基于藻类胞外聚合物的纳米生物复合材料用于双酚A光降解：绿色合成与生物安全性评估

《iScience》：Ecofriendly algal extracellular polymeric substance-based nanobiocomposite for photodegradation of bisphenol A

　　本研究针对水体中双酚A(BPA)污染难题，开发了一种新型藻类EPS包覆的沸石/纳米氧化铈纳米生物复合材料。该材料在UV-A照射下120分钟内可实现81%的BPA降解率，且降解产物毒性显著降低。通过LC-MS分析揭示了以O2-为主要活性氧的降解路径，生物安全性评估显示Chlorella sp.和小白蒜细胞存活率分别达96%和89%，为绿色纳米生物修复技术提供了新策略。

　　

当我们每天使用塑料水瓶、食品容器时，可能很少会想到这些塑料制品中潜藏着一个隐形杀手——双酚A(Bisphenol A, BPA)。这种广泛应用于聚碳酸酯塑料和环氧树脂生产的化学物质，不仅会通过水解作用从塑料中渗出进入水体，更令人担忧的是，它具有类雌激素活性，高浓度暴露可能导致生殖问题、发育障碍甚至癌症。随着全球塑料需求激增，BPA年产量已突破千万吨级，而传统污水处理厂对BPA的去除效率波动巨大（1%-77%），这使其成为亟待解决的环境污染难题。

现有降解技术面临诸多挑战：吸附法存在解吸导致二次污染的风险，化学氧化法成本高昂，而纳米材料在降解污染物时可能自身释放有毒金属离子。特别是纳米氧化铈(nanoceria)虽具有优异的光催化性能，但其潜在的生物毒性制约了实际应用。正是在这样的背景下，印度韦洛尔理工学院的研究团队独辟蹊径，向大自然寻求解决方案，将目光投向了藻类分泌的天然高分子——胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances, EPS)，开发出一种兼具高效降解能力和生物安全性的新型纳米生物复合材料，相关成果发表于《iScience》期刊。

研究团队采用三个关键技术路径：首先通过热水提取法从Chlorella sp.中分离纯化 Tightly Bound-EPS (TB-EPS)；接着利用燃烧合成法制备纳米氧化铈，并与酸热活化的沸石13X型载体复合；最后通过自组装形成藻类EPS包覆的沸石/纳米氧化铈纳米生物复合材料。材料表征方面，采用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，傅里叶变换红外光谱(FTIR)鉴定官能团，场发射扫描电镜(FE-SEM)观察形貌，能量色散X射线光谱(EDX)进行元素分析。

表征分析

XRD谱图显示纳米生物复合材料中纳米氧化铈成功沉积在沸石表面，特征峰位与标准卡片(ICDD 96-721-7888)吻合，且晶型保持完整。FTIR光谱证实材料包含Ce-O键(453 cm^-1)、Si-O-Al键(978 cm^-1)等特征基团。FE-SEM图像清晰显示立方体状沸石晶体表面均匀分布着球形纳米氧化铈颗粒，EDX谱图检测到Ce、O、Al、Si等元素，验证了三元复合结构的成功构建。

光降解研究

优化实验表明，沸石:纳米氧化铈:EPS比例为1:1:0.5时综合性能最佳。在黑暗条件下，材料对BPA的吸附率达31%，而在UV-A照射120分钟后，总去除率提升至81%。浓度影响实验显示，20-60 mg/L BPA的降解率分别为93%、81%和79%，表明材料在低浓度条件下更具优势。pH适应性测试发现，酸性至碱性条件(pH 6-10)下降解效率相当，最终选择接近中性的pH 7.8为最优条件。

动力学分析表明反应符合准一级动力学模型(R²=0.98)，速率常数为0.02032 min^-1。重复使用性测试显示，经过5次循环后材料仍保持66.04%的降解效率，FTIR证实循环后材料结构基本保持稳定，证明其良好的可重复使用性。

降解机理探究

总有机碳(TOC)分析显示，150分钟后BPA矿化度达96.15%，接近完全降解。自由基淬灭实验明确超氧阴离子自由基(O₂^-)是主要活性氧物种，其参与下降解率骤降至17.4%。LC-MS鉴定出4-异丙烯基苯酚(m/z 133)、4-羟基苯乙酮(m/z 135)和苯酚(m/z 93)等中间产物，揭示了BPA通过β-断裂、羟基化和芳环开裂等路径最终转化为CO₂和H₂O的完整降解途径。

生物安全性评估

最引人注目的是该研究的生物安全性验证。与未包覆EPS的复合材料相比，EPS包覆的材料使Chlorella sp.细胞存活率提升17%(10 mg/L)和10%(100 mg/L)。更重要的是，经过150分钟降解处理后，BPA溶液对藻细胞的毒性降低24%，细胞存活率从72%(未处理)升至96%。植物实验同样证实，EPS包覆使Allium sativum细胞存活率从约50%提升至80%以上。

活性氧(ROS)检测进一步验证了材料的生物安全性：在100 mg/L浓度下，EPS包覆使藻细胞ROS生成降低约202%，植物细胞ROS生成降低18%。降解处理后样品ROS水平显著下降，表明BPA被有效转化为低毒性产物。

这项研究突破了传统纳米材料在环境修复中的应用瓶颈，首次将藻类EPS的生态兼容性与纳米氧化铈的高效催化性能有机结合。材料不仅展现出优异的光催化活性和稳定性，更重要的是通过EPS包覆有效防止了纳米颗粒浸出，解决了纳米材料环境应用的核心痛点。其降解产物生物毒性显著降低的特性，为实际水体修复提供了安全保障。

研究的创新之处在于构建了一个完整的"降解-安全"评估体系，从分子水平的降解机理到细胞水平的毒性验证，层层递进地证明了技术的可行性。特别值得关注的是，材料可利用太阳光中的UV-A组分，这为大规模应用降低了能源成本。虽然藻类EPS的生产成本仍是规模化应用的考虑因素，但本研究为绿色纳米生物修复技术指明了方向，有望为应对日益严重的塑化剂污染提供新思路。

未来研究可进一步探索不同环境基质（如含重金属废水）对降解效率的影响，优化EPS生产工艺，推动该技术向实际应用迈进。这项成果不仅为BPA污染治理提供了新方案，更为纳米材料的环境应用树立了生物安全性设计的新范式。