氨基酸接枝微晶纤维素高效吸附水体Cd(II)和Pb(II)的机制与生态安全评价研究

针对水体重金属污染治理难题，研究人员通过将天冬氨酸(ASP)和聚天冬氨酸(PASP)接枝至微晶纤维素(MCC)，开发出新型可食用吸附剂PASP-MCC。该材料对Cd(II)和Pb(II)的最大吸附容量分别达36.5 mg/g和57.56 mg/g，较原始MCC提升12.6倍和9.5倍，吸附过程符合准一级动力学模型。研究证实其通过络合-物理吸附双重机制发挥作用，并在青鳉鱼实验中显著降低重金属毒性积累，为水产养殖及饮用水安全提供创新解决方案。

　　

随着工业化的快速发展，重金属污染已成为威胁水环境安全和人类健康的重大隐患。镉(Cd)作为I类人类致癌物，不仅破坏生态系统营养循环，还会引发心血管疾病和神经退行性病变；铅(Pb)则通过食物链富集损害造血系统和神经系统。传统吸附材料普遍存在吸附效率低、二次污染风险等问题，开发高效安全的吸附剂迫在眉睫。

针对这一挑战，南开大学环境科学与工程学院的研究团队创新性地利用食品级微晶纤维素(MCC)为载体，通过接枝天冬氨酸(ASP)及其聚合物(PASP)，成功研制出兼具高吸附性能和食用安全性的新型材料PASP-MCC。该研究发表在《International Journal of Biological Macromolecules》上，为解决重金属污染治理提供了突破性方案。

研究采用TEMPO氧化法活化MCC表面羟基，通过EDC/NHS介导的酰胺化反应接枝ASP和PASP。通过批量吸附实验结合Langmuir等温模型和准一级动力学分析，系统评估材料性能；采用XPS和FTIR揭示吸附机制；最后通过青鳉鱼(Oryzias latipes)体内实验验证生态安全性。

关键研究发现：

1. 吸附效能突破：PASP-MCC对Cd(II)和Pb(II)的吸附容量分别达36.5 mg/g和57.56 mg/g，较原始MCC提升12.6倍和9.5倍，在1.5 g/L剂量下Cd(II)去除率超96%。
2. 动力学特性：吸附过程符合准一级动力学模型，20分钟内即可达到平衡，ASP-MCC对Pb(II)的吸附速率常数(k₁)达0.258 min^-1。
3. pH敏感性：在pH 2-6范围内，ASP-MCC对Pb(II)的吸附量随pH升高而增加，最佳吸附pH为5.5。
4. 机制解析：XPS证实氨基(-NH₂)和羧基(-COOH)是主要活性位点，通过N 1s轨道电子转移与金属离子形成配位键。
5. 生态安全验证：PASP-MCC处理组青鳉鱼的Cd(II)和Pb(II)组织积累量降低53.7%-68.2%，显著改善肝脏抗氧化酶活性。

这项研究首次将可食用氨基酸聚合物与纤维素材料结合，创造了兼具高效吸附性能和生物安全性的新型材料。其创新价值体现在：①突破传统吸附剂的食品安全限制，拓展至饮用水和水产养殖领域；②通过聚合物接枝策略大幅提升纤维素材料性能；③建立从分子机制到生态效应的完整评价体系。该成果为重金属污染治理提供了"吸附-解毒"双功能解决方案，在环境工程和公共卫生领域具有重要应用前景。未来研究可进一步优化材料规模化制备工艺，探索其在复杂水体基质中的实际应用效能。