的一种新型全生物质纤维海绵，由废弃乌贼骨提取的甲壳素和棉花制成，具有多孔结构和丰富的表面官能团，可以吸附来自食品包装、纺织品和其他工业产品中的多种常见微塑料。“生物质材料是解决水中微塑料污染这一复杂问题有效、经济的方案，这种全生物质纤维海绵制备方式简单，具有大规模生产的潜力，有望在不久的将来应用到现实生活中的大规模水处理或家用净水器内。”邓红兵说。以下是该篇成果的详细内容：

摘要：该研究通过 甲壳素 和纤维素的超分子自组装，开发了一种可持续的环境适应性强的吸附剂。 这种生物质纤维框架（Ct-Cel）对聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯具有优异的吸附性能。对不同微塑料的亲和力归因于不同微塑料与Ct-Cel之间多种分子间相互作用的转化。 同时，Ct-Cel对水中多种污染物具有较强的抵抗力，与微生物和Pb 2+ 共存时，吸附能力增强。 此外，Ct-Cel对4种真实水中微塑料去除率可达98.0%~99.9%，经过5次吸附循环后，其去除效率可达95.1~98.1%。 该研究可能会为功能性生物质材料在复杂水生环境中低成本高效率地修复微塑料开辟前景 。

研究人员探索了一种简单且可持续的策略，该策略基于质子化胺（Ct，来自鱿鱼骨）和悬浮纤维素纤维（Cel，来自棉花）构建剥离的β-甲壳素纳米纤维片超分子框架，从而制造出用于快速去除微塑料的纯生物质纤维泡沫（Ct-Cel）。Ct和Cel的自组装可以由氢键驱动，不需要任何交联剂。

获得的Ct-Cel具有高度多孔的互连结构，粗糙且带正电的表面，以及许多活性位点（-OH，-NH3+和-NHCO-），这确保了多级相互作用以高效去除微塑性。特别研究了聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的吸附性能，探讨了不同分子间相互作用的影响。

为了更好地理解吸附机理，研究人员进行了分子动力学MD模拟和Hirshfeld划分[基于Hirshfeld原子空间划分（IGMH）的独立梯度模型计算研究。研究人员进一步揭示了Ct-Cel在各种环境条件下的吸附稳定性，包括无机颗粒、重金属、有机污染和微生物。最后，验证了Ct-Cel在实际水体中去除微塑料的高回收效率，证明了这种生物质最大化策略在实际环境中修复微塑料的巨大前景。

图1.用于微塑料去除的可持续自组装超分子生物质纤维泡沫。（A）纤维素和β-甲壳素无交联制备自组装超分子生物质泡沫的途径。（B）由于活性官能团的丰富，生物质纤维泡沫通过多级相互作用（物理拦截、静电吸附和多重分子间相互作用）去除微塑料。

图2.自组装超分子生物质泡沫的制备途径。（A）通过氢键制备甲壳素/棉纤维泡沫（Ct-Cel）的超分子自组装示意图。（B）30×50 cm的大尺寸生物质泡沫。（C）CT-Cel纤维泡沫的3D显微CT和（D）SEM图像。（E）原料和Ct-Cel泡沫的FTIR光谱。原料和Ct-Cel泡沫中（F）N 1s和（G）O 1s的XPS。（H）分子动力学MD模拟的自组装Ct-Cel混合物构型的稳定快照。（I）自组装前后Ct-Cel模型的Rg值和分子间氢键数。

图3. 自组装超分子生物质泡沫对微塑料的吸附效率。（A）Ct和Ct-Cel泡沫对PS微球的吸附能力随时间的变化。（B）PS微球在Ct和Ct-Cel泡沫上吸附的伪二阶和（C）颗粒内扩散模型。（D）不同初始浓度下，Ct-Cel1对PS微球的吸附量。Ct-Cel1吸附PS微球前后（E）O 1s和（F）N 1s-C 1s的XPS光谱。（G）Ct-Cel1吸附PS微球后的SEM图像。（H）Ct-Cel1对不同直径（100、500、1000、3000 nm）PS-NH2、PS-COOH和PS微球的吸附量。（I）Ct-Cel1对PS、PP、PET和PMMA颗粒的吸附能力。Ct-Cel1吸附（J）PS，（K）PMMA，（L）PET和（M）PP颗粒后的彩色SEM图像，彩色区域代表微塑料。

图4. 自组装超分子生物质纤维泡沫对不同微塑料的吸附机理。（A）Ct-Cel纤维泡沫与不同微塑料之间的分子间相互作用能。（B）Ct-Cel泡沫吸附不同微塑料的分子动力学MD模拟构型的稳定快照。通过Ct-Cel1吸附（C）PS、（D）PP、（E）PET和（F）PMMA的IGMH分析对应的彩色等值面。

图5. 自组装超分子生物质纤维泡沫对水中微塑料的吸附性能。（A）不同因素下Ct-Cel1对PS的吸附量。通过计算各因素组与空白组间的单因素方差分析获得统计检验的P值（显著差异：*P

总之，该研究探索了一种由Ct和Cel组成的通用材料，通过破坏原有的氢键，诱导甲壳素和纤维素的分子间相互作用来去除微塑性。在这种纯生物质泡沫中，Cel宏观纤维和Ct纳米纤维薄片共同建立了稳定的超分子框架，为微塑料吸附提供丰富的活性氢键位点。这种具有多孔结构的Ct-Cel泡沫可以通过多级相互作用大量吸附PS、PP、PET和PMMA。一系列吸附实验，以及分子动力学MD模拟和IGMH计算研究表明，这种生物质泡沫的吸附机制包括物理拦截、静电吸附和多重分子间相互作用，这有助于更好地理解吸附行为，为未来材料的设计和应用提供信息。

微塑料在各种水体中的长期循环和持久性反映了其臭名昭著的行为。开发通用的微塑料去除材料被视为一项挑战。在不同的水质条件下，Ct-Cel生物质泡沫的吸附量为174.4±12.1 mg/g~445.3±20.2 mg/g。Ct-Cel泡沫几乎不受刚果红的影响，当与细菌和Pb2+共存时，其吸附性能增强。令人印象深刻的是，即使在四种典型的实际水体（农业灌溉、湖泊、静水和沿海水域）中暴露五个周期后，Ct-Cel泡沫对PS的去除效率仍然高达95%，显示了其在环境应用中的通用性和可转换性。因此，该研究为构建功能性生物质材料和拓宽其在实际水中去除微塑料的应用提供了一种可扩展的设计策略

总结与展望

生物质泡沫在有机溶剂中的良好回收能力可以进一步降低原料成本和废弃生物质的处理成本，从而增强其大规模处理微塑料污染的潜力。此外，回收过程可以防止微塑料在生物质泡沫的自然降解过程中重新进入环境。虽然可以同时收集其他污染物，但溶液系统中相对容易的净化增加了微塑料重复使用的可能性。Ct-Cel泡沫塑料在复杂水体中微塑料的提取中具有很大的应用潜力。因此，该研究的设计原则将促进未来基于生物质泡沫的实用和可持续战略的发展，以解决微塑料污染问题。

来源：丹丹说科学