基于植物乳杆菌后生元/聚己内酯纳米纤维的生态友好型水体重金属吸附剂开发与应用研究

《Applied Food Research》：Enhancing Food Safety Via an Eco-Friendly Approach: Utilizing Lactobacillus plantarum Postbiotics in Polycaprolactone Nanofibers for the Targeted Removal of Heavy Metal Contaminants from Water

本研究针对饮用水源中铅(Pb2+)、镉(Cd2+)、汞(Hg2+)等重金属污染问题，创新性地将植物乳杆菌后生元（细胞壁组分与无细胞上清液）负载于电纺聚己内酯纳米纤维中，构建具有高比表面积和多重活性位点的复合吸附材料。系统表征证实纳米纤维具备均匀孔隙结构（直径276-582 nm）、增强热稳定性（残碳量达19.08%）及亲水性提升（接触角降至63°）。在pH 6、20℃条件下，对100 mg/L重金属的60分钟吸附效率达48-94%，吸附行为符合Langmuir模型和准二级动力学，且经历4次吸附-解吸循环后仍保持75%以上活性。该研究为绿色水处理技术开发提供了新策略。

　　

随着工业化进程加速，大量含重金属的污水进入河流与淡水系统，对生态系统和人类健康构成严重威胁。铅、镉、汞等重金属具有不可降解性和生物累积性，即使低剂量暴露也可能引发神经损伤、癌症及器官功能障碍。据统计，全球每年约900万人死于污染相关疾病，其中200万例归因于水污染。传统吸附材料如活性炭存在吸附效率有限、再生困难等问题，亟需开发新型高效吸附剂。

在此背景下，伊朗大不里士大学兽医医学院的研究团队创新性地将食品科学领域的后生元概念与环境材料科学交叉融合，在《Applied Food Research》发表了一项突破性研究。他们利用电纺技术将植物乳杆菌后生元（包含细胞壁组分和无细胞上清液）与生物可降解聚合物聚己内酯结合，构建出新型纳米纤维吸附材料，实现了对水中多种重金属的高效靶向去除。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先通过冻融-离心-冻干工艺从植物乳杆菌CCFM8661菌株中提取后生元活性成分；接着优化电纺参数（15% PCL浓度，18 kV电压，10 cm接收距离）制备复合纳米纤维；利用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、热重分析等技术系统表征材料特性；最后通过静态/动态吸附实验评估重金属去除效能，并采用人脐静脉内皮细胞模型进行生物相容性验证。

3.1 纤维表征

扫描电镜显示所有纳米纤维均呈现无串珠、多孔且均匀的拓扑结构。随着后生元添加量从2.5%增至10%，纤维平均直径从402 nm增大至437 nm，而含有细胞壁+上清液的复合纤维直径最大（582 nm），这源于后生元中极性化合物增强的静电作用力。FTIR光谱在1650 cm^-1（酰胺I）、1540 cm^-1（酰胺II）等波段出现特征峰，证实后生元的羧基、酰胺基等功能基团成功负载。热重分析表明后生元的引入显著提升材料热稳定性，PCL/细胞壁+上清液样本在600℃残碳量达19.08%，较纯PCL（7.7%）提升约2.5倍。接触角测试显示材料亲水性明显改善，PCL/细胞壁+上清液纤维接触角降至63°，有利于重金属离子在纤维内部的扩散渗透。

3.2 重金属吸附性能测试

在pH影响实验中，酸性条件（pH 2-4）下H⁺离子与金属离子竞争吸附位点，导致吸附效率骤降；当pH升至6时，Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺去除率分别达93%、88%和87%。动力学研究表明吸附过程在60分钟内达到平衡，准二级动力学模型拟合优度（R²>0.95）表明化学吸附主导该过程。后生元浓度与吸附效率呈正相关，10%后生元负载的纳米纤维对300 ppm铅的60分钟去除率达88%，而细胞壁+上清液组合表现出最优性能，这归因于肽聚糖、短链脂肪酸等组分的协同作用。吸附等温线符合Langmuir模型，说明重金属在纳米纤维表面形成单分子层吸附。

特别值得关注的是生物相容性评估结果：MTT实验显示所有纳米纤维处理的人脐静脉内皮细胞存活率均超过90%，且后生元负载样本反而促进细胞增殖，证明材料具备生物安全性。在四次吸附-再生循环中，PCL/细胞壁+上清液纤维对铅的去除率仅从93%降至75%，显示良好的可重复使用性。

该研究首次将后生元整合至电纺纳米纤维体系，创建了一种兼具高吸附容量（最大平衡吸附量达89.65 mg/g）、快速响应（30分钟去除率超85%）和生物安全性的多功能吸附平台。其创新点在于利用后生元中丰富的功能基团（如羧基、酰胺基）与重金属离子发生螯合反应，同时借助纳米纤维的三维网络结构提供巨大比表面积。相比传统吸附剂，这种仿生材料不仅避免活菌使用的生物安全风险，还克服了游离后生元稳定性差的缺陷。

这项成果为饮用水处理、食品工业废水净化提供了新思路，尤其适合应用于对生物安全性要求严格的场景。未来通过优化后生元组分比例、开发多层纤维结构，有望进一步提升对特定重金属的选择性吸附能力。该研究成功打通了从微生物代谢产物到环境功能材料的转化路径，为绿色可持续水处理技术的发展奠定了坚实基础。