华中师大李海兵教授团队最新ACS Nano：纳米通道膜技术去除PFOA，助力粮食安全

近日，华中师范大学绿色农药全国重点实验室/化学学院李海兵教授团队开发一种PFOA去除的纳米通道膜技术，有效消除PFOA对小麦生长发育的胁迫作用，为国家粮食安全助力。该研究成果发表在美国化学会国际顶刊《ACS Nano》，论文题目为“The Specific Removal of Perfluorooctanoic Acid Based on Pillar[5]arene Polymer-packed Nanochannel Membrane”，该论文第一作者为博士生徐卫卫，李海兵教授作为唯一通讯作者，华中师范大学为唯一通讯单位，以此献给华中师大百廿华诞！

图1. 生活中无处不在的多氟烷基化合物(PFAS)

小麦作为中国乃至全球重要的粮食作物之一，小麦产业的发展直接关系到国家粮食安全和社会的稳定。然而，在小麦的培育和生长过程中，常常受到各种有机生物抑制剂的影响，限制其正常的生长和发育。被称为"永远的化学品"的全氟辛酸（PFOA）和多氟烷基物质已被发现是普遍存在的环境污染物，由于其防油、防污、防水等特性，而被广泛应用于我们的日常生活中，例如聚四氟建材、润滑剂、清洁剂、不粘锅涂层、食品包装等。随着PFOA的大量使用，也广泛存在于农用灌溉水、土壤和生物有机体中。研究表明，土壤中的PFOA可通过小麦根系积累，并通过根系转移到茎叶。当PFOA浓度高于800mg/L时，会对小麦根、叶伸长量和生物量产生胁迫作用，抑制其生长并造成粮食减产。更重要的是，作物中的PFOA是人类健康的潜在威胁，因为它们最终直接或间接地将毒素转移到人体中。由于PFOAs具有生物累积性，在人体内半衰期为2-7年。一旦被人体吸收，会在体内与血清蛋白结合，然后沉积在肝脏、肾脏等身体各个脏器中，严重影响机体内分泌系统。因此，开发一种高效、便捷的方法从环境中去除PFOA是十分必要和迫切的。

图2.基于柱芳烃聚合物填充纳米通道对全氟烷基化合物选择性去除策略图

如何开发具有高输送性能和良好选择性的新材料去除水中过量的PFOA是一项具有挑战性的任务。李海兵教授团队采用新型氨基酸功能化柱[5]芳烃聚合物骨架，构建了具有较高传输性能的PFOA去除膜。通过原位聚合策略，将色氨酸-丙氨酸二肽柱[5]芳烃（TAD-P5）聚合物填充在PET纳米通道内，实现了PFOA在膜中的快速传输，从而达到去除水中PFOA的目的。TAD-P5聚合物的加入不仅增加了纳米通道中PFOA的识别位点，而且实现了PFOA的有效去除。

图3. TAD-P5聚合物填充纳米通道有效去除PFOA，消除对小麦生长胁迫

通过柱芳烃聚合物填充纳米通道膜去除前后溶液对小麦生长发育影响结果表明，去除前含PFOA的溶液对小麦的生长有胁迫作用，小麦植株矮小，且在15天之后叶面出现枯黄。而去除之后的溶液可以有效消除对小麦的胁迫作用，植株高度与对照组相当，是去除前的1.5倍。同时，通过EDS能谱分析小麦植株根、茎、叶中F元素的累积量。结果表明，去除前的小麦植株中，55%的F元素在根系中积累，同时茎和叶中也残留F元素，因此抑制小麦的生长发育。而去除后的小麦根茎叶中并没有发现F元素的累积。以上结果表明，该聚合物填充纳米通道可以有效去除水环境中的PFOA，消除对小麦生长胁迫。这项工作在农业技术和环境研究中使用独特结构的超分子填充纳米通道膜，激发了柱芳烃功能化纳米通道在绿色农业领域的应用潜力，为国家粮食安全“保驾护航”。

项目支持：该工作得到了国家自然科学基金(22371086、22071074)、国家重点研究发展计划(2021YFA0716702)、高校业务费专项等项目的支持。

原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c06448

来源：高分子科学前沿

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