在二战末期,美军在日本广岛投掷的“小男孩”原子弹,是人类第一次使用核能,显示了其所蕴含的巨大能量。事实上,目前已具有比较全面的核能工业,其中可持续获取(U,天然放射性元素,也是最重要的核燃料)受到高度关注。研究发现,海水中含铀量达45亿吨,远高于陆地的含量,是非常重要的铀源。

然而,从海水中提取铀受到洋流的不同剪切力和大量竞争离子等影响。因此,开发具有高机械强度和高铀特异性的铀吸附剂对于提高从海水中提取铀的效率至关重要。为此,研究人员利用生物学,对“超级”铀结合蛋白(superb-uranyl binding protein, SUP)进行了基因工程改造,以选择性地螯合铀,但是SUP吸附剂仍存在机械强度较低和制备复杂等问题。

海南大学《德国应化》:海水提铀取得新突破!蛛丝启发的高强度丝瓜状蛋白纤维,可从海水中捕获铀

【成果简介】

基于此,海南大学的王宁教授(通讯作者)团队受到“超级”铀结合蛋白(SUP)与蜘蛛丝蛋白(spidroin)三维(3D)结构的启发,首次设计并报道了具有高拉伸强度的双-SUP(dual-SUP, DSUP)嵌合蛋白纤维。通过蛋白质纳米纤维的交叉相互作用,DSUP水凝胶纤维表现出丝瓜状的结构。在可拉伸丝瓜状水凝胶蛋白纤维中充分暴露出大量的功能性铀螯合位点,使得DSUP纤维在天然海水中3天的超短饱和时间内就可达到17.45 mg g-1的突破性铀提取容量。总之,本研究不仅设计了具有超高铀提取能力的吸附剂,而且探索出了人造高强度功能性非蛛丝蛋白纤维的制备策略。

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图1、蛋白质DSUP的3D结构比较和U吸附机理

【图文解读】

研究发现,虽然蛋白质DSUP可以在较宽的pH范围内自组装,但是在pH值为3.0和4.0时仅观察到了较弱的自组装,并且仅在pH=3.0-5.0范围内观察到蛋白质纤维,因而选择了pH=4.0进行大规模生产DSUP纤维。DSUP的湿纤维呈白色,直径约300±11 μm,在空气中干燥后直径减小至22±2 μm。场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)对湿DSUP纤维的观察表明,湿蛋白纤维的内部是由交叉相互作用的细纳米纤维形成的,类似于丝瓜的结构。该结构暴露出丰富的铀螯合化学配位点,并且纳米纤维之间的大量连接点共享了张力,使DSUP纤维具有出色的铀吸附能力和高机械性能。因此,DSUP纤维在断裂时表现出56.19 MPa的高拉伸强度,低于人造蜘蛛丝蛋白纤维,但高于大多数基于胺肟的纤维吸附剂。DSUP纤维的易纺性和高机械性能表明,通过使用具有与Spidroin相似的3D结构的蛋白质来制造高强度蛋白质纤维是可行的。

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图2、DSUP纤维的制备与表征

 

通过最佳吸附pH分析发现,DSUP纤维在pH=5.0时显示出最高的铀吸附量,为25.73 mg g-1,而spidroin-SUP嵌合蛋白(SSUP)纤维在pH=6.0时显示出最高的铀吸附量,为11.92 mg g-1。因此,DSUP纤维的最大铀吸附能力是SSUP纤维的2.16倍,表明通过增加铀酰结合功能位点,替换spidroin可以显着提高铀的吸附能力。在接近天然海水的pH=8.0时,DSUP纤维仍具有17.64 mg g-1的高铀吸附能力。吸附动力学分析表明,DSUP纤维在30 min内达到了吸附平衡,在铀浓度为16 ppm(parts permillion,百万分之一)的模拟海水中最大吸附容量为26.4 mg g-1。同时,在pH=8.0下使用浓度为100 mM的乙二胺四乙酸(EDTA)从DSUP纤维上洗脱结合的铀时,发现洗脱率超过96%,并且在重复使用8次后,DSUP纤维的初始铀吸附能力为72.41%。将DSUP纤维放入柱中,并使用不添加铀的天然海水,发现DSUP纤维表现出非常快的3天饱和时间,在天然海水中的最高铀吸收能力为17.45 mg g-1。因为DSUP蛋白对天然海水中的其它干扰金属离子表现出优异的铀高特异性,这是最高的铀提取能力和天然海水中吸附剂的快速饱和速度。

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图3、DSUP纤维对铀的吸附能力

 

 

参考文献:

Spidroin three-dimensional structure inspired high-strength loofah-shape protein fiber for capturing uranium from seawater(Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202007383)

全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202007383

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