ZIF-8增强细菌纤维素膜抗纤维素酶降解性能评估及其在可持续废水处理中的应用

《International Journal of Biological Macromolecules》：Evaluation of cellulolytic degradation resistance of ZIF-8 reinforced bacterial cellulose membranes for sustainable wastewater treatment

　　

•ZIF-8复合细菌纤维素膜用于废水处理
•ZIF-8的引入提高了水渗透性
•在富含细菌的土壤中展现出抗菌活性和抗生物降解能力
•ZIF-8抑制微生物分泌的纤维素酶活性
•纤维素水解抑制动力学的研究

引言

纤维素基膜因其高效的过滤特性和相对简便的制造工艺，在废水处理领域得到广泛应用。它们已被用于废水处理的多个领域，包括工业用水中重金属的去除[1]、淡水中腐殖质的去除[2]、油水乳液的分离[3]、纺织废水中染料的去除[4]以及海水淡化[5]。纤维素醋酸膜是20世纪60年代初由Loeb-Sourirajan工艺推出的第一种用于反渗透应用的膜。此后，通过该工艺生产的纤维素基膜凭借其耐含氯进料水的能力迅速在市场上占据了一席之地。如今，纤维素基膜已成为废水处理行业的支柱。因此，研究人员专注于通过纤维素纳米纤维、细菌纤维素、纤维素纳米晶以及化学修饰和表面功能化等方式对纤维素衍生物进行有效利用的研究[6]、[7]。近年来，该领域最突出的研究是将细菌纤维素和纤维素纳米颗粒应用于膜材料，赋予膜材料高比表面积、可调节的表面化学性质和耐用品质等优异特性[8]。特别是细菌纤维素（BC）膜，由特定菌株在培养基中直接产生，已成为废水处理应用中的有效材料。BC膜具有多种优势：纯度极高，即不含木质素，具有高孔隙度的互连纳米纤维结构，并在保持选择性的同时实现高水渗透性。

尽管纤维素衍生物凭借其多种优势在废水处理中发挥了数十年的核心作用，但其主要缺点是在微生物存在下会随时间降解。这种对微生物的脆弱性缩短了膜的使用寿命。研究表明，纤维素基膜不仅在废水处理过程中会发生降解，在储存和停机期间也会降解[9]、[10]。早期研究者提出，通过提高反渗透纤维素醋酸膜的表面取代度来增强其抗生物侵蚀能力，但该方法仅在短期运行中有效[11]。Yadav和Hakkarainen[10]进行了一项为期一年的研究，观察纤维素醋酸在模拟水环境（如湖水、海水和人工海水）中的降解情况。他们报告了膜重量损失为5%–10%，具体取决于降解环境和温度。Murphy等人[9]研究了纤维素醋酸反渗透膜的微生物损伤。他们得出结论，微生物可在停机期间或储存条件下降解湿润的纤维素醋酸反渗透膜，因为已知霉菌会在膜表面附近和膜上生长。他们的研究表明，纤维素基膜暴露于纤维素降解微生物会损害膜的半透性特征。事实上，膜暴露于纤维素降解细菌不仅发生在储存期间，主要在废水处理过程中也会发生。Nieminen等人[2]研究了通过保护性涂层改善纤维素超滤膜耐久性的策略，用于腐殖质地表水净化。他们报告称，降解可能由微生物侵蚀和长期暴露于腐殖质及天然有机物导致的纤维素网络化学弱化共同引起。他们还指出，在微生物侵蚀的情况下，保护性改性应相应设计以防止酶到达膜表面。因此，研究人员对纤维素膜施加了保护性表面涂层，包括基于氧化的处理和增加表面电荷的聚电解质层。根据他们对涂覆和未涂覆膜的实验工作，保护性表面涂层被证明是增强用于天然地表水处理的纤维素超滤膜长期稳定性和性能的有效策略。尽管纤维素膜的降解机制在过去已被充分阐明，但针对通过改性提高膜抗降解性能的研究并不多见。文献中对纤维素膜的改性通常侧重于改善分离性能。然而，由于纤维素膜以易发生微生物降解而闻名，耐久性也应与分离性能一起进行评估。另一项研究表明，即使没有直接接触，当细胞和纤维被琼脂层隔开时，细菌对纤维素的降解也可能发生[12]。他们的发现表明，微生物消化纤维素的效率受到代谢物抑制的强烈影响：去除水解产物可解除抑制，允许更多酶的生产和更有效的纤维素降解。这一现象表明，即使保护层也可能在设计不良时成为问题来源。此外，膜上的生物污层也会诱导纤维素分解微生物的酶产生。所有这些研究都表明纤维素膜对微生物和化学降解的脆弱性，因此应相应地对纤维素膜进行改进。

本研究探讨了将金属有机框架引入细菌纤维素膜中——已知为纤维素的最先进形式之一——以增强膜抗微生物侵蚀能力和提高稳定性。选择ZIF-8作为金属有机框架，因为ZIF-8中的锌金属离子已知是纤维素分解微生物分泌的纤维素酶的抑制剂，其咪唑基团对废水中大多数真菌物种有害。纤维素酶通过谷氨酸、天冬氨酸和组氨酸残基的典型供氧和供氮配体，以微摩尔或纳摩尔亲和力在其活性位点结合游离锌离子。通过与这些蛋白质配位，游离Zn2+离子阻塞催化口袋，阻止底物结合或改变水解所需的质子化状态[13]。此外，ZIF-8框架呈现高局部锌位点密度，可充当温和的变性剂或蛋白质沉淀剂。完整的框架可通过与不同蛋白质表面暴露的氨基酸配位，将多个纤维素酶分子桥接在一起。这导致酶的微聚集或固定化引起的失活。

文献中涉及使用ZIF-8掺杂纤维素聚合物进行水处理的研究旨在通过ZIF-8的引入增强分离性能，同时受益于这些颗粒提供的抗菌特性。Iqbal等人[14]将ZIF-8与铜氨纤维素集成，用于处理含废弃抗生素的制药废水。他们报告称，ZIF-8的引入增强了废弃抗生素的吸附能力。此外，他们指出该膜对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）显示出显著的抗菌效果，证明了其在污染物去除和微生物消毒方面的双重功能[14]。在另一项研究中，开发了富含氧化锌的BC气凝胶和膜，用于高效净化含有微生物、重金属和小分子有机物的水[15]。作者报告了对离子、染料和四环素的高去除效率，同时具有强大的消毒性能。抗菌活性针对S. aureus和E. coli进行评估，这两种微生物是评估饮用水安全的常用微生物指标，结果表明氧化锌对这两种菌都提供了实质性的消毒能力。然而，文献中的大多数研究仅专注于这些标准指示菌，尽管由各种产业产生的废水流可能含有更广泛的微生物，这些微生物会损害膜完整性并缩短膜的使用寿命，尤其是对纤维素膜而言。

在本研究中，我们通过一系列涉及多种微生物的抗菌和抗真菌实验，对膜的抗菌行为进行了全面评估，并在富含纤维素分解细菌的环境中进行了土壤降解测试。在这方面，我们研究了更广泛且更具生态相关性的微生物范围。通过土壤降解实验，评估了膜在极端条件下的长期稳定性和使用寿命。此外，通过利用这些微生物分泌的纤维素酶进行的抑制动力学实验，探索了抗微生物降解机制和ZIF-8颗粒的抑制作用。最后，通过水渗透测量展示了ZIF-8对膜分离性能的影响。

材料

为生产BC，无水D(+)葡萄糖（MW=180.16 g/mol）和磷酸氢二钠（MW=141.96 g/mol）购自德国Merck KGaA公司，蛋白胨和柠檬酸（纯度99%，MW=192.12 g/mol）购自Sigma-Aldrich公司。用于pH调节的纯度为99.7%的冰醋酸购自VWR Chemicals公司。氢氧化钠购自Sigma-Aldrich公司。为生产ZIF-8掺杂膜，2-甲基咪唑（2-MIM）购自Sigma Aldrich，硝酸

SEM结果

纯BC膜（图2a）呈现半透明凝胶状外观，这是细菌纤维素高度水化纳米纤维网络的特征。在浸渍ZIF-8晶体后，观察到膜的光学性质发生了明显变化。两种复合膜BC/ZIF8-X（图2b）和BC/ZIF8-2×（图2c）均变为不透明并呈白色。这种变化归因于白色结晶ZIF-8粉末的分散存在

结论

本研究证明，将ZIF-8引入细菌纤维素膜中提供了一种多功能策略，可提高膜的性能和耐久性。ZIF-8有效抑制了纤维素分解微生物的活性，从而减少了细菌纤维素的生物降解。此外，酶抑制实验证实了ZIF-8的存在降低了有效纤维素分解活性，而土壤降解测试进一步证明了

CRediT作者贡献声明
Esranur Tan：撰写—原始草稿、方法论、调查。Asl?han ?alhan：撰写—原始草稿、方法论、调查。Lavinia Liliana Ruta：撰写—审阅与编辑、撰写—原始草稿、资源、调查。Ay?a Hasano?lu：撰写—审阅与编辑、撰写—原始草稿、指导、概念化。

资金支持声明
作者未收到任何资金支持来完成本工作。

利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本论文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢
作者未获得任何资金支持本工作，感谢Livia Ciobanu协助进行长枝木霉实验。

Esranur Tan|Asl?han ?alhan|Lavinia Liliana Ruta|Ay?a Hasano?lu