飲用水安全與公共衛(wèi)生息息相關(guān)，但水源易受病原微生物污染，且水中細(xì)菌濃度通常極低，傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)低濃度水樣檢測(cè)。現(xiàn)有微生物富集方法如離心、過濾等存在耗時(shí)、易堵塞或成本高等不足，亟需簡(jiǎn)便、快速、高效的預(yù)處理技術(shù)，研究基于此展開。
研究首先通過共沉淀法合成了鎂鋁比例為 2.14:1 的 Mg/Al LDH，并經(jīng)高溫煅燒（500℃、4 小時(shí)）制備出比表面積更大的雙金屬氧化物 CLDHs。材料表征顯示，煅燒后 CLDHs 的比表面積從 LDH 的 66.78 m2/g 增至 70.23 m2/g，孔徑由 12.58 nm 擴(kuò)大至 15.92 nm，形成疏松多孔結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)特性顯著增強(qiáng)了其吸附能力。CLDHs 的正電荷特性源于結(jié)構(gòu)中 Mg2?被 Al3?同晶取代，而微生物表面普遍帶負(fù)電荷，二者通過靜電作用實(shí)現(xiàn)高效結(jié)合，傅里葉變換紅外光譜進(jìn)一步證實(shí)，CLDHs 與細(xì)菌表面磷脂基團(tuán)（如 P=O 鍵）發(fā)生特異性相互作用，驗(yàn)證了靜電吸附機(jī)制的主導(dǎo)地位。
圖1 通過 EDS、XRD 和 BET 分析，顯示 CLDHs 的元素組成、晶體結(jié)構(gòu)及煅燒后比表面積和孔徑的增大。
在靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中，CLDHs 對(duì)不同微生物表現(xiàn)出差異化吸附性能：革蘭氏陰性菌大腸桿菌在 30 分鐘內(nèi)達(dá)到吸附平衡，吸附容量高達(dá)5.321 ×109CFU/g；革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌則在 40 分鐘達(dá)到平衡，吸附容量為1.679×107CFU/g。這種差異與微生物表面電荷密度密切相關(guān) —— 革蘭氏陰性菌外膜的磷脂乙醇胺（PE）賦予其更強(qiáng)負(fù)電荷，與 CLDHs 的靜電吸引力更顯著。對(duì)于白色念珠菌，其細(xì)胞壁含帶正電荷的幾丁質(zhì)，雖靜態(tài)吸附效果有限，但可通過動(dòng)態(tài)過濾系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效截留。
圖2 呈現(xiàn)不同煅燒溫度下 CLDHs 的表面形貌，500℃時(shí)結(jié)構(gòu)均勻、吸附性能最佳。
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套無動(dòng)力濃縮回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)由亞克力過濾管、不銹鋼篩網(wǎng)和流量控制器組成，通過調(diào)節(jié) CLDHs 填充量（5-30 g）和過濾速率（4-50 mL/min）優(yōu)化性能。結(jié)果表明，當(dāng)填充 5 g CLDHs 且過濾速率≤6.6 mL/min 時(shí)，大腸桿菌截留率超 99%；填充 25 g CLDHs 且過濾速率≤4 mL/min 時(shí)，金黃色葡萄球菌截留率達(dá) 99% 以上；填充 20 g CLDHs 且過濾速率≤10 mL/min 時(shí)，白色念珠菌截留率同樣超過 99%。值得注意的是，該系統(tǒng)無需電力驅(qū)動(dòng)，適合野外或現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，且在復(fù)雜水質(zhì)條件下（如 pH 6-8、鹽濃度 0.9%-3.5%、腐殖酸濃度≤10 mg/L）仍能保持 80% 以上的吸附效率，展現(xiàn)出較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。
圖3 顯示大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在 CLDHs 表面的吸附動(dòng)力學(xué)過程，分別于 30 分鐘和 40 分鐘達(dá)平衡。
為便于后續(xù)檢測(cè)，研究采用含非離子表面活性劑吐溫 - 80 的磷酸鹽緩沖液作為洗脫液，結(jié)果顯示：大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的回收率分別達(dá) 84.08%、87.67% 和 97.05%，洗脫液可將微生物濃度提升 26 倍，顯著簡(jiǎn)化了檢測(cè)流程。與傳統(tǒng)超濾膜技術(shù)相比，CLDHs 系統(tǒng)不僅成本低、易攜帶，還能避免膜堵塞問題，同時(shí)通過材料的 “結(jié)構(gòu)記憶效應(yīng)” 實(shí)現(xiàn)再生利用，兼具經(jīng)濟(jì)性與可持續(xù)性。
這項(xiàng)研究構(gòu)建的 CLDHs 富集回收體系，為水體中低濃度病原微生物的快速濃縮與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供了高效解決方案，有望在飲用水安全監(jiān)測(cè)、環(huán)境微生物檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為后續(xù)開發(fā)便攜化、集成化檢測(cè)設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：Wang F, Yang X, Yang P, et al. A New Microbial Enrichment and Recovery Technology Based on Layered Double Hydroxides[J]. ACS ES&T Water, 2025.
來源：微生物安全與健康網(wǎng)，作者~王鑫。
