水处理仿生膜研究进展 7页

水处理仿生膜研究进展曾艳军，张林，陈欢林(浙江大学化学工程与生物工程学系，杭州310027)[摘要]本文首先介绍了细胞膜中磷脂双分子层与膜蛋白的结构以及水快速传输的机理。在此基础上分别对以膜蛋白、碳纳米管和人造有机纳米孔道为水通道的仿生膜研究进展进行了综述，着重阐述了以膜蛋白为水通道的仿生膜中两性嵌段共聚物基质的优点、规模化制备面临的问题；以碳纳米管为水通道的仿生膜中水快速传输的机理与膜的制备方法；以及人造有机纳米孔道的设计方法。最后提出了水处理仿生膜所面临的挑战，展望了仿生膜发展的前景。[关键词】细胞膜；水通道蛋白；仿生膜；碳纳米管；人造水通道[中图分类号]TQ028．8[文献标识码】A[文章编号]1009—1742(20l4)07一o010—07Bowen教授指出在改善水处理膜的水通量与专一1前言选择性上需要借鉴生物膜原理p。随后，美国伊利反渗透是目前应用最广泛的水处理膜过程之诺伊大学香槟分校的Kumar等也提出了将水通道一，尽管在过去的五十多年里反渗透膜得到了快速蛋白嵌人水处理膜中的概念，掀开了水处理仿生膜的发展，但目前能量效率最高的反渗透装置生产每研究领域的帷幕。目前，水处理仿生膜研究开发立方米水仍需要耗能2～4kW·h，是理论极限值(约工作的报道大部分来自于欧美、新加坡、以色列等为1kW·h／m)的2倍作用。因此如何大幅度提高水处理技术水平发达的国家和地区。丹麦AQUA．反渗透膜的水通量和截留选择性是反渗透膜研究PORINA／S公司则是目前世界上唯一一家致力于的一个主要方向。水通道蛋白渗透技术研发的公司，所掌握的水通道水分子进出细胞的方式是生命活动中水分代蛋白渗透技术在国际上处于领先地位。国内，水务谢的重要部分。2O世纪80年代中期，美国科学家彼行业巨头之一的国中水务公司拟出资1250万美元得·阿格雷发现了细胞膜水通道蛋白，探明了水以与AquaporinA／S公司成立合资公司，从事中国水处高通量与高选择性方式透过细胞膜并非是简单的理市场仿生膜的研发和商业化生产。自由扩散过程，而是通过细胞膜上的一类水通道蛋基于此，本文首先从单个细胞膜出发，介绍与白完成的。这一发现为制备高水通量分离膜提供水进出细胞密切相关的磷脂双分子层和水通道蛋了新思路。近年来，随着分子工程学科以及高分辨白；然后从两个方向阐述水处理仿生膜领域的研究率分析技术的发展，科学家对生物分子结构与功能进展：水通道蛋白嵌人式仿生膜与人造水通道仿生有了更深的认识，模拟生物结构的能力也有了提膜；最后讨论水处理仿生膜面临的挑战与发展高，因此，水处理仿生膜的研究开始兴起。前景。2006年在欧洲膜会议上英国威尔士大学的[收稿日期】2014—05—11[基金项目]国家自然科学基金资助项目(21076176)【作者简介]陈欢林，1948年出生，男，浙江萧山市人，教授，研究方向为膜科学与技术；E—mail：chenhl@zju．edu．cn10中国工程科学\n身的水通量并不大，高的水通量主要依赖于细胞膜2细胞膜与水的渗透上镶嵌的水通道蛋白。细胞膜基本结构的研究始于20世纪30年代，之后在大量实验现象的基础上以及得益于生物化学学科的快速发展，科学家对细胞膜的基本结构有了比较明确的认识，目前普遍认可的细胞膜基本结构是Singer和Nicolsont在静态单位膜模型基础上提出的流动镶嵌模型(fluidmosaicmode1)：细胞膜的骨架由液态流动的磷脂双分子层组成，磷脂的(a)微团(b)脂质体极性部分向外，非极性部分向内，整个膜具有液体流动性。流动镶嵌模型突出了膜的液态流动性和膜上蛋白质分布的不对称性。2．1磷脂双分子层磷脂双分子层是由连续分布的磷脂分子构成(。)磷脂双层的对称薄膜。磷脂分子结构与甘油三酯类似：即每个磷脂分子含有一个甘油分子，该甘油分子的两个图1磷脂分子在水溶液中存在的三种结构形式羟基分别与两个脂肪酸相结合，第三个羟基则与一Fig．1Thethreestructures0fph0sphOIipidmoleculesintheaqueoussoution分子磷酸基团结合，磷酸基团再与一个碱基结合。与完全疏水的甘油三酯不同的是，磷脂分子的磷酸和胆碱是亲水性的基团，脂肪酸的长链烃基是疏水水通道蛋白是一类高度保守的疏水小分子膜性的非极性基团，因而属于两性分子J。整合蛋白，它的分布广，已在哺乳动物、两栖类、植当众多的磷脂分子位于水溶液表面时，磷脂的物、酵母、细菌以及其他多种有机体内被发现。不亲水性磷酸和胆碱极性基团将通过范德华力与极同亚型水通道蛋白的氨基酸序列及三维结构非常性的水分子相互吸引，同时磷脂的疏水性脂肪链受相似，以哺乳动物体内的水通道蛋白分子为例，其到排斥，聚集在一起。根据磷脂分子脂肪链的长分子大小通常在26～34kDa，氨基酸序列同源性为度、饱和度和温度等因素，形成脂肪链聚集在疏水19％～52％。在各种水通道蛋白中，以AQP1型的核心区域的微团、脂质体、磷脂双层三种不同形式分子结构研究最为清楚，它在细胞膜中以四聚体的的磷脂分子复合物结构(见图1)。通常在实验室条形式存在，但每一个单体在功能上都作为一个独立件下，由于表面张力的原因，利用生物磷脂所能形的水通道。AQP1单体的基本结构是一条含六个跨成的最常见结构是双层磷脂分子紧密排列围绕成膜螺旋的单肽链，这六个跨膜螺旋肽链构成一个不环状的脂质体，其中心包含有水溶液。因此，脂质等边四边形，另有两个插入细胞膜的非跨膜螺旋，体的实质是环绕成圆形的磷脂分子双层膜构成的该螺旋上含有天冬氨酸一脯氨酸一丙氨酸(NPA)的重小囊泡，本质与细胞的磷脂双层骨架是相同的。由复串联序列，构成水通道的孑L【l。由于整个肽链的于体外环境磷脂双层不稳定，很难形成，因此目前两半呈拓扑学的反相重复结构，因此构成了目前广关于细胞膜磷脂双层结构的研究多以脂质体为为接受的水通道蛋白三维结构的“沙漏模型(hour对象。glassmode1)””。2．2水通道蛋白水通道蛋白的水通量比现有的反渗透膜水通生物的许多基本功能都是通过以膜蛋白为载量大很多，主要原因是两者的传输机理不同。反渗体的跨膜运输来实现，包括细胞内外物质转运、能透膜被认为是遵循溶解一扩散机理，而水通道蛋白量交换、信息传递等。这些膜蛋白分子有的是部分则通过疏水的纳米孑L道传输水分子：水分子经过水镶嵌在磷脂双分子层膜中，有的则贯穿于磷脂双分通道蛋白时会形成单一纵列，进入弯曲狭窄的通道子层，并可以在膜内自由移动，使细胞膜的功能得内，内部的偶极力与极性会帮助水分子旋转，以适以实现。最典型的代表是水的跨膜运输，细胞膜本当角度穿越狭窄的通道。水通道蛋白中的孔道最2014年第16卷第7期11\n狭窄部分约0．23nln，由于孔径很小，低于水流连续核心区域与水通道蛋白相接触很好地保持了水通流动对孔径的最低要求(1．6Bin)，窄孔道造成的不道蛋白的构像与定向，若没有疏水区域对水通道蛋连续效应是导致水通道蛋白高水通量的重要原因白的保护，蛋白分子间疏水相互作用会导致蛋白质之一。的沉淀与失活。因此，面向工业应用的仿生水处理水通道蛋白的另一个特点是对水分子具有高膜难以采用稳定性差、易降解的磷脂双分子层，需度选择性。到目前为止，发现除了少数几种水通道要寻找结构类似，性质稳定的替代材料。蛋白对甘油等中性小分子溶质具有渗透性外，大部两亲性嵌段共聚物同时含有亲水链段与疏水分水通道蛋白严格排斥水分子以外的所有物质，包链段，能够像磷脂双分子层一样自组装成囊泡等构括结合水分子的氢离子(水合氢离子，H3O)、甘油型，因此可以为膜蛋白的嵌入提供磷脂双分子层相和各种离子等。以AOP1为例，水通道蛋白的专一似的环境。Meier课题组发表了一系列有关嵌段共性分离机理目前认为由以下三个机制共同作用所聚物应用于水处理仿生膜上的文章，深人探究了两致：首先，AQP1的中心孑L道呈哑铃形，狭窄的部分性嵌段共聚物代替磷脂双分子层作为水处理仿生对大多数比其孔径大的水合离子有筛分作用；其膜基质的优势，相比于磷脂双分子层，两亲性嵌次，靠近选择性过滤区域(最狭窄的部分)带正电的段共聚物具有以下优势。精氨酸残基对正电离子具有静电排斥作用；最后，1)两亲性嵌段共聚物机械与化学稳定性高。在运输过程中，水分子通过与孔道附近的残基形成磷脂双分子层在渗透压或者其他压力下，拉伸面积氢键使得分子发生重排，打破之前使氢离子在主体超过5％时就会发生破裂；磷脂双分子层容易受水流中快速传输的氢键，从而阻止氢离子的传递n。到pH、离子强度与温度的影响，受热容易发生相转由上述磷脂双分子层和水通道蛋白的结构及化，渗透性因pH、离子强度变化大易导致溶质的泄水分子传输机理可见，若能将水通道蛋白引入膜内漏。化学合成的嵌段共聚物其热稳定性与韧性均并稳定存在，或仿制出镶嵌水通道的膜，必将大大比磷脂好。在Kumarf等的研究结果中，聚一2一甲提高现有膜的分离水平。基2一恶唑啉一b一聚一2一甲基硅氧烷一b一聚一2一甲基2一恶唑啉(PMOXA．PDMS—PMOXA)(见图2)嵌段共3水处理仿生膜聚物可以承受pH2～12的范围，离子强度高达1M。目前围绕水处理仿生膜的研究有两个主要方2)两亲性嵌段共聚物选择面广。通过分子设向：一是将水通道蛋白嵌入到磷脂双分子层或人工计等方法，两亲性嵌段共聚物的各种参数，包括链合成的有机支撑基质中形成生物一有机杂化膜，膜结构、电荷、化学组成、亲疏水基团的比例以及嵌段的高通量与高选择性依靠水通道蛋白完成，本文将的数目等均可以调节。因此，可以根据应用对象有该方法得到的膜命名为水通道蛋白嵌入式仿生膜；针对性地筛选、设计和合成合适的共聚物。此外，二是模拟水通道蛋白的结构，人工合成具有相似结不同的嵌段可以赋予膜不同的性能，例如，苏黎世构的水通道，制备成膜，称之为人造水通道仿生膜。联邦理工学院的Konradi等发现具有生物惰性的3．1水通道蛋白嵌入式仿生膜PMOXA链段可以防蛋白质吸附，若将其嵌入有机虽然将水通道蛋白直接嵌入至有机支撑基质支撑基质，可以提高基质的耐污染性。在过去的十中制得杂化膜，并应用于水处理是最容易实现的仿多年，由亲水的PMOXA与疏水的PDMS合成的生膜制备方法。但在细胞膜中，水通道蛋白所处的PMOXA—PDMS—PMOxA嵌段共聚物是最常用的水环境条件温和，水传输动力主要依赖渗透压，而水通道蛋白嵌入式仿生膜基质[I’”，这些研究结果也通道蛋白嵌入式仿生膜则需要在高盐度、高压力、证实了PMOXA—PDMS—PMOXA嵌段共聚物是水通有污染的条件下使用。因此，支撑基质盼眭质与水道蛋白最合适的嵌人基质。虽然PDMS(J~于10nm)的通道蛋白活性的保持至关重要。疏水带大小与大多数膜蛋白的疏水带(通常为4～3．1．1支撑基质5nm)有差异，但PDMS疏水嵌段的柔软性与多分细胞膜中磷脂双分子层作为基质不仅起到固散性使其快速进入膜蛋白临近的空间，弯曲折叠，定水通道蛋白的作用，而且磷脂双分子层中的疏水从而与膜蛋白的疏水带相匹配。12中国工程科学\n\n作为水通道的条件。的人造水通道，对于探究水通道结构与传输水机理以CNT为水通道的仿生膜制备最大的瓶颈问具有重要意义，目前尚未将其应用于实际的水处理题之一是CNT会在高分子基质中发生团聚。为了实验中。解决这一问题，常用的方法是对碳纳米管进行表面2005年Fei等p首次通过N，N，_二醋酸溴化咪处理或者化学修饰。功能化的碳纳米管可以通过唑与锌反应合成了基于两亲性络合物的水通道。化学键与有机高分子的官能团结合，从而改善碳纳合成的聚合物单元通过二羧酸根阴离子桥连并组米管与有机高分子基质的相容性，提高CNT与高分装成螺旋通道，依靠咪唑残基之间兀一兀的堆叠相互作子混合基质膜的结构性能。Deng口等首先将CNT用以及螺旋内部的氢键作用力维持其形状，两个聚置于混合强酸和二氯亚矾／1，6一己二醇中进行羧基合物分子在螺旋中形成一个整圈，圈与圈之间的距化和羧酸化改性，再将改性的CNT与二异氰酸异佛离为6．2埃。x一射线衍射与固态NMR表征发现，在乐酮(IPDI)反应，得到IPDI修饰的CNT，该修饰的通道中有单层水链且收缩部位的半径接近2．6CNT碳纳米管只需要经过简单的共混就能完全分埃。2007年Peterca等H报道了利用外部兀一兀堆叠相散在聚氨酯铸膜液中，通过相转化法制备成膜。采互作用自组装树形缩二氨酸，形成内部孔径为14．5用类似的方法，也可以将苯二胺口，氯苯酸和埃的圆柱型螺旋孔，符合纳米通道尺度。将孑L道置酞氯p引入到CNT上，改善CNT与聚合物基质的于单层的磷脂囊泡中，通过光学显微镜与渗透冲击相容性。Zhao等㈨以CNT为水通道，通过羧酸化改实验证明其具有分离水分子与其他溶质的能力。性CNT分散到MPD水溶液中，与TMC界面聚合反Le等用尿素丝带合成咪唑化合物，通过内部7cI兀堆应制备得到含CNT的混合基质反渗透膜，提高了膜叠以及强疏水相互作用力自组装成管状通道，这些的通量和耐污染性能。通道通过内部固态水之间强的氢键维持。呈长斜上述膜中CNT呈无序排列，纳米孔道难以发挥方形的四个咪唑化合物形成了直径为2．6埃的收缩水通道的作用，因此，若能够实现CNT在膜内的定口，非常接近水通道蛋白中最狭窄部位的孔径。向排列则有望制得高选择性和高通量的水通道2012年Hu等一使用酰肼修饰的柱芳烃及其衍生膜。但是，碳纳米管结构十分柔软，采用传统的制物合成了管状结构的单分子水通道，直径约为6．5膜方法难以将其有序地分散在高分子基质中。埃，将该通道嵌入磷脂囊泡中，通过时间分辨的动Chent等将聚亚胺酯浸入到四氢呋喃溶液中进行溶态光散射研究了水分子传递行为。通道内部交替胀，然后将超声后的CNT混入其中，在溶剂极性的的疏水与亲水区域打破了水流线，从而阻碍质子通驱动下，CNT能够有序地分散在聚亚胺酯高分子过孔道。ZhouH等通过大量氢键之间的相互作用中。Hinds[”等制备出垂直排列的CNT阵列，然后以及兀一兀堆叠的相互作用将大环组装成平均孔径为采用旋涂法将聚苯乙烯填充到CNT阵列的空隙中，6．5埃的纳米孔道，将该纳米孔道嵌入磷脂膜中所得制得了CNT定向排列膜，但由于CNT阵列难以制的膜不仅对离子有很高的选择性而且水通量也很备，该方法的应用价值有限。Zhao等提出了一种高。热压加撕拉的方法实现了CNT在聚合物支撑膜表除了上述5种人造有机纳米水通道外，鲜见有面定向排列的方法，但该方法所获得的CNT未贯穿其他类型的报道，而且现有的这5种水通道也难以在分离层内，也难以完全发挥其水通道的作用。引入到分离膜中，因此设计和合成更具实用价值的由上述介绍可见，以CNT为水通道分离膜的关纳米水通道将至关重要。键是如何更好地发挥CNT的作用，因此提高CNT4结语与聚合物基质问的相容性，易于操作的CNT定向排列方法的设计将是未来的重点研究方向。水处理仿生膜研究的时间不长，但在很多方向3．2．2人造有机纳米通道上已经取得了一定进展，并展现了良好的应用前人造有机纳米孔道是通过氢键、静电、7c兀相互景。随着研究的深入，对水通道蛋白的结构与透水作用等非共价键作用力组装的有机亚单元，其孔径机理也有了更深的认识，因此，仿生膜也正朝着工介于3～10埃，厚度为3~4nm。人造有机纳米孔道业化方向发展。是研究人员模拟水通道蛋白的关键结构设计合成目前，水通道蛋白嵌人式仿生膜面临的两大核14中国工程科学\nⅢ心问题是膜的放大制备和应用过程中保持水通道学进展，2003，9(2)：167—170．[11]JungJS，PrestonGM，SmithBL，etal，Molecularstructure蛋白的活性。总体而言，水通道蛋白嵌入式仿生膜ofthewaterchannelthroughaquaporinCHIEThehourglass仍处于研究阶段，距离商业化还有很长的路。未来model[J]．JournalofBiologicalChemistry，1994，269(20)：14648—14654．仍需强化水通道蛋白嵌入式仿生膜结构与性能数【12]KumarM，PayneMM，PoustSK，eta1．BiomimeticMem—据的积累，促进对水通道蛋白水传输机理的理解，branesforSensorandSeparationApplications【M】．NewYork：Springer，2012：43—62．为研究人员合成人造水通道提供参考。[13]TaubertA，NapoliA，MeierSelf-assemblyofreactiveam—对于以CNTs为水通道的膜而言，迫切需要解phiphilicblockcopolymersasmimeticsforbiologicalme—决的两个问题是CNTs在高分子中的分散性与简单mbranes[J]．CurrentOpinioninChemicalBiology，2004，8(6)：598—603．易行的CNTs定向方法，若能有效解决这两个问题，[14]ZhangX，TannerP，GraffA，eta1．Mimickingthecellme—该类膜的批量化制备和规模化应用将很容易实mbranewithblockcopolymermembranes[J]．JournalofPoly—现。人造有机纳米水通道是一个非常新的领域，大merSciencePartA：PolymerChemistry．2012．50(12)：2293—2318．部分的工作还停留在合成与表征阶段，渗透截留的[15]LeeJCM，BermudezH，DischerBM，eta1．Preparation，sta—性能测试研究很少，主要因为对水通道蛋白结构与bility，andinvitroperformanceofvesiclesmadewithdiblockcopolymers[J]．BiotechnologyandBioengineering，2001，73机理的研究还不够深入，人造有机纳米孔道的合成(2)：135-145．设计缺少指导性的原则，只能半经验式的模拟水通[16]RosoffM．Vesicles，SurfactantScienceSeriesVolumer62，Chap9，NeedhamD，ZhelevDV．TheMechanochemistryof道蛋白的关键部位。但随着对蛋白分子的结构与LipidVesiclesExaminedbyMieropipetteManipulationTech—功能的进一步认识，对超分子结构与自组装结构设niquesinVesicles[M]．NewYork：MarcelDekker，Inc．，1996：计能力的加强，未来必定能合成具有精密结构的水373—444．[17]KonradiR，PidhatikaB，MfihlebachA，eta1．Poly-2-methyl一通道。2-oxazoline：Apeptide-likepolymerforprotein—repellentsur—总之，水处理仿生膜的优越性能是其他膜过程faces[J]．Langmuir，2008，24(3)：613—6l6．难以比拟的，仿生膜制备技术上的突破是水处理仿[18】NardinC，MeierHybridmaterialsfromamphiphilicblockcopolymersandmembraneproteins[J]．ReviewsinMolecular生膜发展的关键。相信在不同领域研究人员的共Biotechnology，2002，90(1)：l7—26．同努力下，水处理仿生膜一定会实现工业化应用。【19]GrafrA，FraysseAilhasC，PalivanCG，eta1．Amphiphilicco—polymermembranespromoteNADH：Ubiquinoneoxidoreduc—taseactivity：Towardsanelectrontransfernanodevice[J]．Mac—romolecularChemistryandPhysics，2010，211(2)：229-238．参考文献【20]BorgniaMJ，KozonoD，CalamitaG，eta1．Functionalreco—nstitutionandcharacterizationofAqpZ．theE．coli<／i>wa—ShannonMA，BohnPW，ElimelechM，eta1．Scienceandtech—terchannelprotein[J]．JournalofMolecularBiology，1999，291nologyforwaterpurificationinthecomingdecades[J]．Nature，(5)：1169—1179．2008，452(7l85)：301—310．[21]WangH，ChungTS，TongYW，eta1．HighlyPermeableandBencharitS．Historyofprogressandchallengesinstructuralbio—selectiveporespanningbiomimeticmembraneembeddedwithlogy[J]．JPharmacogenomPharmacoproteomicsS，2012，4：aquaporinz[J】．Small，2012，8(8)：l185一l190．2l53～O645．[22]ZhongPS，ChungTS，JeyaseelanK，eta1．Aquaporin—embed—BowenWR．Biomimeticseparations-learningfromtheearlyde—dedbiomimeticmembranesfornanofiltration[J]．Journalofvelopmentofbiologicalmembranes[J]．Desalination，2006，199MembraneScience，2012，407：27-33．(1)：225—227．[23】SunG，ChungTS，ChenN，eta1．Highlypermeableaquapo-KumarM，GrzelakowskiM，ZillesJ，eta1．Highlypermeablerin．．embeddedbiomimeticmembranesfeaturingamagnetic．．aid-polymericmembranesbasedontheincorporationofthefunction—edapproach[J]．RSCAdvances，2013，3(24)：9178—9184．alwaterchannelproteinAquaporinz[J]．ProceedingsoftheNa-[24]ZhaoY，QiuC，LiX，eta1．Synthesisofrobustandhigh—per—tionalAcademyofSciences，2007，104(52)：20719-20724．formanceaquaporin-·basedbiomimeticmembranesbyinterfa--SingerSJ．NicolsonGL．Thefluidmosaicmodelofthestru—cialpolymerization·membranepreparationandROperformancectureofcellmembranes[J]．Science，1972，175(231：720—731．characterization[J]．Journa1ofMembraneScience．2012，423：RobertsonJD．Theultrastructureofcellmembranesandtheirde．422-428．rivatives[C]／／BiochemicalSocietySymposium，1958，16：3-43．[25]BarboiuM，GillesA．Fromnaturaltobioassistedandbiomimet—徐国恒．细胞膜的双层磷脂结构与功能术[J]．生物学通报，icartif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