清华大学胡洪营团队成功开发水处理新型消毒技术

消毒是控制病原微生物、阻断水传播疾病的关键环节。然而，现有消毒技术通过强氧化或紫外辐照作用杀灭微生物，面临能耗药耗高、有毒有害副产物易生成等问题。    

近日， 清华大学环境学院胡洪营和深圳国际研究生院吴乾元、杨诚团队报道了一种基于纳米尖端的水力学杀菌新机制，即平缓水流可以通过碳包覆纳米尖端与细菌的色散作用有效地撕裂细菌。

结合理论计算进一步证实，sp2碳与细菌细胞膜具有强烈的色散相互作用，使细菌在流场中被纳米尖端捕获，进而在流场曳力影响下对细菌产生撕扯而破裂细菌（图1）。

图1 纳米尖端水力学杀菌机制原理解析

研究人员利用多孔泡沫铜制备了碳包覆纳米线，当受污染水样流经该材料时，即可对水中细菌造成严重的机械破损（图2）。

结合流场计算、细菌机械强度测试，以及细菌受力有限元模拟，证实碳包覆纳米尖端的瞬时粘附-流场撕扯效应能够突破细菌的临界应力，而水流冲击下细菌与纳米尖端发生的碰撞作用不能破坏细菌。

图2 碳包覆纳米线制备及杀菌性能

该机制可有效杀灭水中的多种典型细菌，并在一个月连续运行过程中保持稳定高效消毒。

该技术利用水流动能杀灭病原菌，无需化学试剂或额外的能量供应，避免了二次污染问题。

研究成果可为分散式水处理以及偏远地区的饮用水安全管理提供新的策略，对其他领域的病原微生物控制也具有启发意义。

相关研究成果近日以“纳米尖端水流撕裂杀菌机制助力绿色高效消毒”（Hydrodynamic tearing of bacteria on nanotips for sustainable water disinfection）为题发表在国际知名期刊《自然?通讯》（Nature Communications）上。

本文通讯作者为清华大学环境学院胡洪营教授、深圳国际研究生院杨诚副教授以及吴乾元副教授，第一作者为清华大学深圳国际研究生院2018级博士生彭露（现为博士后）以及2020级博士生朱浩杰，论文作者还包括清华大学环境学院2019级博士生王浩彬以及清华大学深圳国际研究生院博士后郭镇斌（现为深圳大学助理教授）。

该研究得到了国家自然科学基金项目、深圳市自然科学基金项目及清华大学深圳国际研究生院抗疫专项等的资助。

来源： 清华大学环境学院

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