在二戰(zhàn)末期，美軍在日本廣島投擲的“小男孩”原子彈，是人類第一次使用核能，顯示了其所蘊(yùn)含的巨大能量。事實(shí)上，目前已具有比較全面的核能工業(yè)，其中可持續(xù)獲取鈾（U，天然放射性元素，也是最重要的核燃料）受到高度關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，海水中含鈾量達(dá)45億噸，遠(yuǎn)高于陸地的含量，是非常重要的鈾源。
然而，從海水中提取鈾受到洋流的不同剪切力和大量競(jìng)爭(zhēng)離子等影響。因此，開發(fā)具有高機(jī)械強(qiáng)度和高鈾特異性的鈾吸附劑對(duì)于提高從海水中提取鈾的效率至關(guān)重要。為此，研究人員利用生物學(xué)，對(duì)“超級(jí)”鈾結(jié)合蛋白（superb-uranyl binding protein, SUP）進(jìn)行了基因工程改造，以選擇性地螯合鈾，但是SUP吸附劑仍存在機(jī)械強(qiáng)度較低和制備復(fù)雜等問題。
【成果簡(jiǎn)介】
基于此，海南大學(xué)的王寧教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)受到“超級(jí)”鈾結(jié)合蛋白（SUP）與蜘蛛絲蛋白（spidroin）三維（3D）結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，首次設(shè)計(jì)并報(bào)道了具有高拉伸強(qiáng)度的雙-SUP（dual-SUP, DSUP）嵌合蛋白纖維。通過蛋白質(zhì)納米纖維的交叉相互作用，DSUP水凝膠纖維表現(xiàn)出絲瓜狀的結(jié)構(gòu)。在可拉伸絲瓜狀水凝膠蛋白纖維中充分暴露出大量的功能性鈾螯合位點(diǎn)，使得DSUP纖維在天然海水中3天的超短飽和時(shí)間內(nèi)就可達(dá)到17.45 mg g-1的突破性鈾提取容量。總之，本研究不僅設(shè)計(jì)了具有超高鈾提取能力的吸附劑，而且探索出了人造高強(qiáng)度功能性非蛛絲蛋白纖維的制備策略。
【圖文解讀】
研究發(fā)現(xiàn)，雖然蛋白質(zhì)DSUP可以在較寬的pH范圍內(nèi)自組裝，但是在pH值為3.0和4.0時(shí)僅觀察到了較弱的自組裝，并且僅在pH=3.0-5.0范圍內(nèi)觀察到蛋白質(zhì)纖維，因而選擇了pH=4.0進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)DSUP纖維。DSUP的濕纖維呈白色，直徑約300±11 μm，在空氣中干燥后直徑減小至22±2 μm。場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）對(duì)濕DSUP纖維的觀察表明，濕蛋白纖維的內(nèi)部是由交叉相互作用的細(xì)納米纖維形成的，類似于絲瓜的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)暴露出豐富的鈾螯合化學(xué)配位點(diǎn)，并且納米纖維之間的大量連接點(diǎn)共享了張力，使DSUP纖維具有出色的鈾吸附能力和高機(jī)械性能。因此，DSUP纖維在斷裂時(shí)表現(xiàn)出56.19 MPa的高拉伸強(qiáng)度，低于人造蜘蛛絲蛋白纖維，但高于大多數(shù)基于胺肟的纖維吸附劑。DSUP纖維的易紡性和高機(jī)械性能表明，通過使用具有與Spidroin相似的3D結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)來制造高強(qiáng)度蛋白質(zhì)纖維是可行的。
通過最佳吸附pH分析發(fā)現(xiàn)，DSUP纖維在pH=5.0時(shí)顯示出最高的鈾吸附量，為25.73 mg g-1，而spidroin-SUP嵌合蛋白（SSUP）纖維在pH=6.0時(shí)顯示出最高的鈾吸附量，為11.92 mg g-1。因此，DSUP纖維的最大鈾吸附能力是SSUP纖維的2.16倍，表明通過增加鈾酰結(jié)合功能位點(diǎn)，替換spidroin可以顯著提高鈾的吸附能力。在接近天然海水的pH=8.0時(shí)，DSUP纖維仍具有17.64 mg g-1的高鈾吸附能力。吸附動(dòng)力學(xué)分析表明，DSUP纖維在30 min內(nèi)達(dá)到了吸附平衡，在鈾濃度為16 ppm（parts permillion，百萬分之一）的模擬海水中最大吸附容量為26.4 mg g-1。同時(shí)，在pH=8.0下使用濃度為100 mM的乙二胺四乙酸（EDTA）從DSUP纖維上洗脫結(jié)合的鈾時(shí)，發(fā)現(xiàn)洗脫率超過96％，并且在重復(fù)使用8次后，DSUP纖維的初始鈾吸附能力為72.41％。將DSUP纖維放入柱中，并使用不添加鈾的天然海水，發(fā)現(xiàn)DSUP纖維表現(xiàn)出非常快的3天飽和時(shí)間，在天然海水中的最高鈾吸收能力為17.45 mg g-1。因?yàn)镈SUP蛋白對(duì)天然海水中的其它干擾金屬離子表現(xiàn)出優(yōu)異的鈾高特異性，這是最高的鈾提取能力和天然海水中吸附劑的快速飽和速度。
參考文獻(xiàn)：
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）
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202007383
