饮用水安全监测新利器：镁铝双金属氢氧化物构建微生物富集回收体系
发布时间：2025-06-03 浏览次数：33 分享：
饮用水安全与公共卫生息息相关，但水源易受病原微生物污染，且水中细菌浓度通常极低，传统检测技术难以实现现场低浓度水样检测。现有微生物富集方法如离心、过滤等存在耗时、易堵塞或成本高等不足，亟需简便、快速、高效的预处理技术，研究基于此展开。
研究首先通过共沉淀法合成了镁铝比例为 2.14:1 的 Mg/Al LDH，并经高温煅烧（500℃、4 小时）制备出比表面积更大的双金属氧化物 CLDHs。材料表征显示，煅烧后 CLDHs 的比表面积从 LDH 的 66.78 m²/g 增至 70.23 m²/g，孔径由 12.58 nm 扩大至 15.92 nm，形成疏松多孔结构，这一结构特性显著增强了其吸附能力。CLDHs 的正电荷特性源于结构中 Mg²⁺被 Al³⁺同晶取代，而微生物表面普遍带负电荷，二者通过静电作用实现高效结合，傅里叶变换红外光谱进一步证实，CLDHs 与细菌表面磷脂基团（如 P=O 键）发生特异性相互作用，验证了静电吸附机制的主导地位。
图1 通过 EDS、XRD 和 BET 分析，显示 CLDHs 的元素组成、晶体结构及煅烧后比表面积和孔径的增大。
在静态吸附实验中，CLDHs 对不同微生物表现出差异化吸附性能：革兰氏阴性菌大肠杆菌在 30 分钟内达到吸附平衡，吸附容量高达5.321 ×109CFU/g；革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌则在 40 分钟达到平衡，吸附容量为1.679×107CFU/g。这种差异与微生物表面电荷密度密切相关 —— 革兰氏阴性菌外膜的磷脂乙醇胺（PE）赋予其更强负电荷，与 CLDHs 的静电吸引力更显著。对于白色念珠菌，其细胞壁含带正电荷的几丁质，虽静态吸附效果有限，但可通过动态过滤系统实现高效截留。
图2 呈现不同煅烧温度下 CLDHs 的表面形貌，500℃时结构均匀、吸附性能最佳。
研究团队设计了一套无动力浓缩回收系统，该系统由亚克力过滤管、不锈钢筛网和流量控制器组成，通过调节 CLDHs 填充量（5-30 g）和过滤速率（4-50 mL/min）优化性能。结果表明，当填充 5 g CLDHs 且过滤速率≤6.6 mL/min 时，大肠杆菌截留率超 99%；填充 25 g CLDHs 且过滤速率≤4 mL/min 时，金黄色葡萄球菌截留率达 99% 以上；填充 20 g CLDHs 且过滤速率≤10 mL/min 时，白色念珠菌截留率同样超过 99%。值得注意的是，该系统无需电力驱动，适合野外或现场作业，且在复杂水质条件下（如 pH 6-8、盐浓度 0.9%-3.5%、腐殖酸浓度≤10 mg/L）仍能保持 80% 以上的吸附效率，展现出较强的环境适应性。
图3 显示大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在 CLDHs 表面的吸附动力学过程，分别于 30 分钟和 40 分钟达平衡。
为便于后续检测，研究采用含非离子表面活性剂吐温 - 80 的磷酸盐缓冲液作为洗脱液，结果显示：大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的回收率分别达 84.08%、87.67% 和 97.05%，洗脱液可将微生物浓度提升 26 倍，显著简化了检测流程。与传统超滤膜技术相比，CLDHs 系统不仅成本低、易携带，还能避免膜堵塞问题，同时通过材料的 “结构记忆效应” 实现再生利用，兼具经济性与可持续性。
这项研究构建的 CLDHs 富集回收体系，为水体中低浓度病原微生物的快速浓缩与现场检测提供了高效解决方案，有望在饮用水安全监测、环境微生物检测等领域发挥重要作用，为后续开发便携化、集成化检测设备奠定了基础。
参考文献：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.
来源：微生物安全与健康网，作者~王鑫。
