【《抗生物污染材料发展概况文献综述》3300字】

抗生物污染材料发展概况文献综述图1.14生物污染过程分阶段示意图生物污染（biofouling）是指微生物、藻类、植物或动物在潮湿的物体表面上生长累积的现象。在海洋环境中，生物污染过程通常分为四个阶段[73,74]：第一阶段，形成条件膜（conditioningfilm）：材料被浸泡在海水中5-10s后，其表面便会迅速吸附上一层有机分子，如蛋白质、多糖和糖蛋白等；第二阶段，初始定殖：孤立的浮游细菌开始粘附并定殖在材料表面，形成一层微生物膜。最初的粘附尚且可逆，因为只有微弱的非共价键如范德华力、静电力和酸碱作用令细菌细胞聚集在一起；大量细菌粘附之后，与形成生物被膜相关的基因开始激活，细菌群落分泌大量胞外聚合物将自己不可逆地定着在材料表面，成熟的生物被膜在适宜条件下可以在宏观尺度上发展到数米；第三阶段，二次定殖：上述的生物被膜的存在为多细胞生物如大型藻类的孢子提供了足够的食物，开始吸引这一类生物定殖，这一阶段也被称作微生物污染（microfouling）；第四阶段，三次定殖：这一阶段里更大的大型生物开始定殖，如大型藻类、海绵、刺胞动物、软体动物、藤壶和苔藓等。然而在实践中上述的发展顺序只对一部分生物有效，不过生物膜的形成往往是大型生物污染的前驱。如何有效阻止初始定殖阶段的生物附着即是避免吸附剂生物污染的核心课题。图1.15光照条件及避光条件下生物污染作用对吸附材料的影响由于天然海水中铀的含量极低，仅为3.3ppb，这就使得应用于海水提铀的吸附剂必定需要长时间浸泡在海水中以达到最大吸附量，在这个时间尺度下生物污染的影响就显得尤为重大。生物污染对吸附剂性能的影响主要表现为以下两点：（1）海洋微生物在吸附剂表面的聚集定殖将极大地减少吸附剂与海水的接触面积，降低铀的吸附量；（2）生物被膜的生命活动可能带来的生物腐蚀过程、吸附剂回收后去污过程以及鱼虾类大型动物的啃食等都会导致吸附剂损失，降低了材料的重复利用率。Park[74]等人研究对比了光照条件下和黑暗条件下真实海水中偕胺肟吸附材料的吸附效果（图1.15），实验结果表明在光照条件下的样品吸附性能显著下降，证明了生物污染对吸附剂存在强烈的干扰作用。虽然在光照深度以下进行吸附可以降低生物污染的影响，但在较大深度及较低温度下进行吸附又会导致吸附能力和速率变差，同时也会增加技术难度和成本。因此，为了能够最大限度地提取海洋中的铀资源，合成并制备具有一定抗生物附着性能的吸附材料的重要性不言而喻。1.1有机抗菌组分类材料目前已有的抗菌吸附材料按照组分可以分为两类：有机抗菌组分类材料和无机纳米颗粒类材料。有机抗菌组分类材料的抗菌官能团会改变依附在材料表面细菌细胞膜的通透性，干扰其生理过程，从而抑制其生长，并最终导致其死亡[75]。HuijunZhang[76]等人选择了胍基作为抗菌基团。作者首先将甲基丙烯酸缩水甘油酯在γ射线照射的条件下接枝在聚丙烯无纺布上，然后与双氰胺反应得到功能化吸附剂。吸附实验结果表明该材料在pH=8.0条件下吸附量可在5h内达到112mg/g，且其他共存离子对铀吸附无影响。另一方面，抗菌实验结果也表明该偕胺肟胍基共功能化无纺布能够有效地抑制大肠杆菌的粘附，经过5次吸附/解吸循环后仍能够高效地提取铀。图1.16抗生物污染偕胺肟化材料PP-g-AO的合成示意图图1.17磷酸盐及酰胺功能化磁性纳米复合材料的制备流程图XuejieGuo[75]等人选用了壳聚糖作为抗菌组分，设计了一种兼具抗生物污染能力和铀吸附能力的新型磷酸盐和酰胺功能化磁性复合材料（FCCP）。磁性纳米离子使得吸附剂便于分离且容易再生；植酸则提高了它的亲水性，在超亲水表面和壳聚糖的协同作用下，该材料对海藻表现出明显的抑制作用，7天后目标海藻细胞死亡率超过50%。此外，它在模拟海水中最大吸附容量为625mg/g（pH8.0），并具有良好的选择性和较高的重复利用率。QiuhanYu[77]课题组则利用了吸附剂中的羧基和抗菌化合物中的氨基之间的一步反应，成功将具有广谱抗菌性能的抗生素新霉素（neomycin）共价地交联到了MOF材料UiO-66上，制备得到了兼具抗菌和吸附能力的Anti-UiO-66。抗菌实验结果表明，它对于海洋细菌生长的抑制作用达到了80%左右，具有较宽的抗菌谱；同时时长30天的真实海水吸附实验结果也表明了其具有较好的铀吸附能力，吸附容量为4.62mg/g，相比未经抗菌素交联的UiO-66材料其吸附能力提高了24.4%。图1.18Anti-UiO-66吸附材料的合成路线图1.2无机纳米颗粒类材料图1.19偕胺肟改性TiO2担载羊毛纤维Wool-AO@TiO2的制备流程无机纳米颗粒类材料则主要是利用其细胞毒性来发挥抗污作用。JunWen[78]采用了TiO2纳米颗粒作为抗菌材料，采用辐射诱导接枝聚合法和原位共沉淀法合成了偕胺肟改性TiO2担载羊毛纤维（Wool-AO@TiO2）。在水蒸气存在和紫外光照射的条件下纳米TiO2会被活化并产生大量超氧阴离子和羟基自由基，这些高度活化的含氧自由基会迅速破坏对于维持正常细胞功能的诸多物质，如核酸、蛋白质和脂质等，最终导致微生物的死亡。抗菌实验结果显示该材料具有良好的抗菌能力，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别为95.2%和90%。在细菌存在的环境下，其吸附能力也未明显下降。此外，Langmuir等温吸附模型拟合结果还表明Wool-AO-TiO2具有优良的铀吸附能力，其的最大吸附量为113.12mg/g。HaichuanMa[79]则选择在羊毛纤维上担载纳米ZnO颗粒。作者同样采用了辐射诱导接枝聚合法和原位共沉淀法，合成了偕胺肟功能化纳米ZnO担载羊毛纤维Wool-AO@ZnO。它在pH值为6.0~9.0时具有良好的铀吸附性能，最大吸附量为96.2mg/g；同时Wool-AO@ZnO对于金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等好氧菌、硫酸盐还原菌和白色念珠菌等厌氧菌均有较好的抑制作用。经过4次微生物循环培养后，Wool-AO@ZnO对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率仍能达到77.8%和84.9%。综合上文所述抗生物污染有吸附材料的吸附性能和抗生物污染活性可知，虽然当前科研工作者们已经开始着手研究这类材料，但是已有的材料综合性能还不够好，这一领域的研究还不够系统，有待进一步的开拓和优化。如何在保证吸附剂吸附性能的同时，还能有效地保护吸附剂不受生物污染的影响，或尽量减少生物污染对海水提铀的影响，仍将是未来研究的热点。参考文献NEA/IAEA(2021),

Uranium2020

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Resources,ProductionandDemand,ÉditionsOCDE,Paris,

\o""/10.1787/d82388ab-en.李晓翠,李林强,蔡煜琦.中国天然铀资源保障策略研究[J].铀矿地质,2020,v.36(03):41-47.WorldNuclearAssociation.WorldUraniumMiningProduction[EB/OL].(2017-07-06)/information-library/nuclear-fuel-cycle/mining-of-uranium/world-uranium-mining-production.aspx.WorldNuclearAssociation.WorldNuclearPowerReactors&UraniumRequirements[EB/OL].(2017-08-01)/information-library/facts-and-figures/world-nuclear-power-reactors-and-uranium-requireme.aspx.DjedidiZ,BoudaM,SouissiMAetal.Metalsremovalfromsoil,flyashandsewagesludgeleachatesbyprecipitationanddewateringpropertiesofthegeneratedsludge[J].JournalofHazardousMaterials,2009,172(2–3):1372-1382.AyataS,AydinciS,MerdivanM,etal.Sorptionofuraniumusingsilicagelwithbenzoylthioureaderivatives[J].JournalofRadioanalytical&NuclearChemistry,2010,285(3):525-529.KumariN,PrabhuDR,PathakPN,etal.Extractionstudiesofuraniumintoathird-phaseofthoriumnitrateemployingtributylphosphateandN,N-dihexyloctanamideasextractantsindifferentdiluents[J].JournalofRadioanalytical&NuclearChemistry,2011,289(3):835-843.ZhangZ,HuangJ,DongZ,etal.Ultralightsulfonatedgrapheneaerogelforefficientadsorptionofuraniumfromaqueoussolutions[J].JournalofRadioanalyticalandNuclearChemistry,2019,321(24):1045–1055YuanY,YuQ,YangS,etal.UltrafastRecoveryofUraniumfromSeawaterbyBacillusvelezensisStrainUUS-1withInnateAnti-BiofoulingActivity[J].AdvancedScience,2019,6(18),1900961.ZhaoS,YuanY,YuQ,etal.ADual-SurfaceAmidoximatedHalloysiteNanotubeforHigh-EfficiencyEconomicalUraniumExtractionfromSeawater[J].AngewandteChemieInternationalEdition,2019,58(42):15121-15127.XieS,LiuX,ZhangB,etal.Electrospunnanofibrousadsorbentsforuraniumextractionfromseawater[J].JMaterChemA,2014,3:2552−2558LiuXY,LiuHZ,MaHJ,etal.Adsorptionoftheuranylionsonanamidoxime-basedpolyethylenenonwovenfabricpreparedbypreirradiation-inducedemulsiongraftpolymerization[J].IndustrialEngineeringChemistryResearch,2012,51:15089–15095ZengZH,WeiYQ,ShenL,etal.Cationicallychargedpoly(amidoxime)-graftedpolypropylenenonwovenfabricforpotentialuraniumextractionfromseawater[J].IndustrialEngineeringChemistryResearch,2015,54:8699–8705EgawaH,HaradaH.RecoveryofUraniumfromSeaWaterbyUsingChelatingResinsContainingAmidoximeGroups[J].NipponKagakuKaishi,1979,7:958-959.AstheimerL,SchenkHJ,WitteEG,etal.DevelopmentofSorbersfortheRecoveryofUraniumfromSeawater.Part2.TheAccumulationofUraniumfromSeawaterbyResinsContainingAmidoximeandImidoximeFunctionalGroups[J].SeparationScienceandTechnology,1983,18(4):307-339.HirotsuT,KatohS,SugasakaK,etal.Adsorptionequilibriumofuraniumfromaqueous[UO2(CO3)3]4–solutionsonapolymerbearingamidoximegroups[J].JournaloftheChemicalSociety,DaltonTransactions,1986,9,1983-1986.SekoN,KatakaiA,HasegawaS,etal.Aquacultureofuraniuminseawaerbyafabric-adsorbentsubmergedsystem[J].NuclearTechnology,2003,144:274-278.苟绍华,周艳婷,文君,等.海水提铀用偕胺肟基聚合物研究进展[J].核化学与放射化学,2018,40(001):1-10.HuangL,ZhangLandHuaD.Synthesisofpolyamidoxime-functionalizednanoparticlesforuranium(VI)removalfromneutralaqueoussolutions[J].JournalofRadioanalyticalandNuclearChemistry,2015,305,445–453.WeiY,QianJ,HuangLietal.Bifunctionalpolymericmicrospheresforefficienturaniumsorptionfromaqueoussolution:synergisticinteractionofpositivechargeandamidoximegroup[J].RSCAdvances,2015,5(79):64286-64292.DaiZ,ZhangH,SuiY,etal.Synthesisandcharacterizationofanovelcore-shellmagneticnanocompositeviasurface-initiatedRAFTpolymerizationforhighlyefficientandselectiveadsorptionofuranium(VI)[J].JournalofRadioanalyticalandNuclearChemistry,2018,316,369-382.MorookaS,KatoT,InadaM,etal.Modelingofanadsorptionunitpackedwithamidoximefiberballsfortherecoveryofuraniumfromseawater[J].Industrial&EngineeringChemistryResearch,1991,30(1):190-196.MorookaS,GotoM,KusakabeK,etal.AdsorptionEfficiencyofSeawaterUraniumwithAmidoximeFiberBallsPackedinaCage[J].StudiesinSurfaceScience&Catalysis,1993,80:453-460.KatoT,KagoT,KusakabeK,etal.Preparationofamidoximefibersforrecoveryofuraniumfromseawater[J].JournalofChemicalEngineeringofJapan,2006,23(6):744-750.KagoT,GotoA,KusakabeK,etal.Preparationandperformanceofamidoximefiberadsorbentsforrecoveryofuraniumfromseawater[J].Industrial&EngineeringChemistryResearch,1992,31(1):204-209.NasefMM,GüvenO.Radiation-graftedcopolymersforseparationandpurificationpurposes:Status,challengesandfuturedirections[J].ProgressinPolymerScience,2012,37(12):1597-1656.ChoiSH,NhoYC.Radiation-inducedgraftcopolymerizationofbinarymonomermixturecontainingacrylonitrileontopolyethylenefilms[J].RadiationPhysicsandChemistry,2000,58(2):157-168.SekoN,KatakaiA,TamadaM,etal.FineFibrousAmidoximeAdsorbentSynthesizedbyGraftingandUraniumAdsorption–ElutionCyclicTestwithSeawater[J].SeparationScience&Technology,2004,39(16):3753-3767.SongY,YeG,LuY,etal.Surface-InitiatedARGETATRPofPoly(GlycidylMethacrylate)fromCarbonNanotubesviaBioinspiredCatecholChemistryforEfficientAdsorptionofUraniumIons[J].AcsMacroLetters,2016,5(3):382-386.BrownS,YueY,KuoLJ,etal.UraniumAdsorbentFibersPrepared