阳离子木质素纳米颗粒负载银纳米复合材料的绿色合成及其在环境修复中的多功能应用

《Industrial Crops and Products》：Evaluation of the durability and ageing of false banana fiber in different chemical environments

本研究针对废水中有机污染物和微生物共存带来的治理挑战，开发了一种以阳离子铵木质素(CAL)为基质合成银纳米颗粒(AgNPs)的绿色方法。结果表明，CAL@AgNPs在NaBH4存在下对甲基橙(MO)、亚甲基蓝(MB)和4-硝基苯酚(4-NP)表现出优异催化活性，速率常数(kapp)达0.043 s-1，且可重复使用20次。同时对革兰氏阴性菌和阳性菌均显示出强抗菌活性，最小抑菌浓度(MIC)低至2.40 μg/mL。该研究为开发可持续的多功能纳米催化剂提供了新策略。

　　

随着工业化和城市化进程加速，废水中有机污染物和微生物污染物的共存给水环境带来了严峻挑战。纺织、皮革和塑料等行业排放的有机化合物往往难以生物降解且具有毒性，而大肠杆菌和枯草芽孢杆菌等微生物污染则可能引发公共卫生危机。更令人担忧的是，抗菌素耐药性细菌感染每年已导致全球约70万人死亡，若不加以控制，到2050年这一数字可能攀升至每年近1000万。传统修复技术存在成本高、效率低、选择性差等局限性，迫切需要开发可持续、低成本且环境友好的替代方案。

金属纳米颗粒因其优异的表面反应性和可调控的物理化学性质而备受关注，其中银纳米颗粒(AgNPs)在催化降解有毒有机分子和抗菌方面表现出卓越性能。然而，游离的AgNPs易聚集、活性降低且可能造成环境浸出，这些问题阻碍了其实际应用。生物聚合物支持的AgNPs系统为解决这些问题提供了 promising 的替代方案。

在这项发表于《Industrial Crops and Products》的研究中，研究人员开发了一种新型阳离子铵木质素(CAL)@AgNPs纳米复合材料，旨在同时解决有机污染和微生物污染问题。该研究通过一步法反应将季铵基团引入 kraft 木质素，合成了阳离子木质素纳米颗粒，并以其同时作为稳定剂和还原剂用于AgNPs的合成。

研究采用核磁共振(NMR)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)等技术对材料进行表征，通过透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)观察形貌，利用紫外-可见分光光度计(UV-Vis)评估催化性能，采用肉汤稀释法测定抗菌活性。

3.1. CAL的合成与表征

通过1H NMR和13C NMR分析证实了季铵基团的成功引入。FT-IR光谱显示CAL在1465和960 cm?1处出现新峰，对应于含氮官能团。XPS分析显示CAL在400 eV处出现N1s峰，证实氮元素的引入。随着GTAC用量的增加，CAL的zeta电位从-35.6 mV增至+42.3 mV，表明阳离子化程度提高。

3.2. CAL@Ag杂化纳米颗粒的合成与表征

CAL@AgNPs在430 nm处出现明显的表面等离子体共振(SPR)吸收峰，证实AgNPs的成功形成。TEM图像显示AgNPs均匀分布在木质素基质中，粒径分布均匀。XRD图谱在2θ为38.0°、44.0°、64.4°和77.4°处出现特征衍射峰，对应面心立方结构Ag的(111)、(200)、(220)和(311)晶面。

3.3. 有机化合物的催化氢化

CAL@AgNPs对MB、MO和4-NP表现出优异的催化活性，表观速率常数(k_app)分别为0.021、0.014和0.043 s?1。催化剂在连续使用20次后仍保持较高活性，仅略有下降。其催化机制涉及CAL通过静电作用、π-π堆积和氢键富集污染物，AgNPs介导电子和氢化物转移。

3.4. 抗菌活性

CAL@AgNPs对革兰氏阴性菌(大肠杆菌和 Pseudomonas syringae)和革兰氏阳性菌(枯草芽孢杆菌和 Staphylococcus epidermidis)均表现出强抗菌活性，MIC值分别为12.00、2.40、9.38和9.38 μg/mL。阳离子木质素的正电荷表面增强了与细菌细胞的相互作用，促进了Ag?离子的释放。

该研究成功开发了一种以可再生木质素为原料的多功能纳米催化剂，实现了有机污染物的高效催化降解和微生物的有效抑制。CAL@AgNPs在环境修复和废水处理领域展现出广阔应用前景，为解决复杂污染物共存问题提供了新思路。其优异的可重复使用性和生物相容性进一步增强了其实际应用潜力，符合绿色化学和可持续发展理念。