石墨烯改造纤维用于紫外线诱导的光催化去除蓝藻藻华

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光催化技术在实际应用中面临催化剂回收困难、粉末状光催化剂易造成二次污染等挑战，限制了其在有害藻华治理领域的推广。本研究通过将石墨烯原位聚合于聚酯纤维表面，成功开发出石墨烯改性纤维（GMF）作为光催化剂，并应用于蓝藻水华的灭活控制。在紫外照射下，GMF表现出稳定的光催化性能，可持续抑制铜绿微囊藻生长（抑制率达56.4%），并降解18.4%的微囊藻毒素-LR。GMF引发的强氧化应激导致细胞结构损伤、光合活性抑制，同时提升抗氧化酶活性及非酶抗氧化物质水平。GMF吸收充足能量诱发带间跃迁，产生羟基自由基直接参与细胞内氧化还原反应。虽然石墨烯组分对氮磷具有吸附作用，但研究确认光催化途径是抑制藻类生长和降解藻毒素的主导机制。在连续流反应器和中试围隔实验中，0.2%浓度的GMF对蓝藻生长的抑制率达到61.5%–92.2%。这些结果表明，GMF为有害藻华治理及藻毒素同步去除提供了一种绿色高效的解决方案，为石墨烯基光催化材料在环境治理中的实际应用奠定了前瞻性基础。

蓝藻水华是当前全球水体面临的一大环境挑战，其暴发不仅破坏水生生态平衡，还会释放藻毒素，威胁饮用水安全与人体健康。传统治理方法如物理打捞、化学杀藻和生物调控等，或效率有限，或易造成二次污染，难以兼顾高效与环保。近年来，光催化技术以其高效、清洁的特点备受关注，但粉状光催化剂易流失、难回收的问题制约了其实际应用。针对这一瓶颈，一项发表于《Chemical Engineering Journal》的研究提出了一种创新解决方案：通过原位聚合法将石墨烯牢固负载于聚酯纤维上，制备出具有光催化功能的石墨烯改性纤维，为实现蓝藻及其毒素的同步绿色治理提供了新思路。

该研究团队开发的石墨烯改性纤维（GMF）采用化学键合方式，在聚酯纤维基质中均匀分散石墨烯片层，形成稳定的复合结构。这种设计不仅保留了石墨烯优异的光电特性与吸附能力，还克服了粉体材料易流失、难分离的缺点，极大提升了材料的实用性与环境安全性。

实验表明，在紫外光照射下，GMF能有效抑制典型蓝藻——铜绿微囊藻的生长，并对其特征毒素微囊藻毒素-LR 表现出降解能力。随着石墨烯负载量增加，光催化效果进一步增强。当石墨烯负载量为2%时，GMF对藻细胞生长的抑制率可达56.4%，对微囊藻毒素-LR的降解率达18.4%。在连续流反应器及太湖实地围隔实验中，GMF也展现出良好的实际应用潜力，抑制率最高可达92.2%。

示意图

机理研究揭示，GMF在紫外光激发下产生羟基自由基，这是其发挥效用的关键活性物种。羟基自由基攻击藻细胞膜，引发脂质过氧化，破坏细胞结构完整性。同时氧化细胞内蛋白质与光合色素，干扰光合作用系统，抑制能量代谢。尽管藻细胞会启动抗氧化酶系统进行防御，但无法完全抵消GMF产生的强烈氧化应激，最终导致细胞生长受阻乃至死亡。此外，石墨烯组分还能吸附水体中的氮、磷等营养物质，间接抑制藻类生长，但光催化途径被证实是主要的抑制机制。

除了高效的光催化性能，GMF还表现出良好的机械稳定性与环境相容性。长时间紫外照射后其力学性能未发生明显下降，且实验证实其在作用过程中无石墨烯脱落，对水生模式生物大型蚤无急性毒性，避免了二次污染风险。聚酯纤维载体赋予材料良好的柔韧性与可加工性，易于组装成各种形式的反应组件，为实际水体的模块化、可回收治理提供了便利。

综上所述，这项研究不仅成功构建了一种新型、稳定、易回收的光催化纤维材料，更系统阐释了其对蓝藻生长抑制与毒素降解的双重作用机制。石墨烯改性纤维将光催化技术的优势与纤维载体的实用性相结合，为应对蓝藻水华这一全球性环境问题提供了一条绿色、高效且具有实际应用潜力的技术路径，在湖泊、水库等水体的生态修复与长效治理方面展现出广阔前景。

来源：生物医学材料Frontier