第一作者（或者共同第一作者）：Wu Mengran, Zhang Chen

通讯作者（或者共同通讯作者）：Xu Yingfeng, Ho Ghim Wei

通讯单位：浙江工商大学，新加坡国立大学

报道一种光热磁耦合的悬浮吸附体 (SMAG)，它集成了静电微藻捕获，磁收集和太阳光驱动的光热微藻脱附和同步灭杀功能，结合定制化的自巡航系统，实现自然水体微藻的可持续捕获和水华预防。

全球多地正面临水华频发的问题，严重威胁水生态系统、水资源利用以及公众健康。水华的形成受多重因素影响，包括水体富营养化、气候温度、光照强度及水流流速等。这些因素的复杂交互使得水华的发生难以预测和防控。而水华的治理面临多重挑战，比如高昂的治理成本、难以持续的治理效果、次生藻毒素等环境问题解决困难，以及潜在的对水生态系统的二次破坏。研发一种选择性微藻的捕获技术，使水体中的藻密度长期维持在较低水平，可主动预防水华爆发，维持健康水体生态。此外，收集到的微藻可以进一步加工转化为有价值的生物质资源。因此，从水华防治和资源再利用的双重视角出发，开发一种绿色高效的微藻捕获技术显得尤为重要。    

针对微藻的生活习性和生理特性，开发出具有目标水层悬浮、微藻静电吸附、磁收集、光热再生以及同步灭杀等功能的可持续微藻捕获剂(SMAGs)。通过精确的设计密度，SMAGs能够稳定悬浮于特定水层，并通过静电吸附捕获水体中的微藻。经过磁收集和分离过程后，通过太阳能驱动的光热作用，SMAGs上的微藻可自主脱附并失活，从而实现SMAGs的有效再生和循环利用。将SMAGs与自巡航装置相结合，可在自然水域中实现无监督可持续的微藻捕获和水华预防（图1）。    

图1. SMAGs可持续微藻捕获与灭杀的原理图。(I) SMAGs高效的静电微藻捕获(Ⅱ) SMAGs的磁收集，(Ⅲ) SMAGs光热驱动的微藻脱附/再生过程。将SMAGs与自巡航系统相结合，可在自然水体中可持续捕获微藻。

主要研究结果

(1) SMAG的设计与构建

SMAG是由氨基改性的PDMS (NH₂-PDMS) 包裹Fe纳米颗粒(FeNPs) 构成一种柔性复合膜。其中NH₂-PDMS使SMAGs在水体中表面带正电，使其能够静电吸附微藻，并有效防止内部的FeNPs被氧化。FeNPs构成的网络结构赋予SMAG软铁磁性和光热转化性质，使其能够进行磁性回收，并在太阳光照下进行微藻的脱附和再生，有效地克服了传统吸附剂一次性使用的限制。通过精确控制成分和结构，可以灵活调整SMAG的密度，以满足对不同水体中特定水层微藻的选择性捕获需求。    

图2. SMAGs的构建和表征。(a) FeNPs的TEM和对应的的SAED。(b) 调整Fe含量及孔隙结构，根据目标水层定制SAMGs的密度。(c) Fe-PDMS、OH-Fe-PDMS和SMAG的Zeta电位。(d) SMAGs的尺寸定制性和磁收集性能。(e) SMAG和PDMS的吸收光谱。(f) 单片SMAG和PDMS的光热升温曲线。

(2) SMAGs的微藻吸附机制与性能

选择铜绿微囊藻（M. aeruginosa）这种经常引起淡水水华的藻种作为研究对象，探究SMAGs对微藻的吸附行为。研究结果表明，SMAGs对M. aeruginosa的吸附效率可超过90%。相比于未改性的Fe-PDMS，SMAGs对M. aeruginosa的吸附性能提高了2.5倍。这主要归因于SMAGs可变形表面，使其能够自发调整以贴合柔性的微藻表面，从而缩小它们之间的距离，增强静电吸引力，进而提高对微藻的吸附能力。此外，得益于高效的表面修饰，不同尺寸的SMAGs对微藻的吸附量相差很小，这使得在面对不同实际水域环境进行微藻捕获时，可以根据需求定制选择SMAGs的尺寸。    

图3. SMAGs吸附微藻的机制与性能研究。(a) SMAGs或Fe-PDMS（对照组）的投加量对M. aeruginosa的吸附效率研究(η_harvest)。(b-d) M. aeruginosa在Fe-PDMS表面(b)和SMAG表面(c)的SEM伪彩图，以及对应(b)和(c)中圆形线条上的二次电子线性强度分布图。(e) SMAGs对不同M. aeruginosa浓度的吸附容量(Q_e)和吸附效率(η_harvest)。(f) 不同尺寸SMAGs对微藻的吸附容量研究(Q_e)。

(3) 光热驱动SMAGs的解吸和再生

在模拟太阳光照下，SMAGs表现出优异的光热性能。通过AFM研究光热处理前后微藻细胞的膜表面特性，发现与健康的微藻细胞相比，在光热处理后微藻细胞表面的EPS层受损，这导致微藻表面的负电荷密度显著降低，降低了其与SMAGs的静电吸附，使得藻细胞能够从SMAGs表面主动脱附。进一步研究发现，经过光热处理后的微藻细胞虽然能保持完整的细胞壁结构，但发生热凋亡，这可以有效防止处理过程中胞内物质的释放和微藻外溢引发的二次污染。    

图4. 微藻光热解吸与同步灭活机制研究。(a) 吸附微藻的SMAGs的光热升温曲线。(b-e) 初始微藻的伪彩色透射电子显微镜（TEM）图像（b）及其对应微藻膜的放大图（c）。d, e, 在2分钟照明后从SMAGs解吸的微藻的伪彩色TEM图像（d）及其对应微藻膜的放大图(e)。Thy：类囊体；CG：藻胆素颗粒；CW：细胞壁；CM：细胞膜。图d中的箭头指示细胞壁和膜之间的分离。(f, g) 原子力显微镜（AFM）测量示意图(f)以及在光热处理过程中不同时间点，SMAGs吸附的微藻膜的力-距曲线(g)。    

(4) 大规模实际水体运行评估

SMAGs的灵活设计允许其根据不同规模的水体定制生产，因此能够适应不同的水体环境。通过密度调控，SMAGs能够悬浮在微藻生长的目标水层。利用微藻柔软且带负电的表面，通过表面改性，SMAGs可以高效选择性的捕获微藻。通过磁回收和光热脱附，SMAGs可多次循环使用。因此，利用SMAGs高效的微藻吸附、磁回收、光热再生和同步灭活等特性，将其与自巡航装置先结合，可在大面积富营养化水域中高效可持续地捕获各种微藻，微藻的选择性高达89.6%，并且可以显著提高水体水质，为主动预防水华提供了一种高效、环保、经济且灵活可扩展的策略。实现对自然水域中微藻的无人监督连续捕获，从而主动预防水体水华，并有效提取生物质资源。

总结与展望

该研究不仅直接提供了一种可持续水华主动预防的新策略，所提出的光热脱附策略有望为传统工业吸附剂的绿色再生提供一种解决方案，为可持续吸附剂的设计研发提供全新思路。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s44221-024-00195-9