综述：用于废水处理和土壤修复的丝蛋白

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Silk Proteins for Wastewater Treatment and Soil Remediation

　　

摘要

基于丝的材料已成为从废水和土壤中去除有害有机污染物、重金属和新兴污染物的有前景的候选材料。它们天然的丰富性、良好的生物相容性、机械强度和完全的可降解性，相比许多合成吸附剂具有明显优势。为了进一步提升性能，最近的研究探索了交联、与其他大分子的混合或添加功能性纳米颗粒的方法，制造出了具有优异吸附和催化活性的丝复合材料。本综述不仅涵盖了之前的关于壳聚糖和纤维素等生物聚合物的研究，还重点关注了丝蛋白的层次结构及其对多种材料形式的适应性。我们系统地讨论了丝素和丝胶的提取与纯化方法、它们的物理化学性质，以及用于制备薄膜、水凝胶、海绵、微球和纳米颗粒的制造策略。文章探讨了包括吸附、光催化和生物降解在内的去除机制，并比较了这些材料在不同处理系统中的性能，从膜过滤到移动床生物膜反应器和土壤稳定技术。同时强调了可重复使用性和再生方面的问题。最后，我们指出了主要障碍，如高昂的生产成本、在真实条件下的机械稳定性不足以及现场规模数据不足，并提出了开发经济高效且环境安全的基于丝的修复材料的未来发展方向。

引言

水污染已成为最紧迫的全球环境挑战之一，这是由于快速城市化、工业化和农业集约化所致。工业废水、生活污水和农业径流不断将包括重金属、合成染料、农药、抗生素和微塑料在内的有害污染物排放到水体中，对水生生态系统造成严重破坏，并对人类健康构成风险[1]，[2]。土壤污染同样严重，且与水污染密切相关。工业排放、采矿活动以及化肥和农药的过度使用导致有毒金属和有机污染物在土壤中积累，这不仅降低了土壤肥力，破坏了微生物生态系统，还通过作物吸收进入食物链[3]，[4]。

为应对这些挑战，已经开发了多种修复技术，包括吸附、膜过滤、化学沉淀、光催化和生物修复[5]，[6]。然而，这些方法往往受到固有局限性的限制。传统吸附剂成本高昂、选择性差且会产生二次废物[7]。膜系统面临污染问题且能耗高[8]，而化学絮凝会产生需要进一步处理的有毒污泥[9]。许多传统材料是不可再生且不可生物降解的，本身也可能成为二次污染源[10]。在土壤修复中，土壤清洗、固化和技术脱附等方法能耗高且会对土壤生态造成破坏[11]，而微生物修复则受限于受污染土壤中微生物的存活率较低[12]。这些局限性促使人们寻找可持续、经济高效且环保的替代方案。

在这种情况下，丝蛋白（主要是丝素和丝胶）因其层次结构、丰富的官能团和天然的生物相容性而受到越来越多的关注，这些特性使得其物理化学性质可调，并能与其他污染物发生多种相互作用[13]，[14]。丝素中的β-折叠结晶结构提供了机械强度，而无定形区域则赋予了柔韧性和降解性能[10]。丝蛋白可以通过电纺、冷冻干燥和3D打印等温和的水基技术加工成多种功能结构，如薄膜、水凝胶、海绵、微球和纳米颗粒[15]，[16]。它们的内在可降解性确保了使用后的生态影响最小，因为降解产物主要是无毒的氨基酸[17]。基于丝的材料在水和土壤环境中展现出多功能性。它们可以作为重金属和染料的高效吸附剂[18]，[19]，改善土壤水分保持力和植物生长[20]，实现受控养分释放和微生物固定[17]，并可作为催化剂加载和酶固定的平台[21]以及增强生物修复的微生物载体[22]。最近的研究进展，包括丝素和氧化石墨烯复合膜、丝素和植酸水凝胶以及生物降解的活性塑料，进一步证明了它们在污染物去除、资源回收和土壤改良方面的潜力[17]，[23]，[24]。

尽管取得了这些进展，但系统整合基于丝的材料在水和土壤修复中的应用的综合性综述仍然较少[25]，[26]。关于纯丝蛋白的内在性能与复合系统增强效果之间的区别、不可生物降解添加剂的的环境风险、长期稳定性、可再生性、可扩展性和成本效益等关键问题尚未得到充分关注。

与以往专注于单一蛋白质成分、单一材料形式或单一应用介质的综述不同，本综述提供了一个综合框架，跨越了水环境和土壤环境的基本理解、材料设计和实际应用。它在三个关键方面区别于现有文献：它批判性地区分了纯丝蛋白的内在性能与复合系统的增强性能，明确了丝作为结构平台与作为性能增强剂的功能性添加剂的区别；它通过定量比较传统吸附剂和基于生物的吸附剂，系统评估了丝蛋白对重金属、有机污染物和新兴污染物的去除效果；并且它解决了实际应用中的挑战，如连续流操作、再生、可扩展性、不可生物降解添加剂的环境风险以及试点规模的验证问题，这些问题在之前的综述中大多被忽视了。

我们在Web of Science、Scopus、PubMed和Google Scholar上搜索了2010年1月至2026年6月期间发表的同行评审文章。搜索策略结合了丝蛋白（如丝素、丝胶）的相关术语，以及环境应用（如废水处理、吸附、重金属、有机污染物、染料去除、土壤修复、生物降解和微生物载体）的相关术语。我们还检查了所有检索到的论文的参考文献列表。我们仅纳入了报告了基于丝的材料在水或土壤修复方面的定量性能数据的英文原创研究和综述文章。本研究未考虑专注于生物医学用途的研究、非丝材料（除非作为对比对象）、会议摘要和书籍章节及专利。搜索结果大约得到了1,247条记录。在排除386条重复项并筛选标题和摘要后，我们评估了249篇全文文章，并最终选中了178篇。我们遵循了PRISMA指南进行筛选。本综述提供了文献的定性总结，没有进行定量汇总。

章节片段

丝素的基础知识

丝是一种天然纤维材料，主要由家蚕Bombyx mori生产。这种纤维主要由丝素组成，外部包裹着一层粘性的丝胶蛋白保护层[27]。

基于丝蛋白的环境修复材料设计策略：从结构到功能

丝蛋白在环境修复中的实际性能从根本上取决于它们能否转化为针对特定污染场景的功能工程化结构。在废水处理中，材料必须具备高比表面积、选择性吸附能力和催化功能，以有效去除重金属、染料、油类和新兴污染物。在土壤修复中，材料需要起到稳定作用

丝蛋白与污染物的相互作用机制

丝素和丝胶的污染物去除性能源于多尺度物理化学和生物介导过程的结合。这些机制可分为三大类：物理吸附、化学相互作用和结构效应，它们根据环境条件协同作用。

物理吸附主要是由丝衍生材料的大比表面积和层次多孔结构驱动的，这使得污染物

吸附机制与污染物去除

基于丝蛋白的材料（SBMs）的环境修复性能源于其双重结构特征，即丝素中的有序β-折叠结晶域和丝胶中的无定形亲水区域。这种层次结构使材料能够实现多模态污染物相互作用，同时进行物理吸附和化学结合。因此，SBMs对重金属、有机污染物和新兴污染物具有高去除效率

特定应用技术

虽然《基于丝蛋白的环境修复材料设计策略：从结构到功能》、《作用机制与性能比较》和《丝蛋白在废水处理和土壤修复中的作用》提供了基于丝蛋白的环境修复的基础，但其实际应用依赖于与现有处理系统的有效整合。

结论

基于丝蛋白的材料是一类多功能且可持续的生物材料，具有丰富的官能团、形态可调性和内在的可降解性，这些特点使它们区别于传统吸附剂。然而，在复合系统中，诸如Pb (II) 的去除能力超过360 mg/g等优异性能主要来自聚乙烯亚胺或氧化石墨烯等功能性添加剂，而纯丝仅具有中等去除能力

CRediT作者贡献声明

阮丽：撰写——评审与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。Abdelkader Bassiony：撰写——评审与编辑，初稿撰写，方法学研究。杨磊：撰写——评审与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。丁学嘉：撰写——评审与编辑，初稿撰写，研究。戴景涛：撰写——评审与编辑，初稿撰写，可视化，研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号32472792）、浙江省农业重大技术协调推广计划（项目编号2024ZDXT06-03）和浙江省农业农村厅农业科学技术合作项目（项目编号2026SNJF039）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系。

戴景涛|丁学嘉|Abdelkader Bassiony|杨磊|阮丽浙江省农业科学院蚕桑与茶叶研究所，中国杭州310021