L-DOPA改性生物炭选择性回收尿液中微量元素的机制及其水培应用研究

本研究针对源分离尿液中微量元素回收不足的问题，开发了L-DOPA改性生物炭(M-BC)选择性吸附技术，实现了Cu(100%)、Zn(64.6%)等元素的高效回收，并通过EDTA-HNO3顺序解吸策略支持水培农业应用。该研究为城市农业闭环营养循环提供了创新解决方案。

　　

随着全球人口预计在本世纪末突破100亿，城市化进程加速导致90%人口将聚集于超大城市，这对粮食、水和能源系统构成严峻挑战。传统农业面临土地资源紧张、化肥依赖度高的问题，而水培技术虽能减少土地使用和农药投入，却受限于合成营养液的高能耗生产。人类尿液作为富含氮磷钾及铜(Cu)、锌(Zn)、钼(Mo)等微量元素的资源，其循环利用成为突破资源瓶颈的关键。然而现有技术多聚焦宏量元素回收，对微量元素的选择性回收仍存在显著技术空白。

针对这一科学问题，中国的研究团队在《Resources, Conservation and Recycling》发表创新成果，开发了基于L-3,4-二羟基苯丙氨酸(L-DOPA)修饰的生物炭(M-BC)吸附系统。该研究通过表面功能化改性技术，实现了尿液中多种微量元素的高效选择性回收，并成功验证了回收元素在水培生菜种植中的实际应用价值。

关键技术方法包括：1) 采用L-DOPA对松木生物炭进行表面修饰构建功能化吸附剂；2) 利用ICP-OES(电感耦合等离子体发射光谱仪)定量分析元素吸附/解吸效率；3) 设计EDTA与HNO₃两步解吸工艺；4) 开展水培对照实验评估回收营养液的植物生长效应。

【Physicochemical properties and characterization】部分揭示：L-DOPA修饰使生物炭表面羟基含量提升2.3倍，zeta电位降低至-31.5 mV，通过FTIR证实了邻苯二酚基团的成功引入。BET测试显示M-BC保持373.1 m²/g高比表面积，孔径分布优化为3.65 nm，为金属配位提供理想空间。

【Adsorption performance】结果表明：在人工尿液(AFU)体系中，M-BC对Cu的吸附率达100%，Zn 64.6%，Mo 50.1%，显著优于未改性生物炭。XPS分析证实金属与羟基形成M-O键，吸附能遵循Langmuir模型，最大吸附量达27.8 mg/g(Cu)。竞争吸附实验发现柠檬酸盐会抑制Fe吸附达40%，而尿素无显著影响。

【Pharmaceutical rejection】创新性发现：M-BC表面亲水性和负电荷特性使其对常见药物(如卡马西平)的吸附率<5%，解决了传统吸附剂共吸附污染物的难题。分子动力学模拟显示药物分子与修饰表面存在强静电排斥作用。

【Hydroponic validation】水培验证显示：使用回收微量元素溶液的生菜生物量与Hoagland标准营养液组无统计学差异(P>0.05)，且叶片微量元素积累符合食品安全标准。柱实验证实M-BC可连续运行5个吸附-解吸周期仍保持>85%效率。

研究结论部分强调：该技术通过绿色化学修饰实现了尿液中微量元素的选择性回收，创新性地采用顺序解吸策略克服了传统单一解吸剂的局限性。水培验证证实回收元素可直接用于农业生产，为城市农业的闭环营养管理提供了新范式。特别值得注意的是，该系统的药物排斥特性保障了农产品安全，而L-DOPA的生物相容性使其适用于人体排泄物处理场景。这项工作从分子机制到实际应用构建了完整的技术链条，对实现SDG2(零饥饿)和SDG12(负责任消费和生产)具有重要实践意义。