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2026

Nature Water｜具有广谱抗菌性能的分子分离抗生素膜

作者：

英文题目

Antibiotic membranes with broad-spectrum antibacterial properties for efficient molecular separations

具有广谱抗菌性能的**分子分离抗生素膜

期刊信息

期刊名称： Nature Water

发表日期： 2025年12月19日（在线发表）

DOI号： 10.1038/s44221-025-00581-x

摘要内容

膜分离技术是缓解水资源短缺的**替代方案，但膜污染（尤其是生物污染）问题以及渗透性与选择性之间的性能权衡限制仍是重大挑战。本研究报道了一种具有广谱抗菌性能的抗生素膜，可实现高渗透性、高选择性的水净化。研究人员以抗生素卡那霉素（kanamycin）和均苯三甲酰氯（trimesoyl chloride, TMC）为单体，通过界面聚合法构建了聚酰胺-聚酯复合膜。该膜展现出优异的分离性能：水通量高达47.9 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，溶质截留率达99.6%，溶质-溶质选择性约10,000，性能超越大多数现有膜材料。更重要的是，该膜能有效灭活革兰氏阴性/阳性菌、单重/多重耐药菌以及消毒剂耐药菌（浓度高达3×10⁷ CFU/mL），杀菌率达93.6-99.9%。此外，在错流过滤条件下，该膜保持长期抗菌耐久性至少170小时。这些概念和发现为设计高性能抗污染水处理膜提供了新途径。

研究背景和意义

全球水资源短缺和水污染已成为威胁人类健康和可持续发展的严重问题，膜技术（特别是纳滤）因其选择性分离盐类和污染物且能耗低的优势，成为水净化的有效途径。然而，纳滤膜面临两大关键挑战（1）渗透性与选择性/截留率之间的固有权衡限制，迫使在处理速率（通量）和分离效率（截留率）之间妥协；（2）普遍的膜污染问题，导致分离性能下降、维护成本增加和使用寿命缩短。其中，生物污染源于微生物粘附和胞外聚合物在膜表面的沉积，是膜应用中*复杂且*具挑战性的问题。

现有的抗生物污染策略主要分为两类：表面改性和填料掺入。表面改性通过涂层或接枝将含抗菌基团的试剂引入膜表面，通过接触杀菌机制破坏细菌完整性或干扰代谢，如将抗菌肽固定在膜表面；填料掺入则是将抗菌纳米颗粒（如银基金属有机框架纳米晶体）掺入膜中，通过缓慢释放活性成分杀灭周围细菌。然而，涂层或接枝改性的膜稳定性较差，相对较弱的键/相互作用在过滤过程中容易解离和断裂；而掺入填料的膜在填料完全释放后会失去抗菌性能，且填料的持续释放可能导致膜缺陷、性能恶化，并引发健康安全问题。此外，填料团聚和填料与基质相容性差的问题也常困扰这类膜的制备和应用。因此，现有策略难以平衡长期耐久性、环境安全性和分离性能。

本研究解决的问题和创新点：本研究**提出将抗生素直接作为膜材料单体，通过界面聚合法构建具有本征抗菌性能的膜。创新性地选用氨基糖苷类抗生素卡那霉素（含丰富氨基和羟基）与TMC反应，形成聚酰胺-聚酯复合膜。这一策略同时解决了三大问题：（1）利用卡那霉素的广谱抗菌性赋予膜本征抗菌能力，避免填料释放带来的安全和性能问题；（2）通过化学键合将抗菌功能整合到膜骨架中，确保长期稳定性和环境安全性；（3）利用卡那霉素丰富的极性基团，使膜具有良好的亲水性和分离性能。这种"抗生素驱动"的膜设计理念突破了传统表面改性和填料掺入的局限，实现了高性能分离与持久抗菌的统一。

实验步骤

膜制备具体步骤：首先，分别配制浓度为2.0 mg/mL的卡那霉素水溶液和均苯三甲酰氯（TMC）正己烷溶液。随后，将聚醚砜（PES）超滤膜（截留分子量100 kDa）作为基底置于玻璃容器底部，先倒入卡那霉素水溶液，再缓慢加入TMC正己烷溶液，形成两个互不相溶的液相界面。在室温下进行界面聚合反应特定时间（优化条件为pH 13.3、反应时间5分钟），反应过程中卡那霉素的氨基和羟基与TMC的酰氯基团发生缩合反应，在界面处形成聚酰胺-聚酯复合纳米薄膜。反应结束后，取出基底，用去离子水冲洗膜表面以去除未反应的单体和溶剂，最后在室温下干燥，得到抗生素膜（ATB膜）。通过调节水相溶液的pH值（使用NaOH调节至9-13.5范围）和反应时间（1-10分钟），制备了一系列不同化学结构和性能的ATB膜。具体而言，在pH 13.3条件下，卡那霉素的氨基反应率约100%，羟基反应率57.6%，TMC缩合率87.4%，形成厚度约8 nm的超薄、高密度交联聚酰胺-聚酯选择性层。

主要结果和结论

分离性能：在pH 13.3、反应时间5分钟条件下制备的ATB膜性能*优，水通量达47.9 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，刚果红（CR，696.7 g/mol）截留率99.6%，NaCl/CR选择性高达9,860，性能优于大多数现有纳滤膜。该膜对分子量>360 g/mol的溶质（如孔雀石绿、铬黑T）截留率>99%，而对小分子（如甲基橙、亚甲基蓝，~320 g/mol）截留率较低（40-77%），表明分离主要由尺寸筛分控制而非唐南效应。在1-6 bar压力范围和15小时连续运行中，膜性能保持稳定。牛血清白蛋白（BSA）抗污染测试显示，经多次污染-清洗循环后，膜通量恢复率可达93.3-100%。

抗菌性能： ATB膜对常规细菌（大肠杆菌、金黄色葡萄球菌）和耐药菌（含四环素耐药基因的单重大肠杆菌、含四环素+庆大霉素+阿莫西林耐药基因的多重大肠杆菌、含消毒剂耐药基因的蜡样芽孢杆菌）均表现出优异的广谱抗菌性。在细菌浓度3×10⁵ CFU/mL时，杀菌率达99.9%；即使在*高浓度3×10⁷ CFU/mL时，杀菌率仍达93.6-99.9%。抗菌机制为接触杀菌：膜表面丰富的含氧基团（羟基、醚键、酰胺、酯基、羧基）与细菌形成氢键，破坏细胞结构，导致细胞质外泄和功能丧失。

抗菌稳定性：在错流过滤条件下，ATB膜展现出**的长期抗菌耐久性。过滤大肠杆菌溶液（3×10⁵ CFU/mL）1小时后，通量仅下降至68.9%（PES膜降至3.33%），经水冲洗后通量几乎完全恢复。在170小时长期连续过滤实验中（细菌浓度3×10³ CFU/mL，每24小时更换新鲜菌液），ATB膜通量保持稳定（仅初期10小时略有下降），而PES膜通量急剧下降82.2%，证实了ATB膜在实际运行条件下的长期稳定性和抗生物污染能力。

详细机理

膜形成机理： ATB膜的形成遵循界面聚合的反应-扩散机制。卡那霉素分子量大、在有机相中溶解度低且扩散速率慢，使反应被限制在互不相溶的界面处，有利于形成超薄选择性层。溶液碱度对膜化学结构起决定性作用：在低pH（<11）时，卡那霉素的氨基（亲核性强于羟基）优先与TMC反应，形成纯聚酰胺膜；在高pH（13.3）时，OH⁻强烈去质子化氨基，促进羟基去质子化形成烷氧基负离子，同时中和酸性氯化副产物，加速反应进行，使卡那霉素能与更多TMC分子反应，形成同时含酰胺键和酯键的聚酰胺-聚酯复合结构。在优化pH 13.3条件下，初始纳米膜快速生成且交联度高，阻碍了卡那霉素进一步迁移，最终形成厚度仅~8 nm、致密且高交联的超薄选择性层。分子动力学模拟显示该膜自由体积分数为15.4%，具有纳米级孔道。

分离机理： ATB膜的分离主要基于尺寸筛分机制。其孔径分布使其能有效截留分子量>360 g/mol的染料分子（如刚果红、孔雀石绿、铬黑T），而允许小分子盐（NaCl等）和较小有机分子（甲基橙、亚甲基蓝）透过。膜表面带负电（源于未反应的羧基和丰富的含氧极性基团），但对分离的贡献有限，证实尺寸效应占主导。高亲水性（动态水接触角从63.6°快速降至48.2°）和丰富的氢键形成能力（羟基、醚键、酰胺、酯基、羧基与水形成氢键网络）降低了水传输能垒，实现了高水通量。致密的交联结构确保了高截留率，而超薄膜厚度减少了传质阻力，共同突破了渗透性-选择性的权衡限制。

抗菌机理： ATB膜的抗菌性能源于卡那霉素的本征抗菌活性及膜表面的化学结构特性。卡那霉素作为氨基糖苷类抗生素，通过干扰细菌蛋白质合成发挥杀菌作用。在膜形式中，抗菌机制为接触杀菌：膜表面密集的含氧极性基团（-OH、-COOH、-CONH-、-COO-）与细菌细胞壁/膜上的功能基团形成特异性氢键，产生高结合亲和力，破坏细胞膜完整性，导致细胞质泄漏和细胞功能丧失。这种接触杀菌机制不依赖于抗生素分子的释放，避免了耐药性的产生和环境污染风险。膜表面的负电荷还通过静电排斥抑制带负电细菌的粘附，协同增强抗生物污染效果。在过滤过程中，直接接触膜表面的细菌被快速灭活，形成的生物物质可通过简单水冲洗去除，实现通量恢复和长期稳定运行。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/JQqLrHKENObvb4tCV1Ko4A