《Sustainable Chemistry One World》：Biodegradable PLA-
Spirulina Electrospun Nonwoven Fibrous Membranes for Sustainable Oil-Water Remediation.
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摘要工业漏油和含油废水排放对生态系统构成持续威胁，而传统的合成吸油材料在使用后可能会产生不可生物降解的二次废弃物。本研究开发了一种以聚乳酸（PLA）为基材、掺入以生物基官能团和可生物降解有机成分而著称的平菇藻（Spirulina platensis）的电纺可生物降解膜，作为兼
摘要
工业漏油和含油废水排放对生态系统构成持续威胁，而传统的合成吸油材料在使用后可能会产生不可生物降解的二次废弃物。本研究开发了一种以聚乳酸（PLA）为基材、掺入以生物基官能团和可生物降解有机成分而著称的平菇藻（Spirulina platensis）的电纺可生物降解膜，作为兼具吸油、可重复使用和可生物降解特性的生物基吸附剂。通过共溶剂体系制备了PLA及1、3 wt%的Sp-PLA膜，进一步分析表明，这些膜仍保持强疏水性，其水接触角分别为133°、136°和134°（对应PLA、1 wt%和3 wt%的Sp-PLA）。1 wt%膜表现出最高的初始吸油能力（79.82 g/g），高于纯PLA（73.24 g/g）和3 wt%的Sp-PLA（65.52 g/g）。吸附动力学可由拟二级动力学模型较好地描述（R2分别为0.9927、0.9903和0.9843）。5次吸附-再生循环表明膜持续具有吸油能力，在所采用的再生条件下，约3次循环内保持了有效的可重复使用性。分离效率方面，PLA膜为79.30 ± 4.41%，而3 wt%的Sp-PLA膜为80.76 ± 13.46%；拉伸强度从1.41 ± 0.18 MPa降至3 wt% Sp-PLA的0.620 ± 0.037 MPa，表明螺旋藻掺入增强了可降解性，1 wt%和3 wt%片的重量损失分别达到33.33%和40%。因此，这种机械强度降低但使用后支持降解的特性表明，生物基有机成分可能在降解过程中提高微生物的可及性。
引言
现代工业操作、石油衍生能源的使用以及频繁的漏油事故已导致水体环境广泛污染。这已造成生态退化、健康危害和水资源短缺，而传统的化学处理、浮选和撇油等修复方法因成本高、油的选择不性差以及可能引发二次污染而效果有限[1]。因此，亟需开发高性能、环境可持续的材料，以高效、选择性地将油从水中分离出来，从而克服传统方法的不足，同时降低环境影响并支持长期生态平衡。
电纺聚乳酸（PLA）纳米纤维膜凭借其可再生来源、可生物降解性和可调孔隙率，提供了环境效益。这些膜表现出卓越的渗透通量（>2,600 L m-2h-1）、超疏水性（水接触角WCA=158°），并在加入TiO2或聚多巴胺等无机填料进行功能化后，在重力驱动测试中表现出>98%的拒油效率（Liu and Yuan, 2018; Subash et al., 2023）。同样，经细化的离心纺PLA非织造垫也表现出约26.8 g/g的吸油能力，这归功于其高的比表面积[4]。尽管结果令人鼓舞，但使用无机化学添加剂引发了可持续性方面的担忧，特别是关于使用寿命结束后的效应、环境持久性及可回收性[3]。
平菇藻（Spirulina platensis）是一种具有高营养和生化价值的微藻生物质，主要由蛋白质（约55-70%）和碳水化合物（5-25%）组成。关于螺旋藻-聚合物复合材料的研究，尤其是使用聚羟基丁酸酯（PHB）基纤维的研究，表明螺旋藻有助于提高均质性、细化纤维形态并增强生物相容性[5]。这些复合材料在堆肥过程中表现出更快的生物降解速度，这归因于螺旋藻富含氮的生物质，有利于微生物定殖（Kalita et al., 2021; Bhatt and Maheshwari, 2019）。尽管油水分离膜技术已取得进展，但在全生物降解、高性能且不含无机填料或合成添加剂的膜制备方面仍存在显著的研究空白。螺旋藻负载PLA纳米纤维垫在此类应用中的潜力尚未被探索，这为开发兼具可生物降解性和有效选择性及分离能力、同时降低生态影响和材料毒性的环境可持续材料提供了未开发的机会。
将螺旋藻掺入PLA纳米纤维垫中预计可提供三重协同效益，以增强其油水分离功能。首先，螺旋藻的表面残留物富含极性和两亲性基团，预计将保持其高疏水性（高水接触角/WCA）并轻微提高亲油性（较低的油接触角/OCA）。含有螺旋藻提取物的电纺麦谷蛋白纤维也表现出类似的双重润湿行为，其中水-油接触角发生微小但显著的变化，从而在不损害拒水性前提下提高了通量驱动的吸油能力。这一观察结果表明，螺旋藻作为一种环保功能性的天然添加剂，可同时影响纤维基体的形态学性质和表面化学特性，为创建高效、可持续的油水分离技术材料提供了可行的方法[8]。其次，在PLA基复合材料中掺入微藻生物质（如螺旋藻）已被证明有助于形成更细、更均匀的纤维形貌。蛋白质、多糖和色素等生物活性成分作为间隔剂，调节电纺溶液的电荷密度和粘度，从而生成更细、更均匀的纤维[9]。最后，添加螺旋藻可大幅加速PLA的生物降解，研究表明仅含5 wt%藻类（包括螺旋藻）的PLA薄膜在58°C下的堆肥失重较纯PLA增加2-3倍。这归因于富含氮的生物质吸引水解型和纤维素型微生物，加速分子链断裂及寡聚PLA产物的微生物同化[6]。
在先前的一项研究中，PLA-螺旋藻复合材料是通过熔融共混/热压方式制备PLA-螺旋藻薄片，包括预混合、高温双螺杆挤出和后续热压。该研究主要考察填料分散、机械和热性能、水致塑化作用及环境影响评估，而非油水修复[10]。与这类整体复合加工相比，电纺技术产生的有效互连纤维结构具有高比表面积和大纤维间隙，有利于吸附。本研究将PLA-螺旋藻复合材料拓展至电纺非织造膜，专用于液压油水修复。两亲性功能的增加和高铁纤维架构提供了大量可及的油捕获位点，使仅需3 mg的膜即可实现有效吸附，而可重复使用性能评估使用了5 mg，因为每循环中的有效处理更为合适。本研究重点探讨低螺旋藻负载量如何以较少的材料实现有效的吸油能力，并在使用后增强环境可降解性。研究进一步整合了吸附、动力学、润湿性、可重复使用和降解性，从而考察修复性能。
各节摘录
材料
螺旋藻藻粉（粒径 < 125 μm）购自印度马哈拉施特拉邦浦那的一家普通商店，供应商为Grenera Nutrient Pvt. Ltd.。聚乳酸（Mw = 60,000）由印度的Rucha Chemtech Pvt. Ltd.供应。99%纯度的HPLC级二氯甲烷（DCM）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）由Sigma-Aldrich印度公司提供。乙醇购自中国常熟宏胜精细化工有限公司。溶剂与试剂均按供应状态直接使用，未经任何处理。
纤维直径的形态学和统计分析
采用FE-SEM（场发射扫描电子显微镜）在10,000倍放大倍率下评估了电纺纳米纤维的纤维形貌、表面特征和直径分布。FE-SEM显微图像见图3，纤维直径分布图见图4，结果显示随着螺旋藻的掺入，纤维形貌发生渐进式变化。对每种配方中15根纤维的统计分析清楚地显示，纯纤维的平均纤维直径分别为3113.07 ± 952.60 nm、2922.53 ± 791.22 nm和1850.80 ± 758.52 nm。
结论
本研究展示了如何利用聚乳酸（PLA）与1 wt%及3 wt%的螺旋藻生物质复合而成的环保、可生物降解纳米纤维膜，实现高效的油水分离及环境清理。掺入螺旋藻显著改善了纤维形貌，使纤维直径减小、表面粗糙度增加，从而增强了毛细驱动的吸油作用和选择性润湿性。螺旋藻-PLA
伦理批准
本研究符合该期刊的伦理准则。研究不涉及人类或动物实验对象，因此无需获得伦理批准。
资金支持
作者未收到任何与所提交工作有利害关系组织的财务支持或资助。
CRediT作者贡献声明
Varsha Kulkarni：撰写—审查与编辑，方法学，概念构思。Balasubramanian Kandasubramanian：撰写—审查与编辑，可视化，验证，监督，软件，资源，方法学，概念构思。Snehal Chavan：撰写—初稿，方法学，形式分析，数据管理，概念构思。Manisha Singh：撰写—初稿，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念构思。Payal Varma：撰写—初稿。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢Pune的DIAT（DU）副校长Dr. B. H. S. Narayana Murthy教授坚定不移的鼓励与支持。作者也感谢Ms. Neelaambhighai Mayilswamy、Ms. Shruti Gupta、Ms. Kshitija Vaidya和Ms. Deepali Kadam在本综述期间提供的支持。
利益冲突/竞争性利益
作者声明不存在任何可能影响研究结果的利益冲突或竞争性利益，包括财务、知识产权或个人关系方面的。
Manisha Singh|Snehal Chavan|Payal Varma|Balasubramanian Kandasubramanian|Varsha Kulkarni
