國際權(quán)威期刊《科學(xué)進展》（Science Advances）和《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）連續(xù)刊發(fā)了武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院鄧紅兵教授、趙澤副教授團隊在利用廢棄微尺度生物質(zhì)解決塑料污染方面取得的系列進展。
在全球塑料污染日益嚴峻的當(dāng)下，如何從源頭減少塑料使用并從末端有效清除微塑料，成為亟待攻克的環(huán)境難題。與此同時，每年全球農(nóng)業(yè)活動中產(chǎn)生數(shù)百萬噸廢棄生物質(zhì)資源，其中花粉顆粒來源廣泛，年產(chǎn)超萬噸，廉價易得。通?；ǚ鄣氖占绞桨ㄈ斯な占屠ハx采集，后者多為蜜蜂采集，目前我們利用的花粉95%以上都是蜜蜂采集，人工采集只占極小部分，市場價大約20~30元/公斤。然而，由于花粉顆粒外壁堅硬、結(jié)構(gòu)惰性強，長期以來難以被有效利用。
針對上述問題，團隊圍繞“廢棄生物質(zhì)高值化利用”核心目標(biāo)，提出“污染治理+材料替代”的雙向創(chuàng)新路徑，讓這些原本易導(dǎo)致過敏的花粉實現(xiàn)華麗“轉(zhuǎn)身”：一方面可高效吸附水體中的納米塑料污染物，另一方面可與天然纖維復(fù)合制備可降解、可循環(huán)的生物塑料，從末端治理到源頭替代，形成塑料污染的可持續(xù)閉環(huán)解決方案，并為花粉的高附加值規(guī)?；脤ふ倚碌某隹?。
研究團隊前期報道了小龍蝦蝦殼、蝦殼甲殼素和魷魚甲殼素等對微納米塑料具有較強的捕集能力（Science Advances2024、Advanced Functional Materials2024和ACS Nano2024），在此基礎(chǔ)上，研究團隊引入“親疏水協(xié)同鑲嵌”策略，利用魷魚骨提取的β-甲殼素（親水性）作為柔性骨架，嵌入天然疏水性花粉顆粒，制備出具有微納結(jié)構(gòu)和高度孔隙率的海綿狀材料。花粉表面自帶微納米級紋理圖案，具有豐富的芳香族環(huán)結(jié)構(gòu)、乙酰氨基及黃酮類等官能團，在與甲殼素協(xié)同作用下，可通過疏水相互作用、氫鍵作用、π-π堆積、靜電作用及物理截留等多種機制捕捉微納米塑料顆粒。
圖1.利用花粉和甲殼素的協(xié)同共組裝策略去除納米塑料
該材料微塑料吸附容量高達236.3 mg/g，對不同粒徑、表面電荷和類型的微塑料均具有廣譜適應(yīng)性，在各種pH值和離子強度條件下均能穩(wěn)定高效運行，且可循環(huán)再生使用至少10次，性能幾乎無衰減。同時，花粉-甲殼素海綿還對藥物、內(nèi)分泌干擾物、油類等疏水性污染物展現(xiàn)出良好的吸附兼容性，具備在水體凈化、工業(yè)廢水處理、環(huán)境修復(fù)等方面應(yīng)用潛力。相關(guān)成果發(fā)表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上，資環(huán)學(xué)院劉方恬博士為論文第一作者，鄧紅兵教授和趙澤副教授為共同通訊作者。
圖2.花粉-甲殼素海綿對納米塑料的吸附性能與機制
微塑料污染的根源在于不可降解的石油基塑料。因此，團隊進一步探索花粉顆粒的結(jié)構(gòu)可塑性與組裝潛力，將其與少量預(yù)處理后的棉花纖維混合，借助自然干燥過程，全程無需任何有毒化學(xué)添加劑或高能耗熱壓設(shè)備，開發(fā)出一種具有優(yōu)異力學(xué)性能和環(huán)境友好性的新型生物塑料。
圖3.花粉-棉纖維共組裝制備高性能生物塑料
該材料在干燥過程中形成花粉-纖維層狀致密結(jié)構(gòu)，通過花粉的微粒嵌套作用和纖維的長程物理交聯(lián)，構(gòu)建出穩(wěn)定的三維致密網(wǎng)絡(luò)。其拉伸強度達52.22 MPa、楊氏模量達2.24 GPa，可媲美甚至超越目前主流的可降解塑料材料（如PBS、PBAT、PLA）及部分石油基塑料（如ABS、PET）。不僅如此，該材料天然具備綠色的“水加工性”，無需復(fù)雜分子設(shè)計，僅憑最常見的水，就能實現(xiàn)材料的多維度塑形、拼接和重復(fù)加工。這種簡便、綠色的加工方式為個性化定制與復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型（如包裝、醫(yī)療器具等）提供了便利，同時有效避免了傳統(tǒng)加工方式中高溫或化學(xué)粘合劑帶來的資源浪費與環(huán)境風(fēng)險。相關(guān)成果發(fā)表在《科學(xué)進展》（Science Advances）上，資環(huán)學(xué)院邱奕瑾博士和新加坡國立大學(xué)張大川教授為文章共同第一作者，鄧紅兵教授和趙澤副教授為共同通訊作者。
圖4.花粉-棉纖維生物塑料智能水加工性能
綜上，研究團隊基于生物質(zhì)界面工程，構(gòu)建了從微納米尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計、多組分協(xié)同組裝到宏觀性能調(diào)控的系統(tǒng)性研究框架，為花粉的高附加值利用提供了新的思路，讓常被詬病易導(dǎo)致過敏的花粉“變廢為寶”。以上工作得到國家自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助及學(xué)?？蒲泄卜?wù)條件平臺的支持。
論文鏈接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202418911
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr1596
(來源：武漢大學(xué) 版權(quán)屬原作者 謹致謝意）
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