Cistus libanotis L. 的叶片提取的纤维素生物吸附剂用于高效去除六价铬：将密度泛函理论与响应面方法优化相结合

《Journal of Water Process Engineering》：Cistus libanotis L. leaves -derived cellulose biosorbent for efficient hexavalent chromium removal: Integrating density functional theory with response surface methodology optimization

微藻固定化水凝胶支架通过海藻酸钠与纤维素纳米纤丝（CNF）复合，结合绿色深熔盐溶剂法提取CNF，有效提升养殖废水（如Cirata）中磷、铵、硝酸盐及亚硝酸盐去除率至48-82%，并保持14天结构稳定与高藻类存活率，为可持续水产养殖废水处理提供新方案。

　　随着全球人口的持续增长，实现长期的粮食和营养安全变得愈加重要。动物蛋白在人类饮食中扮演着不可或缺的角色，能够有效预防营养不良并支持健康的发育。然而，传统的畜牧业和家禽养殖正面临日益严峻的环境压力、土地资源紧张以及水资源的高强度消耗等挑战。因此，鱼类作为一种高效且营养丰富的替代品脱颖而出，它不仅提供必需氨基酸和多不饱和脂肪酸，还具有优越的饲料转化效率。这种高效性使得水产养殖成为全球食品生产中增长最快的领域之一。

全球人均鱼类消费量在过去60年间几乎翻了一番，从1961年的约9公斤增长到如今的超过20公斤。这一增长趋势主要受到人口增长和饮食习惯转变的推动。目前，水产养殖已经供应了全球超过50%的鱼类消费量，超过了传统捕捞渔业的总产量。与此同时，营养不良问题的加剧也促使了全球范围内的关注，联合国粮食及农业组织（FAO）启动了“零饥饿”计划，旨在到2030年消除饥饿，并将水产养殖视为全球粮食系统中的关键因素。

尽管水产养殖在满足蛋白质需求方面具有重要作用，但其快速扩张也带来了显著的环境问题。其中，浮式网箱养殖系统尤为突出，这些系统因其经济性、高产性和灵活性而被广泛应用于淡水和海水环境中。然而，浮式网箱养殖系统在运行过程中会释放富含营养的废弃物，包括未被食用的饲料、鱼类排泄物以及代谢产物。这些有机物质和营养物质的积累，尤其是氮和磷的富集，会导致水体富营养化，进而引发水质恶化、溶解氧水平下降以及对水生生物的威胁。研究表明，在淡水水产养殖系统中，氮的负荷量可以达到每天每平方米11.94克，这不仅促进了藻类的爆发性生长，还可能造成水体缺氧。此外，过量的磷可能导致鱼类死亡，尤其是在水流不畅或封闭的系统中。

面对这些环境挑战，迫切需要开发可持续、经济可行且可扩展的水处理策略。其中，一种有前景且环保的解决方案是“藻类修复”（phycoremediation），即利用微藻去除受污染水体中的过量营养物质、有机污染物，甚至重金属。微藻之所以在这一过程中表现出色，主要是因为它们具有高效的营养吸收能力、在富营养环境中快速繁殖的特性，以及同时具备生物吸附和生物积累污染物的双重能力。许多藻类物种能够在废水条件下生存，通过其自然代谢途径将污染物转化为藻类生物质。在这些物种中，**小球藻属**（*Chlorella* sp.）因其在藻类修复中的卓越能力而受到广泛关注。小球藻能够有效吸收氮化合物，如铵（NH??）、硝酸盐（NO??）、磷酸盐（PO?3?）以及多种重金属。因此，小球藻特别适合用于水产养殖废水处理，因为营养负荷是其应用中的核心问题。

然而，将自由悬浮的微藻应用于开放系统时，仍然存在诸多挑战。例如，生物量回收困难、重复使用受限以及对环境波动的敏感性等问题，限制了传统藻类修复方法的长期有效性和可扩展性。因此，研究人员开始探索将微藻固定在水凝胶基质中的方法，以提高其稳定性和重复使用性。例如，Kumar等人研究了一种基于琼脂的液-凝胶转变系统，其中微藻在凝胶中形成团簇，能够在两小时内快速沉降，并且在重复使用过程中不会影响生物量的生产能力。这种固定方法不仅提高了收获效率，还降低了能耗，同时保持了代谢活性。然而，琼脂基水凝胶在水产养殖废水条件下的长期稳定性仍显不足。

此外，研究表明，固定在海藻酸盐水凝胶中的微藻在去除污染物方面比自由悬浮的微藻具有更高的效率。海藻酸盐水凝胶具有良好的生物相容性、高水分保持能力和简便的双价阳离子（如Ca2?）交联特性，使其成为承载活细胞的理想载体。例如，固定在海藻酸盐水凝胶中的微藻可以在三天内去除高达95%的NH??–N和99%的PO?3?，而自由悬浮的细胞仅能去除50%和40%。尽管如此，基于琼脂和海藻酸盐的水凝胶通常表现出较差的机械强度，并且在废水环境中容易发生结构破坏，这限制了它们的长期应用潜力。

为了解决这一问题，研究人员开始探索将纤维素纳米纤维（CNF）作为增强剂添加到水凝胶系统中。CNF是一种来源于植物或藻类生物质的生物相容性纳米材料，以其优异的机械强度、较大的表面积和良好的亲水性而著称。将CNF引入水凝胶体系已被证明可以显著改善其机械性能、吸水稳定性和结构完整性，即使在长时间暴露于废水环境中。特别是在我们的前期研究中，已经建立了一种绿色且高效的CNF提取方法，该方法利用深共融溶剂（DES）技术从海藻加工行业产生的固体废弃物中提取CNF。这种技术不仅能够获得高质量的纳米纤维素，还能有效减少工业废弃物，促进循环经济的发展。

尽管海藻酸盐-纳米纤维素复合水凝胶已被广泛应用于生物医学和环境领域，但它们作为固定微藻的支架型水凝胶在真实水产养殖废水环境中的应用尚未得到充分研究。因此，本研究旨在开发并表征一种新型的海藻酸盐-纤维素纳米纤维（ALG-CNF）水凝胶支架，用于小球藻的固定，并评估其在水产养殖废水处理中的修复效果。本研究重点考察了水凝胶的结构完整性、吸水性能、机械稳定性、营养去除效率以及在连续暴露于水产养殖废水时的耐久性。

为了实现这一目标，我们采用了一种绿色的深共融溶剂（DES）方法，从海藻加工废弃物中提取CNF，并将其与海藻酸盐结合形成水凝胶。通过调整CNF的浓度（0%、0.1%、0.2%和0.4%），我们合成并表征了不同配方的水凝胶，以评估其在结构稳定性、吸水能力和长期使用中的表现。在这些配方中，含有0.1% CNF的水凝胶（N1）表现最为优异，其结构稳定性可维持14天，并且具有最高的吸水能力。当小球藻被固定在N1水凝胶中时，它成功地去除了Cirata水产养殖废水中48–82%的磷酸盐、铵、硝酸盐和亚硝酸盐。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和红绿蓝（RGB）分析，我们确认了小球藻的有效固定和持续的活性状态。

本研究的结果表明，N1水凝胶不仅具有优异的物理和化学性能，还能够作为低成本、可重复使用的平台，用于高效处理富含营养的水产养殖废水。这种水凝胶支架为解决水产养殖废水处理中的环境问题提供了新的思路，同时也为可持续发展和循环经济的推进提供了技术支撑。通过将海藻酸盐与CNF结合，我们不仅提高了水凝胶的性能，还为微藻的固定和修复应用开辟了新的可能性。

本研究的成果具有重要的实际应用价值。首先，它提供了一种经济可行的解决方案，能够在不依赖昂贵设备或化学品的情况下有效去除废水中的污染物。其次，水凝胶的可重复使用性意味着它可以在多个循环中使用，从而降低长期运行成本。此外，由于水凝胶的结构稳定性，它能够适应复杂的废水环境，确保微藻在处理过程中的持续活性。这些特性使得ALG-CNF水凝胶成为一种理想的材料，适用于各种水产养殖废水处理场景。

在材料方面，我们使用了实验室保存的小球藻孢子，并从Cirata水库的浮式网箱养殖区域采集了用于修复实验的水样。此外，我们还从CV Agar Sari Jaya公司获得了海藻加工废弃物，以用于CNF的提取。所有化学试剂，包括胆碱氯化物、海藻酸钠、柠檬酸和草酸，均来自Himedia（印度），而硫酸和乙二醇则作为辅助材料使用。通过这些材料的合理选择和应用，我们确保了实验的可靠性和可重复性。

在小球藻的生长曲线分析中，我们观察到其在42天内的生长模式呈现出典型的S型曲线。在最初的几天，小球藻处于滞后期，随后进入指数生长期，从第5天到第12天，其光学密度（OD580）迅速上升。到第24天时，小球藻的OD580达到峰值（1.242 ± 0.084），随后进入稳定期并逐渐下降。这一生长模式表明，小球藻在适宜的环境条件下能够快速繁殖，并且在修复过程中保持较高的生物活性。

在结论部分，我们总结了本研究的主要发现。通过采用绿色的深共融溶剂方法，我们成功地从海藻加工废弃物中提取了CNF，并将其与海藻酸盐结合，制备出具有优异性能的ALG-CNF水凝胶支架。在测试的不同配方中，N1水凝胶（3%海藻酸盐和0.1% CNF）表现出最佳的综合性能。它不仅具有良好的结构稳定性，还能够有效吸收废水中的营养物质，从而提高修复效率。此外，通过多种分析方法，我们验证了小球藻在水凝胶中的有效固定和持续活性，为实际应用提供了理论依据。

本研究的意义在于，它不仅为解决水产养殖废水处理问题提供了新的技术方案，还展示了如何通过资源回收和循环经济的方式，将工业废弃物转化为有价值的材料。这种转化不仅有助于减少环境污染，还能够提高资源的利用效率，为可持续发展提供支持。同时，本研究的成果也为未来的研究方向提供了启示，例如进一步优化水凝胶的配方，提高其在不同废水环境中的适应性，以及探索其在其他污染物去除方面的潜力。

在作者贡献方面，Safrina Dyah Hardiningtyas主要负责撰写、审阅与编辑、可视化、监督、资源协调、资金获取、数据管理以及概念设计。Crouise Glenn则负责撰写原始稿件、研究方法的设计、实验的实施与分析。Iriani Setyaningsih参与了撰写、审阅与编辑以及数据管理的工作。三位作者的共同努力确保了本研究的顺利进行和成果的准确呈现。

本研究的资金来源是日本的“Kurita水与环境基金会”（KWEF），通过其海外研究资助计划，由Safrina Dyah Hardiningtyas主持，项目编号为22PId100。这一资助为研究提供了必要的资源支持，使我们能够顺利完成实验设计、材料制备、性能测试以及数据分析等关键环节。

在利益冲突声明中，作者们表示，Safrina Dyah Hardiningtyas的实验室设备、试剂和样品提供了部分支持，并且在撰写过程中获得了IPB大学的协助。此外，她还报告了来自“Kurita水与环境基金会”的财务支持。其他作者则声明没有已知的利益冲突。这一声明确保了研究的透明性和客观性，表明所有实验数据和结论均基于科学依据，而非受到外部因素的影响。

最后，在致谢部分，我们感谢CV Agar Sari Jaya公司提供了ISWB（可能指某种实验设备或材料），并感谢“国家研究与创新机构”（BRIN）的“科学服务E平台”提供了实验设施的支持。这些机构和公司的协助对于本研究的顺利进行起到了至关重要的作用。

综上所述，本研究通过开发一种新型的海藻酸盐-纤维素纳米纤维水凝胶支架，成功提升了小球藻在水产养殖废水处理中的修复效率。这种水凝胶不仅具备良好的物理和化学性能，还能够在实际应用中保持微藻的活性和稳定性，为解决水产养殖废水处理问题提供了创新性的解决方案。同时，本研究也展示了如何通过绿色技术和循环经济理念，将工业废弃物转化为高价值的材料，为可持续发展和环境保护做出了积极贡献。