► 通过自由基诱导接枝法成功制备了CMC-g-PA。
► CMC-g-PA对硫酸钙垢具有优异的阻垢性能。
► CMC-g-PA展现出有效抑制微生物污垢的潜力。
►通过分子动力学模拟研究了CMC-g-PA与CaSO4的相互作用。
尽管阻垢剂在海水淡化和冷却水系统中起着至关重要的作用，但其可能通过促进微生物生长导致生物污垢产生，对水处理工艺构成重大威胁。本研究采用植物源抑菌物质原儿茶酸（PA）与天然多糖纤维素相结合，制备了一种新型双功能阻垢剂——羧甲基纤维素接枝原儿茶酸（CMC-g-PA）。评估了其对CaSO4的阻垢效果以及对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生长的抑制效果。结果表明，与未改性的羧甲基纤维素（CMC）相比，CMC-g-PA显著提高了对CaSO4的阻垢效率和CaSO4结晶过程中的诱导时间。显微镜观察和XRD表征结果均显示，使用CMC-g-PA作为阻垢剂后，CaSO4晶体的形态和大小均发生了显著变化。分子动力学分析进一步表明，CMC-g-PA与CaSO4晶面之间存在强烈的相互作用，对晶体生长产生了重要影响，进而导致晶体发生变形。此外，CMC-g-PA对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长亦表现出明显的抑制作用，这主要归因于引入的酚羟基所具有的抑菌活性。总的来说，生物衍生的CMC-g-PA具备环境友好性、优良的阻垢性能和抑菌活性，在减轻海水淡化及冷却水系统中的结垢和生物污垢方面展现出巨大的应用潜力。
本研究以纤维素和氯乙酸为原料，采用醚化反应合成了羧甲基纤维素（CMC）。随后，通过自由基诱导接枝法，将原儿茶酸（PA）引入到CMC中，成功制备了羧甲基纤维素接枝原儿茶酸（CMC-g-PA）（图1）。为探究官能团含量对阻垢剂性能的影响，本研究通过调节纤维素与氯乙酸的质量比，制备了两种不同取代度的CMC样品，分别命名为CMC(1)和CMC(a)。以CMC(1)和CMC(a)为反应物，通过改变CMC与PA的投加比，分别制备了两个系列具有不同结构特征的CMC-g-PA，即CMC-g-PA(1)—CMC-g-PA(3)和CMC-g-PA(a)—CMC-g-PA(c)。在多糖骨架中引入的羧基赋予了CMC-g-PA优异的阻垢性能，使其能够螯合溶液中游离的钙离子，降低钙离子与硫酸根离子结合的概率。此外，CMC-g-PA能够在CaSO4微晶表面吸附，导致微晶表面带上相同的电荷，从而因静电排斥作用抑制微晶的聚集，进一步促进其在溶液中的稳定性。同时，CMC-g-PA中的羧基还能占据CaSO4晶体表面的活性位点，影响晶体正常生长。接枝的酚羟基显著提升了CMC-g-PA的阻垢效率，并赋予其额外的抑菌性能。
本研究还评估了CMC-g-PA对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑菌活性。图4a和e显示，未经过额外处理的固体培养基中，细菌生长正常。然而，投加了2.5 mg/mL PA培养18 h后，固体培养基中几乎未观察到E. coli和S. aureus的生长（图4b和f）。这是由于PA的加入导致细胞膜破裂，从而促进细胞内部物质的释放。在15 mg/mL的浓度下，CMC-g-PA(3)和CMC-g-PA(b)均对E. coli和S. aureus的生长表现出抑制作用，其中CMC-g-PA(b)显示出更优越的抑菌效果（图4c、d、g和h）。本研究为解决工业冷却水或海水淡化过程等复杂水处理系统中结垢和生物污垢的双重挑战提供了一个全新的视角。
图4. 在不含和含PA、CMC-g-PA(3)和CMC-g-PA(b)的情况下，对（a）-（d）大肠杆菌和（e）-（h）金黄色葡萄球菌的抑菌活性.
熊丽萍，女，江西赣州人，目前为浙江师范大学地理与环境科学学院环境工程专业研三学生，主要致力于天然高分子材料的改性及其在阻垢中的应用研究，具有较高的科研热情。目前以第一作者的身份在Journal of Membrane Science期刊上发表论文1篇，以第二作者（导师一作）和第三作者在Desalination期刊和Small期刊发表论文2篇。
