《Eco-Environment & Health》：Engineered protein nanofibrils for chain-integrated water treatment: From source monitoring to end-point purification
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水污染日益复杂化已推动水处理向链式集成管理模式转变，涵盖源头监测、靶向去除和末端净化。蛋白质纳米原纤维（PNFs），由丰富的蛋白质自组装而成，因其丰富的官能团、温和的合成条件和可调性，成为应对这些挑战的理想候选材料。本综述探讨了PNFs在链式集成水处理技术中的
水污染日益复杂化已推动水处理向链式集成管理模式转变，涵盖源头监测、靶向去除和末端净化。蛋白质纳米原纤维（PNFs），由丰富的蛋白质自组装而成，因其丰富的官能团、温和的合成条件和可调性，成为应对这些挑战的理想候选材料。本综述探讨了PNFs在链式集成水处理技术中的潜力。首先，PNFs的发展历程揭示了其相对于传统纳米材料（如纤维素纳米原纤维和碳纳米管）的优势，包括更简单的制备方法、优异的理化性能和多样的功能化能力。其次，PNFs在水处理链中发挥多功能作用：作为污染物检测的敏感生物传感器组件、污染物去除的选择性吸附剂、降解反应的稳定催化剂载体，以及增强过滤效果的有效膜改性剂。PNFs的卓越性能源于其丰富的官能团和可控的表面电荷，这些特性为污染物提供了结合位点，为功能材料提供了附着点，同时其高长径比可防止纳米颗粒聚集并保持催化效率。尽管PNFs作为吸附剂已实现商业化，但基于PNFs的系统仍面临关键瓶颈，包括生物传感选择性有限、吸附机制尚不明确，以及催化稳定性不足。未来的研究方向应集中于开发抗干扰结合策略、优化宏观结构制备、构建稳定催化体系，并通过分子工程方法推进结构分析。本综述为这些新型生物材料及其在下一代水处理技术中的潜力提供了见解。
2. Development and manufacturing strategies of PNFs for water treatment
2.1. Evolution from pathological structures to functional materials
蛋白质纳米原纤维（PNFs）的认识经历了从病理性淀粉样蛋白到功能性材料的转变。1854年德国医生Rudolph Virchow首次提出淀粉样蛋白概念；19至20世纪的研究逐步从宏观观察走向临床分类，阐明了其主要成分为蛋白质，并具有垂直于纤维轴的β-折叠构象。氨基酸组成和序列分析进一步确定了其蛋白质身份。1992年，研究人员成功实现全长淀粉样蛋白的体外PNFs制备，并建立了成核依赖的聚合模型。1998年，研究提出淀粉样沉积可能是蛋白质的普遍性质而非仅与病理相关；次年，冷冻电镜技术提出了多肽堆积模型，奠定了淀粉样原纤维结构研究的基础。这些特殊结构赋予PNFs显著稳定性。自2012年首次报道PNFs基杂合生物传感器以来，其环境应用不断拓展：2013年用作生态友好型絮凝剂，随后开发出可去除重金属和放射性废物的杂合膜；2015年PNFs被用作金、钯纳米颗粒的模板用于环境催化；近三年研究人员克服了材料本征脆性，制备出宏观可调淀粉样膜，并通过X射线吸收精细结构谱验证了单铁位点锚定淀粉样水凝胶的催化平台。近期研究还证实了大规模自组装制备蛋白质材料的可行性。
2.2. Manufacturing strategies and composite development
2.2.1. Conventional and accelerated strategies for PNF formation
常规PNFs制备策略是在酸性条件和特定温度下孵育蛋白质，引发解折叠、错误折叠、疏水聚集和原纤维转变。酸性条件促进蛋白质水解为小肽并有序自组装，高温则加速组装动力学。然而，不同蛋白质所需孵育时间差异显著，例如大豆分离蛋白仅需8小时，而溶菌酶在相同条件下需超过24小时，这限制了规模化生产。为加速形成，研究者引入微波加热、盐添加（如NaCl和CaCl2）以降低静电排斥并促进聚集；离子液体、深度共熔溶剂和蛋白质变性剂也显著加速原纤维化，其中离液剂比常规方法更快地促进溶菌酶原纤维形成。对于具有高原纤维倾向的球状蛋白，三(2-羧乙基)膦（TCEP）可通过破坏分子内二硫键在数分钟内诱导淀粉样聚集。但这些加速策略会改变PNFs特性，如盐溶液影响黏度和机械性能，还原剂诱导的聚集通过成核依赖的单体解折叠产生不同原纤维。
2.2.2. Supramolecular assembly and morphology preservation
PNFs作为基本超分子单元，可组装成一维纤维、二维膜、三维连续凝胶网络和微米级微凝胶颗粒。不同宏观结构通过凝胶化、微流控、真空过滤等策略获得，并表现出不同的环境应用性能。例如，溶菌酶基原纤维具有高线性表面电荷，在宽pH范围内表现出优异的浊度去除能力；β-乳球蛋白PNFs气凝胶因低密度、大开放孔和高比表面积而具有水处理潜力。然而，冻干常导致PNFs网络塌陷并形成微晶，而超临界干燥可较好保留原始原纤维形态。通过浇铸、真空过滤和透析制备的膜能形成稳定有序的超分子结构，具有高污染物捕获效率和可重复使用性。保持纤维形态对污染物去除至关重要，但纤维结构保留与去除效率之间直接证据仍有限。
2.2.3. Functionalization strategies and composite materials
PNFs可通过共组装和后组装两种主要策略进行功能化。不同材料通过静电相互作用、配位键、还原反应等机制与PNFs结合。例如，纳米纤维素、蒙脱土纳米黏土或壳聚糖通过静电相互作用增强PNFs的结构强度；PNFs与金属纳米颗粒复合涉及氨基酸还原、超分子配位键和碱沉淀等机制。PNFs的高长径比有助于稳定金属纳米颗粒、控制尺寸分布并防止聚集，从而维持催化活性。碳材料（如活性炭、石墨烯、碳纳米管）作为基底可提高PNFs复合膜的机械强度和亲水性。此外，Fe3O4纳米颗粒赋予复合材料磁性，ZrO2沉积可调控颗粒尺寸，贵金属纳米颗粒则提供催化或传感功能。功能化方法需谨慎选择以保留PNFs固有性质，从而获得适用于吸附、催化和生物传感的多种功能材料。
3. Multifunctional applications of PNFs in chain-integrated water treatment
3.1. Intelligent monitoring of contaminants by protein nanofibrils
基于乳清蛋白PNFs的生物传感器平台具有化学多功能性和适应性功能化能力，可固定酶、抗体、石墨烯和纳米颗粒等传感元件。这些传感器通过分析物结合时淀粉样结构构象变化产生光、电或机械信号，实现实时检测。早期研究利用葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶功能化PNFs构建葡萄糖传感器；生物素化PNFs能与链霉亲和素修饰的纳米颗粒和量子点结合。杂合传感器结合氧化石墨烯和溶菌酶PNFs作为支架，在0.3–15 mM范围内实现精确葡萄糖检测。α-突触核蛋白PNFs固定化酶活性较游离酶提高四倍。PNFs传感器已扩展至环境监测，主要检测pH、金属离子和有机污染物。燕麦PNFs与Au纳米颗粒杂合膜对水响应敏感，共振峰蓝移；β-乳球蛋白PNFs复合膜可通过等电点附近红移进行pH传感。比色纳米传感器利用溶菌酶PNFs结合铬离子，检测限达30 ppb；金纳米簇嵌入牛血清白蛋白（BSA）PNFs与氧化石墨烯的杂合膜检测汞离子，检测限为0.0238 nM。传感器性能显著依赖蛋白质类型和纤维长度，如β-乳球蛋白因更高正电荷密度表现出优于BSA的导电性和污染物传感性能。
3.2. Targeted enrichment of contaminants through protein nanofibrils
PNFs通过多种功能基团和残基有效吸附重金属、放射性物质和有机污染物。分子对接研究证实铅离子与Cys121残基结合；半胱氨酸残基提供重金属螯合位点，酪氨酸和色氨酸提供π电子与有机污染物形成π?π堆叠作用。赖氨酸质子化氨基和谷氨酸去质子化羧基构成关键静电结合位点。吸附能力受配体单层、静电和疏水相互作用影响。β-乳球蛋白PNF气凝胶对布洛芬、苯达松和双酚A的去除率分别达98%、92%和78%，且经多次循环再生后性能无明显变化。纤维形态影响吸附性能，直纤维优于弯曲纤维。高pH制备条件可暴露更多氨基酸残基并富集于纳米原纤维表面，从而增强铅离子捕获。表面改性可显著提升吸附效率，如支化聚乙烯亚胺功能化的BSA PNF气凝胶吸附容量提高2.1倍。PNFs还可与金属有机骨架（MOFs）、碳材料、金属氧化物复合。ZIF-8与β-乳球蛋白PNFs杂合气凝胶具有环境稳定性；活性炭基质改善短链全氟和多氟烷基物质（PFAS）的吸附；铁羟基氧化物纳米颗粒使PNFs表面带正电，有效捕获病毒。ZrO2修饰的PNFs-碳膜对氟离子具有高选择性吸附，分配系数达6820 mg/L。PNFs吸附剂已实现商业化，如苏黎世联邦理工学院孵化的BluAct Technologies公司已规模化生产淀粉样纤维-碳杂合膜用于去除重金属和放射性同位素。此外，通过淀粉样介导的分子工程，PNFs修饰的废弃颗粒吸附容量较离子交换树脂、活性炭、共价有机框架和MOFs提高69–1980倍。
3.3. Synergistic advanced treatment for wastewater by protein nanofibrils
吸附仅将污染物富集至另一相，而PNFs可作为活性纳米颗粒和酶催化剂的支架或稳定剂。PNFs底物可调节纳米颗粒分布，防止聚集并保持催化活性。BSA PNF膜能有效保留辣根过氧化物酶（HRP），并实现高效苯酚氧化；溶菌酶PNFs生物膜增强氯过氧化物酶（CPO）的稳定性和可重复使用性。ZIF-8与β-乳球蛋白PNFs冻干气凝胶具有光催化性能，150分钟内对亚甲基蓝去除效率达91.1%。维持纤维结构对杂合催化剂高活性至关重要。以β-乳球蛋白PNFs为模板通过NaBH4还原原位合成金纳米颗粒，对4-硝基苯酚（4-NP）还原活性分别为蛋白模板和无模板体系的1.5倍和3.0倍。负载合金纳米颗粒的PNFs催化膜在连续流动8个循环后仍保持完整，未检测到纳米颗粒泄漏。β-乳球蛋白PNFs作为模板在碳纸和亚氧化物电化学膜上合成纳米钯，对Cr6+、4-氯苯酚和三氯乙酸的还原效率优于商用阴极，归因于三维PNFs网络实现更高Pd负载和更大电化学活性面积。催化活性受活性面积和纳米颗粒粒径控制，金催化活性优于钯。化学还原法制备的银纳米颗粒（主要<10 nm）比亚光化学还原（平均16 nm）具有更高催化效率。PNFs固有功能基团可还原金属形成极小粒径，如与羧酸基团配位的银纳米颗粒平均尺寸为1.6 nm；可配位氮原子可构建单原子铁纳米酶，选择性催化醇氧化为乙酸。
3.4. Surface modification for membrane separation through protein nanofibrils
膜分离技术具有占地小、能耗适中、去除效率高等优点，但膜污染是主要限制。PNFs作为理想的膜改性涂层材料，具有固有表面粘附性和温和的水相制备条件，可在不同组成、尺寸和形状的表面上均匀涂覆，同时保持高热稳定性和机械强度。β-乳球蛋白PNFs多功能涂层膜可同时控制表面纳米结构和化学性质，在油水分离、防污和防雾方面表现优异。相转变BSA PNF涂层通过静电排斥机制有效抵抗生物大分子（海藻酸钠、腐殖酸、BSA）和微生物（Sphingomonas wittichii和Aeromonas hydrophila）的污染，同时保持膜孔隙率和微滤通量。在相转变溶菌酶PNFs层上原位生长ZIF-8的复合膜对大肠杆菌的抗菌效率达99.9%，且具有抗有机污染性能，ZIF-8在太阳光下产生ROS实现光催化自清洁。但改性可能影响膜渗透性，对PNFs涂层影响基线膜性能的全面评估仍有限。
4. Sustainable analysis
高长径比比较显示，PNFs、纤维素纳米原纤维（CNFs）和碳纳米管（CNTs）均具有优于传统材料的性能，但生物纳米原纤维的环境影响显著更低。PNFs机械强度一般低于CNFs，但报道强度可与钢相当。生命周期评估显示PNFs制备依赖自发自组装，能耗显著低于机械破碎的CNFs。原料从高纯蛋白转向生物质废弃物进一步降低成本。体内外评估表明消化后的原纤维无细胞毒性、生理损伤或器官特异性斑块积累，安全性等同蛋白质单体。PNFs具有20种氨基酸侧链，可通过疏水、静电和氢键相互作用实现高亲和力分子识别，这是多糖基质所缺乏的。蛋白质单体初级序列可通过基因或酶法定制，实现位点特异性功能化和可控分级结构组装，优于纤维素需要本体化学改性的特点。
5. Challenges and future perspective
5.1. Main challenges
PNFs生物传感器的实际部署受复杂环境基质效应限制：共存离子产生电荷屏蔽，随离子强度增加比色响应减弱；pH波动改变PNFs与污染物间的静电作用，影响结合效率和精度。原始PNFs选择性有限，依赖非特异性静电吸引和氢键，无法有效区分目标物与背景阳离子。吸附方面，蛋白质前体存在批次差异，自组装对热力学和动力学参数敏感，导致不同研究报道的吸附容量差异较大（如溶菌酶PNFs对Pb2+容量数据不一）。冻干气凝胶难以维持稳定纤维结构，使得特定氨基酸-污染物相互作用的原子级描述困难。纯PNFs衍生淀粉样膜本征脆性会影响功能性能；在某些生物传感应用中，PNFs与还原氧化石墨烯的π?π相互作用在洗涤或电化学测量中易被破坏。催化剂可回收性差，过二硫酸盐活化体系中五轮循环后催化活性显著下降，原因包括活性物质流失和纤维完整性受损。
5.2. Future perspective
未来PNFs生物传感器需在更广泛目标物上验证通用性。通过纳米颗粒功能化赋予特异性选择，PNFs矩阵可调控纳米颗粒空间分布和粒径。蛋白质工程可理性调整氨基酸序列，如引入额外正电荷残基增强阴离子污染物吸附。为解决可重复性和结构完整性，需建立标准化合成协议和完整条件报告；优化膜真空辅助过滤和气凝胶超临界CO2制备以防止结构塌陷。先进结构生物学工具用于阐明PNFs结构-功能关系。构建催化剂于稳定宏观结构（膜、水凝胶、气凝胶）中可提高纳米颗粒稳定性；通过优化交联剂和引入大分子聚合物保护纤维特性，如开发双网络/三网络凝胶体系。SWOT分析显示，PNFs的主要优势在于生化多样性和分子识别能力；弱点是结构不稳定；机会包括利用固体废弃物生产以符合循环经济目标；威胁则来自活性炭和离子交换树脂等成熟产品的市场主导地位以及规模化生产与保存的挑战。
