飲用水安全與公共衛生息息相關，但水源易受病原微生物污染，且水中細菌濃度通常極低，傳統檢測技術難以實現現場低濃度水樣檢測。現有微生物富集方法如離心、過濾等存在耗時、易堵塞或成本高等不足，亟需簡便、快速、高效的預處理技術，研究基于此展開。
研究首先通過共沉淀法合成了鎂鋁比例為 2.14:1 的 Mg/Al LDH，并經高溫煅燒（500℃、4 小時）制備出比表面積更大的雙金屬氧化物 CLDHs。材料表征顯示，煅燒后 CLDHs 的比表面積從 LDH 的 66.78 m2/g 增至 70.23 m2/g，孔徑由 12.58 nm 擴大至 15.92 nm，形成疏松多孔結構，這一結構特性顯著增強了其吸附能力。CLDHs 的正電荷特性源于結構中 Mg2?被 Al3?同晶取代，而微生物表面普遍帶負電荷，二者通過靜電作用實現高效結合，傅里葉變換紅外光譜進一步證實，CLDHs 與細菌表面磷脂基團（如 P=O 鍵）發生特異性相互作用，驗證了靜電吸附機制的主導地位。
圖1 通過 EDS、XRD 和 BET 分析，顯示 CLDHs 的元素組成、晶體結構及煅燒后比表面積和孔徑的增大。
在靜態吸附實驗中，CLDHs 對不同微生物表現出差異化吸附性能：革蘭氏陰性菌大腸桿菌在 30 分鐘內達到吸附平衡，吸附容量高達5.321 ×109CFU/g；革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌則在 40 分鐘達到平衡，吸附容量為1.679×107CFU/g。這種差異與微生物表面電荷密度密切相關 —— 革蘭氏陰性菌外膜的磷脂乙醇胺（PE）賦予其更強負電荷，與 CLDHs 的靜電吸引力更顯著。對于白色念珠菌，其細胞壁含帶正電荷的幾丁質，雖靜態吸附效果有限，但可通過動態過濾系統實現高效截留。
圖2 呈現不同煅燒溫度下 CLDHs 的表面形貌，500℃時結構均勻、吸附性能最佳。
研究團隊設計了一套無動力濃縮回收系統，該系統由亞克力過濾管、不銹鋼篩網和流量控制器組成，通過調節 CLDHs 填充量（5-30 g）和過濾速率（4-50 mL/min）優化性能。結果表明，當填充 5 g CLDHs 且過濾速率≤6.6 mL/min 時，大腸桿菌截留率超 99%；填充 25 g CLDHs 且過濾速率≤4 mL/min 時，金黃色葡萄球菌截留率達 99% 以上；填充 20 g CLDHs 且過濾速率≤10 mL/min 時，白色念珠菌截留率同樣超過 99%。值得注意的是，該系統無需電力驅動，適合野外或現場作業，且在復雜水質條件下（如 pH 6-8、鹽濃度 0.9%-3.5%、腐殖酸濃度≤10 mg/L）仍能保持 80% 以上的吸附效率，展現出較強的環境適應性。
圖3 顯示大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在 CLDHs 表面的吸附動力學過程，分別于 30 分鐘和 40 分鐘達平衡。
為便于后續檢測，研究采用含非離子表面活性劑吐溫 - 80 的磷酸鹽緩沖液作為洗脫液，結果顯示：大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的回收率分別達 84.08%、87.67% 和 97.05%，洗脫液可將微生物濃度提升 26 倍，顯著簡化了檢測流程。與傳統超濾膜技術相比，CLDHs 系統不僅成本低、易攜帶，還能避免膜堵塞問題，同時通過材料的 “結構記憶效應” 實現再生利用，兼具經濟性與可持續性。
這項研究構建的 CLDHs 富集回收體系，為水體中低濃度病原微生物的快速濃縮與現場檢測提供了高效解決方案，有望在飲用水安全監測、環境微生物檢測等領域發揮重要作用，為后續開發便攜化、集成化檢測設備奠定了基礎。
參考文獻：Wang F, Yang X, Yang P, et al. A New Microbial Enrichment and Recovery Technology Based on Layered Double Hydroxides[J]. ACS ES&T Water, 2025.
來源：微生物安全與健康網，作者~王鑫。
