不依赖过氧化氢（H?O?）的微生物高级氧化工艺，用于处理含有偶氮化合物的水体

《Bioresource Technology》：Hydrogen peroxide (H 2O 2)-independent microbial advanced oxidation process for treatment of azo compound-contaminated water

镁诱导微生物高级氧化过程通过生物合成铁纳米颗粒实现高效偶氮染料降解，3小时内去除率达99.0%-99.9%。

　　在当前的水污染治理领域，芳香族偶氮化合物（azo compounds）因其对环境和人类健康的潜在危害而备受关注。这些化合物广泛应用于染料工业中，例如酸性橙7（AO-7）和刚果红等，因其颜色鲜艳、稳定性强而受到青睐。然而，其使用过程中产生的降解中间产物往往具有毒性，严重威胁生态系统的健康和人类的生存环境。因此，开发高效、环保的治理方法成为迫切需求。尽管传统的物理化学方法在处理偶氮化合物污染方面取得了显著成效，但它们仍然存在诸如操作复杂、资源消耗大以及可能产生二次污染物等缺点。近年来，先进氧化工艺（AOPs）因其在去除污染物方面的高效性而受到研究者青睐，但其应用受限于化学试剂的使用和高能耗问题。

在这一背景下，研究者们开始探索更安全、更环保的替代方案。其中，氢氧化物（H?O?）是AOPs中常用的氧化剂，然而其毒性不容忽视。H?O?在水体中降解过程中会生成活性氧物种（ROS），包括超氧自由基、羟基自由基等，这些自由基能够对蛋白质、DNA和脂质等生物分子造成损害。此外，H?O?在高浓度下对水生生物具有毒性，可能引发生理紊乱。当含有H?O?的废水被排放到娱乐性水域时，其通过皮肤接触或吸入可能对人类健康产生严重影响，甚至导致炎症和疾病。H?O?的高腐蚀性也使其在长期储存和应用过程中面临挑战。

为了克服上述问题，研究者们尝试利用微生物作为替代方案。微生物降解偶氮化合物的方法近年来受到广泛关注，尤其是某些菌株如蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）和嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila）已被证实能够通过酶催化，如偶氮还原酶和漆酶，有效降解偶氮化合物。然而，与物理化学方法相比，生物处理在面对高浓度污染物时仍然存在优化困难。近年来，微生物纳米材料与AOPs的结合成为新的研究方向，这种技术利用了纳米材料的优异物理化学特性以及生物降解方法的高效性，从而在去除污染物方面展现出更高的潜力。

在这一基础上，研究团队开发了一种基于生物生成铁纳米颗粒（FeNPs）的新型AOP，该方法利用镁（Mg）作为电子供体，替代了传统的H?O?。这种方法的核心在于分离并鉴定一种能够高效降解偶氮化合物的新型菌株，即蜡样芽孢杆菌（Bacillus sp.）YN-1。该菌株通过自身代谢过程生成铁纳米颗粒，从而在处理过程中形成类似芬顿反应（Fenton-like reaction）的条件。镁的引入不仅减少了对H?O?的依赖，还避免了其带来的毒性问题，同时提高了反应的可持续性和经济性。

实验结果显示，这种新型微生物AOP在3小时内能够实现对多种偶氮染料的高效去除。例如，酸性橙7的去除率达到99.0%，刚果红达到99.5%，伊文斯蓝达到99.9%，而塔尔嗪的去除率也达到了98.8%。这些数据表明，该方法在去除效率方面表现出色，同时显著缩短了反应时间。相较于传统的生物纳米材料处理方法，该策略在处理时间上提高了8倍以上，极大地提升了处理效率。

此外，该研究还对实验中所使用的化学品和化合物进行了详细说明。例如，铁氯化物六水合物（FeCl?·6H?O）、镁粉、戊二醛、乙醇、硫酸、乙酸乙酯、异丙醇、H?O?以及氢氧化钠等材料均来自杜克山公司。刚果红、酸性橙7、伊文斯蓝、塔尔嗪以及TEMPOL（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基）等化合物则来自TCI公司，而硝基蓝四唑（NBT）则来自MBcell公司。这些材料的准确选择和配比对于实验的成功至关重要。

在菌株的分离和鉴定过程中，研究团队从一家位于纬度37.30°、经度126.80°的纺织厂收集了废水样本。尽管在培养基上形成了大量菌落，但最终通过选择能够形成清晰降解区域的单一菌落，成功分离出具有偶氮化合物降解能力的蜡样芽孢杆菌YN-1。这一菌株的降解能力得到了实验的验证，其不仅能够有效降解偶氮化合物，还能够通过自身代谢生成铁纳米颗粒，从而在处理过程中形成类似芬顿反应的条件。这种“活细胞生成”纳米颗粒的方式为微生物AOP提供了新的思路。

研究的最终目标是开发一种无需依赖H?O?的新型AOP策略，该策略结合了生物生成的FeNPs和镁的催化作用。这种方法不仅减少了对有毒化学试剂的依赖，还降低了处理过程中的能源消耗，提高了处理的可持续性。此外，镁作为电子供体，其在氧气还原过程中的高反应性使其成为一种理想的替代方案。相比H?O?，镁在环境和人体健康方面的安全性更高，且其来源广泛，易于获取，从而降低了处理成本。

该研究的成果为水污染治理提供了新的技术路径。传统的物理化学方法虽然在处理效率上表现良好，但其高成本和高能耗限制了其大规模应用。而生物处理方法虽然在环境友好性上具有优势，但在面对高浓度污染物时仍然存在处理效率低的问题。因此，结合微生物生成纳米材料和镁催化作用的AOP策略成为解决这些问题的关键。这种策略不仅提升了处理效率，还降低了对有毒化学试剂的依赖，为实现可持续的水处理提供了新的可能。

通过该研究，科学家们希望为未来水污染治理提供更加安全、高效和经济的解决方案。随着全球对环境保护的重视程度不断提高，寻找更加环保的处理方法成为必然趋势。而该研究展示了一种可行的路径，即利用微生物和纳米材料的协同作用，实现对偶氮化合物的高效去除。这种方法不仅适用于工业废水的处理，还可能拓展到其他类型的水污染治理领域，如农业灌溉水、城市生活污水等。

此外，该研究还强调了镁在AOP中的重要性。镁作为催化剂，其在氧气还原过程中的高反应性使其能够有效促进氧化反应，同时避免了H?O?带来的毒性问题。这种替代方案不仅提高了处理的安全性，还降低了对昂贵化学品的需求，从而提升了处理的经济性。镁的来源广泛，且其在环境中的应用不会产生有害的副产物，使其成为一种理想的替代方案。

在实验过程中，研究人员对处理条件进行了详细优化，包括反应时间、温度、pH值以及镁和FeNPs的浓度等。这些参数的调整对于实现最佳处理效果至关重要。通过系统的实验设计，研究人员成功验证了该新型AOP的可行性，并展示了其在实际应用中的潜力。该方法的高效性和环保性使其在未来的水处理技术中具有广阔的应用前景。

综上所述，该研究提出了一种全新的水污染治理方法，即利用镁诱导的微生物AOP，结合生物生成的FeNPs。这种方法不仅有效解决了偶氮化合物污染问题，还避免了传统方法中对有毒化学试剂的依赖，提高了处理的可持续性和经济性。随着对环境保护和人类健康的重视，这种新型技术有望在未来的水处理领域发挥重要作用。