鉛中毒已成為兒童的頭號環境殺手，據世界衛生組織（WTO）數據顯示，鉛中毒可導致每年約60萬兒童智力受損，發展中國家面臨鉛中毒的危害更大。目前新興的吸附技術因其吸附效率高、操作簡單，在人體去除鉛離子方面具有很大的潛力。然而，一些用于血液中除鉛的吸附劑由于不適合口服而不能用于胃腸道鉛去除，胃腸道吸附劑用于血液除鉛時，有可能引起溶血、免疫排斥反應。因此，開發安全、高效的吸附劑，同時滿足胃腸道和血液中綜合除鉛策略是迫切需要的，但仍具有一定的挑戰性。近日，武漢大學鄧紅兵教授和陳朝吉教授團隊報道了全生物質氣凝膠用于人體綜合除鉛。
該工作采用的釀酒酵母（SCV）來自發酵工業，再生納米纖維來自廢木材粉末，生物質原料具備的低成本和大批量特性確保了大型患者的低成本和可擴展的生產潛力以及良好的環境可持續性。更重要的是，這種納米纖維氣凝膠的制備不引入任何交聯劑，從而避免了有毒物質的添加。
圖1.生物質廢棄物衍生酵母細胞負載再生纖維素納米纖維氣凝膠及其在人體綜合除鉛應用的示意圖描述。生物質廢棄物氣凝膠具有多孔的微結構和豐富的官能團，在人體胃腸道和血液中表現出良好的綜合除鉛性能。
利用纖維冷凍成形技術，在再生纖維素納米纖維氣凝膠上負載釀酒細胞（SCV-n氣凝膠），具有多孔結構的纖維素納米纖維可為酵母細胞提供更可觀的負載位點，并可保護酵母細胞在人體內不脫落。此外，在不引入交聯劑的情況下，酵母細胞和纖維素上的活性吸附基團(氨基、酰胺、羥基)被保留。
圖2.(a) SCV-n氣凝膠的制備示意圖。(b)納米纖維和酵母細胞的SEM圖像。(c-e) SCV-3氣凝膠多孔結構的SEM圖像。(f-i)氣凝膠光學照片:(f)醋酸纖維素納米纖維膜的光學照片。(g) 酵母細胞粉末的光學照片。(h) SCV細胞發酵罐的光學照片。(i)不同大小和形狀的SCV-n氣凝膠的光學照片。
研究了負載SCV的氣凝膠對鉛離子的水環境吸附性能。該氣凝膠能在100分鐘內到達吸附平衡。當酵母細胞質量從0.5%增加到5%時，吸附容量增加了150%到350%。最大吸附容量為103.26mg g−1（SCV-3氣凝膠）。這種極高的吸附能力得益于多孔納米纖維網絡的結構和酵母細胞的高負載率。在Cd2+，Zn2+，Ni2+和Mg2+等雜質離子的存在下，SCV-3氣凝膠對Pb2+表現出較高的選擇性. Pb2+的去除率大約是Cd2+和Ni2+的兩倍，而幾乎不吸附Zn2+和Mg2+。
進一步對SCV細胞以及SCV-3氣凝膠吸附機理進行研究，SCV-3氣凝膠的吸附機理與SCV細胞相似。結合吸附前后FTIR圖譜分析，1240 cm-1處的峰值(酰胺帶C-NⅢ)在吸附結束時消失，表明酰胺基團參與了鉛離子的吸附。吸附前后的XPS的C譜，N譜，O譜以及Pb譜圖顯示Pb2+已經成功的吸附在氣凝膠表面，以及C-O-Pb和Pb-NH2絡合物的生成。吸附前后的EDX圖譜顯示K+與鉛離子發生離子交換，助力了鉛離子的吸附。綜上所述，SCV-3氣凝膠吸附鉛的機理包括靜電吸引，化學相互作用，以及離子交換作用。
采用模擬胃腸液和血清進行體外吸附實驗，氣凝膠均表現出優秀的的除鉛性能，特別是在0.2 g時，鉛離子濃度從879.70 ppb降至248.53 ppb(接近安全水平)。血清鉛離子濃度由400 ppb降至186.29 ppb(安全水平)。此外，該生物質能氣凝膠具有形狀可控性、良好的彈性和穩定性，在人體綜合除鉛中具有廣闊的應用前景。
論文題為”Biosafe Saccharomyces Cerevisiae Immobilized Nanofibrous Aerogels for Integrated Lead Removal in Human Body” （《固定了高生物安全性釀酒酵母的納米纖維氣凝膠用于人體綜合除鉛》）武漢大學2021級博士研究生曹詩翊為第一作者，鄧紅兵教授與陳朝吉教授為共同通訊作者。該論文得到國家自然科學基金、湖北省重點研發項目、湖北省杰出青年基金、武漢大學啟動基金等項目資助。
論文鏈接：http://doi.10.1002/adfm.202215059
