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同时实现高效净水和资源回收的CuMF过滤器

在全球范围内，由水体富营养化驱动的藻华问题日益严峻，气候变化和水资源需求的增加更使其雪上加霜。藻华不仅严重威胁水质和水生生态系统，其释放的蓝藻毒素和异味物质更直接危及人类健康。这一问题在水产养殖领域尤为突出，该行业贡献了全球超过57%的水产品，却同时面临着藻类生物量巨大（年产量约378亿吨）且传统处理方式化学强度高、环境不友好的困境。当前，依赖化学除藻剂（如硫酸铜）的方法虽然短期见效，但会引入二次污染，破坏生态平衡。因此，行业亟需一种既能高效净水，又能将废弃藻类生物质转化为有价值资源的可持续解决方案。

鉴于此，中国科学院生态环境研究中心孙猛研究员提出了一种创新性的过滤系统——零价铜微孔过滤器（CuMF）。该过滤器在低压下即可实现100%的藻类截留率，同时展现出超高水渗透性（11,700 L m⁻²h⁻¹bar⁻¹），远超传统聚合物滤膜。更为关键的是，CuMF能自发产生高活性Cu(III)物种，通过界面电子转移选择性氧化胞外有机物，同时完整保留藻细胞，为后续资源化利用奠定基础。在实际受藻华影响的水产养殖系统中，该系统展现了长期稳定性，能高效回收高浓度藻类生物质，并有效去除藻毒素、异味物、微污染物及各类病原体，实现闭环水回用。技术经济分析和生命周期评估表明，与传统除藻剂方案相比，CuMF系统可降低64.8%的经济成本和77.5%至97.2%的环境影响，是推动循环水产养殖发展的有力工具。相关成果以题为“Advancing sustainable aquaculture with a zero-valent copper filter system”发表在最新一期《nature sustainability》上。

CuMF的制备与性能

研究人员设计了一种自支撑CuMF，通过压铸成型后煅烧制备，具有多孔结构和亲水性表面（接触角64.02°）（图1b）。通过调节制备压力，可将平均孔径控制在0.5-1.5μm之间。该过滤器在极低压力下的纯水通量高达11,700 LMH/bar，媲美砂滤并优于商业聚合物膜。在单程过滤中，CuMF对小球藻等淡水微藻实现100%截留，同时溶解有机碳（DOC）去除率达61.56%，远高于对照组的2.1-12.3%（图1d）。分子量分布和荧光光谱分析表明，CuMF能有效降解腐殖质和类富里酸等中等分子量有机物（图1e-f）。此外，CuMF还表现出优异的抗生物污染性能，通过简单反冲洗即可恢复清洁表面（图1g）。X射线吸收精细结构谱分析证实，使用后的CuMF体相仍保持零价铜（Cu(0)）状态，且铜离子浸出浓度远低于世界卫生组织2 mg/L的限值，显示出卓越的化学稳定性。

图 1 | CuMF在富藻水净化中的制造与性能

Cu(III)的贡献

CuMF的优异反应性源于其表面自发形成的活性物种。通过原位表面增强拉曼光谱（SERS）和旋转环盘电极（RRDE）技术，研究团队发现，在氧气存在的中性条件下，Cu(0)表面会生成亚稳态的Cu(III)物种，并伴随活性氧的产生（图2a-c）。电子顺磁共振和DFT计算进一步揭示，氧气驱动的Cu(0)表面重构会形成Cu₂O晶面，并通过H₂O₂介导的自发氧化路径生成Cu(III)（图2e）。开尔文探针力显微镜（KPFM）测量显示，包被胞外有机物的藻细胞在铜基底上的接触电势差显著升高，证实了胞外有机物在介导电子转移中的关键作用（图2f）。通过原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS），研究者实时观察到腐殖酸在Cu(0)表面的氧化分解过程（图2g）。结合DFT计算，研究阐明了Cu(III)介导的质子耦合电子转移机制，该机制能选择性氧化藻类衍生的富电子有机物，为CuMF的宏观反应性提供了微观解释。

图 2 | Cu(III) 物种的生成及其与微藻的相互作用

现场应用验证

基于实验室成果，团队开发了低压快速过滤系统（LpRFS），采用管式CuMF在实际水产养殖池塘进行现场试验（图3a-b）。该系统在0.05 MPa的超低压死端过滤模式下，实现了稳定的水力性能和100%的微藻截留，能将藻类生物质浓缩8.9倍，浓缩液可用于生产生物乙醇（图3c-e）。与聚丙烯棉过滤器和铜硫酸盐除藻剂相比，LpRFS-CuMF在去除溶解性有机物、微囊藻毒素LR以及土臭素等异味物质方面均表现卓越（图3g-h）。在长达30天的连续运行中，系统保持了约70,000 LMH的稳定产水量、100%的藻类回收率，且滤液中铜离子浓度维持在约0.1 mg/L，远低于安全限值，各项污染物去除效率未见衰减（图3i-j）。

图 3 | LpRFS-CuMF在水产养殖水净化和再利用中的表现

高风险污染物去除与安全性评估

除了常规污染物，LpRFS-CuMF在去除高风险生物污染物方面同样效果显著。该系统能去除99.95%的四环素和99.99%的四环素抗性大肠杆菌，并显著削减总抗生素抗性基因（ARGs）和移动遗传元件，有效遏制了基因水平转移风险（图4a）。病毒组学分析显示，CuMF能去除247种病毒，对主要病毒门类的去除效果优于传统聚丙烯棉过滤器（图4b）。斑马鱼胚胎急性生物毒性试验进一步证实了其安全性：在72小时暴露后，原水中的胚胎死亡率高达74.24%，畸形率约50%；而在CuMF处理后的滤液中，胚胎死亡率降至6.06%，孵化率升至89.39%，畸形率仅为3.42%（图4c）。这一结果有力地证明了CuMF系统在实现安全水再生方面的巨大潜力。

图 4 | 高风险生物污染物清除与急性生物毒性评估

技术经济分析与生命周期评估

技术经济分析表明，处理1000 m³藻华污染水体时，LpRFS-CuMF系统的总经济成本为53.75美元，较传统除藻剂方案的152.85美元降低了64.8%，主要得益于其化学品零消耗和能源效率的提升（图5a）。生命周期评估结果显示，与除藻剂方案相比，LpRFS-CuMF在全部21个环境影响类别上均有显著改善，降幅达77.5%至97.2%。其中，全球变暖潜势、酸化潜势和人体毒性分别降低了88.53%、96.24%和87.01%（图5b）。

图 5 | LpRFS-CuMF在水产养殖水重复利用中的综合评估

总结与展望

本研究提出的LpRFS-CuMF系统，为受藻华困扰的水产养殖提供了一种无化学添加、可持续且可规模化的解决方案。它成功地将藻类生物质从废弃物转化为有价值的资源，同时通过高效去除各类污染物实现了水的安全再生和回用，构建了一个水-能源-物质循环利用的闭环系统。相较于传统方法，该技术在经济和环境效益上均展现出压倒性优势，为全球尤其是占水产养殖产量93%以上的发展中国家，提供了一条兼顾生态保护、资源回收与经济增长的可行路径。未来研究将聚焦于提升系统在去除抗生素和抗性细菌方面的适应性，开发抗中毒和钝化的复合金属滤材，并融合数据挖掘与先进传感技术，以实现对藻华风险的智能预警与主动防控，从而推动下一代可持续水产养殖管理的发展。