基于细菌纤维素纳米纤维膜的功能化改性及其抗生物污染性能研究

为解决膜生物污染导致的渗透通量下降和能耗增加问题，研究人员通过简单浸渍法将定制硅烷(TCPA)和银纳米颗粒(AgNPs)功能化修饰细菌纤维素(BC)膜。结果表明TCPA-BC膜在保持高水通量(172 LMH)的同时，对E. coli的去除率达99.2%，且具有优异的抗污性能(97.8%通量恢复率)，为水处理系统提供了新型环保抗菌膜材料。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，膜分离技术在水处理领域展现出巨大潜力。然而，膜生物污染（Biofouling）这一"阿喀琉斯之踵"严重制约着该技术的广泛应用——微生物在膜表面粘附生长不仅会降低渗透通量，还会增加能耗并缩短膜寿命。在众多膜材料中，细菌纤维素（Bacterial Cellulose, BC）因其独特的纳米纤维结构、高机械强度和可调控的物理化学性质备受关注，但其缺乏固有抗菌性的缺陷限制了实际应用。

为攻克这一难题，来自加拿大拉瓦尔大学的研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表创新成果。研究人员另辟蹊径，采用简单浸渍法将新型硅烷化合物6-((3-(trimethoxysilyl)propyl)carbamoyl)picolinic acid（TCPA）接枝到BC膜上，并与传统的银纳米颗粒（AgNPs）修饰BC膜进行系统对比。这项研究首次在压力驱动错流过滤条件下评估了BC膜的抗菌功能化效果，为开发高性能抗污染膜材料提供了新思路。

关键技术方法包括：1）利用Komagataeibacter hansenii ATCC 53582菌株生物合成BC膜；2）通过迈克尔加成反应合成TCPA分子并功能化BC膜；3）采用绿茶提取物还原法制备AgNPs修饰BC膜；4）结合扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)进行表征；5）通过错流过滤装置评估膜性能；6）采用流式细胞术(FCM)和菌落计数法分析抗菌效果。

【形态与孔径分布】

SEM显示TCPA功能化使BC纤维排列更致密，平均孔径从64 nm降至59 nm。AgNPs均匀分布在纤维表面，粒径10-40 nm。分子量截留法(MWCO)证实TCPA-BC具有最宽的孔径分布(20-85 nm)，这与其优异的渗透性能直接相关。

【理化特性表征】

ATR-FTIR谱图中1550 cm^-1(N-H弯曲振动)和1702 cm^-1(C=O伸缩振动)新峰证实TCPA成功接枝。接触角测试显示TCPA-BC具有最佳亲水性(34.86°)，压缩模量达80 kPa，较原始BC提升78%。XPS检测到Ag-BC中Ag 3d_5/2特征峰(368.4 eV)，证实银元素存在。

【抗菌活性】

抑菌圈实验表明TCPA-BC和Ag-BC对E. coli的抑制直径分别为4 mm和6 mm。流式细胞术显示TCPA-BC使67.72%细菌细胞膜受损，显著高于Ag-BC(26.75%)。菌落计数证实两种功能化膜的细菌去除率均超过99.99%。

【膜通量与抗污测试】

在2 bar操作压力下，TCPA-BC纯水通量达172 L·m^-2·h^-1(LMH)，比原始BC提升4.9%。Lucas-Washburn方程分析表明，亲水性提升(接触角降低27.7%)是通量增加的主因。经五次天然有机物(NOM)过滤循环后，TCPA-BC用NaOH清洗的通量恢复率(FRR)达90%以上，展现出卓越的抗污能力。

【细菌截留性能】

在E. coli悬浮液过滤实验中，TCPA-BC仅出现6%通量下降，远低于原始BC(38%)。流式细胞术检测显示渗透液中活菌浓度：TCPA-BC(0.8 cells/μL)<原始bc(3.2 cells>

这项研究通过巧妙的分子设计，将TCPA这种含吡啶甲酸结构的硅烷化合物成功接枝到BC膜上，创造了兼具高渗透性和持久抗菌性的新型膜材料。与广泛研究的AgNPs修饰相比，TCPA-BM不仅避免了纳米颗粒浸出的环境风险，还展现出更稳定的抗菌性能——100天浸泡实验未检测到活性物质浸出。特别值得关注的是，TCPA功能化通过增加膜表面粗糙度，产生了独特的"抗粘附-杀菌"协同效应，这为开发新一代抗污染膜提供了重要启示。

从实际应用角度看，该研究建立的简单浸渍功能化方法易于规模化，且TCPA分子中的硅氧烷键可确保修饰层的持久性。研究团队提出的"亲水层保护"机制(即表面胺基和羟基形成的水合层阻碍污染物吸附)为膜污染控制提供了新思路。这些发现对解决水处理中的生物污染难题具有重要价值，也为其他纤维素基功能材料的开发提供了借鉴。未来研究可进一步探索TCPA分子结构与抗菌活性的构效关系，以及在复杂水体环境中的长期稳定性。