鱼鳃启发新型洗衣机滤网 去除多达99%微塑料的“自清洁”方案

德国波恩大学的研究团队近日公布了一种受鱼类鳃弓结构启发的新型洗衣机滤网，在实验中可从洗衣机废水中去除超过99%的塑料纤维，为遏制微塑料污染提供了一个极具前景的工程化方案。相关成果发表于期刊《npj Emerging Contaminants》，目前已在德国申请专利，并正推进欧盟范围内的专利布局。

微塑料通常指尺寸极小的塑料颗粒或纤维，被认为可能对人类及动物健康构成长期风险。研究指出，一个四口之家的单台洗衣机，每年就可能向环境释放多达约500克的微塑料，其中大部分来自纺织品在洗涤过程中的磨损与断裂。这些颗粒随废水进入污水处理厂，多数滞留在污泥中，而污泥又经常作为肥料施用于农田，导致塑料纤维最终扩散到土壤和更广泛的生态系统中。

针对这一问题，不少制造商已开始探索在洗衣机端口拦截微塑料的技术路径，但现有滤网方案普遍存在易堵塞、过滤效率不足或成本较高等缺点。波恩大学有机生物学研究所的莱安德拉·哈曼博士指出，目前市面上的一些装置要么很快被纤维堵死，需要频繁维护，要么对微小塑料颗粒的去除率并不理想，因此难以在大规模应用中发挥应有作用。

为寻找更优的工程方案，研究团队转向自然界已有的“成熟设计”。他们系统考察了各种生物的过滤结构，特别关注那些以滤食为生的鱼类，如鲭鱼、沙丁鱼和凤尾鱼等，这类鱼通过张口游动，将水流引入口腔并依靠鳃弓系统高效截留浮游生物。课题负责研究者之一亚历山大·布兰克介绍，他们对鱼类鳃弓在几亿年演化中形成的滤食结构进行了详细分析，并以此为蓝本设计出适用于洗衣机废水处理的仿生滤网。

在这些滤食性鱼类体内，鳃弓系统整体呈漏斗状：开口处位于鱼嘴一端，向食道方向渐渐收窄。构成漏斗壁的是一系列鳃弓，这些弓状骨架上分布着类似梳齿的鳃耙，其表面覆盖着细小的“齿突”，共同构成一个连续的网状筛结构。当鱼摄食时，水流穿过这层可渗透的漏斗壁，经鳃排出体外，而体积更大的浮游生物颗粒则被网状结构截留在漏斗内部。

由于漏斗形状及水流方向的设计，这些被截留的颗粒不会堵死筛面，而是沿着漏斗内壁滚动，最终汇聚到食道入口处，在鱼吞咽时被一次性“清空”，实现天然的自清洁。研究团队指出，这种“横流过滤”式的工作机制兼具高过滤效率与不易堵塞两大优势，正是理想微塑料滤网所需要的特性。因此，他们在仿生设计中重点复刻了这一漏斗几何形态和网孔结构，使纤维沿滤面滚动而非正面冲撞，从而显著减轻堵塞风险。

在具体工程实现上，团队复制了鱼类鳃弓系统的关键几何参数，并对筛网孔径以及漏斗开口角度进行了系统调节和组合优化。研究人员通过实验与计算机模拟相结合的方法，寻找出既能截留绝大多数微塑料纤维，又不会导致快速堵塞的一组参数组合。结果显示，在这一设计条件下，滤网对洗衣机废水中的微塑料去除率可超过99%，且整个结构无需复杂机械部件，适于低成本批量制造。

新滤网被设计为可集成在洗衣机内部的独立组件，中部的滤芯部分负责模拟鱼鳃弓的漏斗与筛网系统，而外部外壳则便于定期清理和与整机管路对接。在运行过程中，被截留的塑料纤维会聚集到滤网出口区域，并以较高频率被抽吸移除，以防再次堆积回流。研究设想，后端可以通过机械压缩等方式将这些湿纤维压制成含水量较低的塑料团块，用户只需在数十次洗衣后取出一次，将固体颗粒作为普通生活垃圾处理即可。

目前，这项技术已在德国提交专利申请，并在欧盟层面推进更广泛的知识产权保护。除了波恩大学之外，弗劳恩霍夫环境、安全与能源技术研究所（UMSICHT）也深度参与了该项目，相关转化工作由波恩大学转移中心enaCom联合NRW高校网络的技术转移服务机构PROvendis共同推进。研究团队希望家电制造商能够在未来一代洗衣机中集成这类仿生滤网，从源头上大幅削减纺织品微塑料排放，为缓解环境微塑料负担提供直接而可行的工程路径。

科学界近年来不断发出警示，指出环境中的微塑料可能对人体造成严重、而且很可能是长期的健康威胁。相关分析已在母乳、胎盘甚至大脑组织中发现微塑料颗粒的存在，引发公众对其潜在毒性及慢性累积效应的广泛担忧。在这一背景下，从源头减少微塑料排放被视为与下游治理同样关键的一环，而来自鱼类鳃弓的“仿生方案”正体现了自然灵感在环境技术中的独特价值。

编译自/ScitechDaily