暨南大学，最新Nature大子刊，膜分离！

全球水资源短缺与污染问题日益严峻，对可持续的水净化技术提出了迫切需求。膜分离技术，尤其是纳滤，因其能耗低、效率高而成为解决水问题的关键手段之一。然而，该领域长期面临两大核心挑战：一是渗透性与选择性/截留率之间固有的“博弈”关系（trade-off），使得膜的通量和分离效率难以兼得；二是膜污染，特别是由微生物附着和繁殖引起的生物污损，会严重降低膜的性能、增加维护成本并缩短其使用寿命。现有的抗生物污损策略，如表面涂覆抗菌剂或掺入抗菌纳米填料，虽有一定效果，但普遍存在稳定性差、抗菌成分易流失、填料团聚、可能带来环境和健康风险等问题，难以实现长期耐用性、环境安全性和高分离性能的统一。

鉴于此，暨南大学李万斌教授、刘海副教授和贾苗苗博士提出并构建了一种新型的抗生素（ATB）纳滤膜。该膜通过界面聚合技术，利用广谱抗生素卡那霉素（富含氨基和羟基）与均苯三甲酰氯反应，形成聚酰胺-聚酯复合膜。此抗生素膜展现出卓越的分离性能，其纯水渗透率高达47.91 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，对刚果红的截留率达99.6%，盐/染料选择性高达约10,000，性能优于现有的大多数膜材料。更重要的是，该膜具有强大的广谱抗菌性，能有效灭活高浓度（3×10⁷ CFU ml⁻¹）的革兰氏阴性/阳性菌、单药/多重耐药菌及耐消毒剂菌，杀菌率达93.6%-99.9%，并在长达170小时的错流过滤中保持了稳定的抗菌耐久性。相关研究成果以题为“Antibiotic membranes with broad-spectrum antibacterial properties for efficient molecular separations”发表在最新一期《nature water》上。

图 1. ATB 膜示意图

【形成机制】

研究人员对ATB膜的形成机制进行了深入探究。通过扫描电镜和原子力显微镜表征发现，ATB膜表面光滑连续，其功能层厚度仅为~8 nm（图2e-g），远薄于传统聚酰胺膜，这为其高渗透性奠定了基础。通过调控反应条件，特别是水相pH值，可以精准控制卡那霉素与TMC的反应程度。X射线光电子能谱分析显示，在pH 13.3时，卡那霉素的几乎所有氨基和近60%的羟基均参与了反应，形成了致密的聚酰胺-聚酯网络结构（图2i, j），同时膜表面丰富的含氧官能团赋予了其良好的亲水性和负电性（图2k）。动态水接触角测试也证实了这一点。

图 2. ATB 膜的表征

【性能】

在分子分离性能评估中，采用错流过滤系统进行测试。结果显示，在pH 13.3下制备的ATB膜表现最佳，对刚果红的截留率高达99.6%，同时水渗透率达到47.91 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹（图3a）。通过调控界面聚合时间，可以在渗透率和截留率之间进行微调（图3b）。在关键的盐-染料混合分离实验中，对于含200 ppm刚果红和1000 ppm NaCl的溶液，ATB膜展现了优异的筛分能力：刚果红截留率高达99.4%，而NaCl截留率仅为4.75%，实现了高达9860的NaCl/刚果红选择性（图3c）。该膜在不同压力（图3d）和长达15小时的连续运行中（图3e）均表现出卓越的稳定性。通过分离不同分子量和电荷的染料（图3g-i），研究证实ATB膜的分离机理主要基于精确的尺寸筛分效应，而非道南效应。此外，牛血清白蛋白污染实验证明，得益于其亲水性和负电性，该膜具有良好的抗有机污染能力。

图 3. ATB 膜的分离性能

抗生素膜的核心优势在于其抗菌性能。静态接触实验表明，与普通聚醚砜基底相比，ATB膜对大肠杆菌（图4a,b）和金黄色葡萄球菌（图4c）表现出极高的杀菌率。对于3×10⁵ CFU ml⁻¹的大肠杆菌，接触360分钟后，ATB膜的杀菌率可达99.9%，而PES膜仅为12.2%（图4a）。即使面对极高浓度（3×10⁹ CFU ml⁻¹）的细菌，ATB膜仍能保持超过94%的杀菌率。扫描电镜和共聚焦激光扫描显微镜图像直观显示，与ATB膜接触后的细菌细胞表面出现皱缩、破裂（图4e），且绝大多数细胞被染成红色（死细胞）（图4f），证实了其接触杀菌机制。

图 4. 常规细菌膜的抗菌特性

进一步针对携带抗生素耐药基因（单药/多重耐药大肠杆菌）和消毒剂耐药基因（蜡样芽孢杆菌）的细菌进行测试（图5），结果表明ATB膜同样具有高效的杀灭能力，对于3×10⁵ CFU ml⁻¹的耐药菌，杀菌率仍高达95.9%-99.9%，展现了真正的广谱抗菌特性。

图 5. ATB 膜对具有耐药基因细菌的广谱抗菌特性

最后，研究评估了ATB膜的抗菌稳定性。经过长时间的错流过滤后，ATB膜对大肠杆菌和多重耐药大肠杆菌的杀菌能力几乎没有衰减（图6a）。在动态过滤细菌溶液的实验中，ATB膜的通量下降远小于PES膜，且通过简单的水力清洗，通量几乎可以完全恢复（图6b）。在长达170小时的连续过滤中，ATB膜的渗透性能保持稳定，而PES膜的通量则急剧下降了82.2%。这些结果有力地证明了ATB膜在动态操作条件下具有出色的长期抗菌耐久性和分离稳定性。

图 6. ATB 膜的抗菌稳定性

【总结】

综上所述，这项研究成功开发了一种基于抗生素卡那霉素的聚酰胺-聚酯复合纳滤膜。该膜不仅通过形成超薄致密的分离层突破了渗透性与选择性的权衡限制，实现了卓越的分子分离性能，更重要的是，其将抗生素的杀菌功能整合为膜本身的固有属性，赋予了膜稳定、广谱且持久的抗菌能力，有效解决了生物污损这一难题。尽管研究指出在极高细菌浓度下杀菌率有所下降及潜在的抗生素耐药性风险等问题有待进一步探索，但这项“抗生素驱动”的策略无疑为设计下一代高性能、抗生物污染的水处理膜材料开辟了一条全新的路径，对推动水资源可持续利用和环境保护具有重要意义。