基于碳驱动酚类化合物的催化生化氧化过程在环境污染物去除与细菌抑制中的应用研究

本研究针对水环境中染料污染及细菌滋生问题，利用Barleria cristata植物提取物中的酚类化合物（如木犀草素、香豆酸等），通过催化生化氧化过程实现了甲基蓝（MB）和罗丹明B（RHB）的高效去除（最高55.67%）及多种细菌（如E. coli、S. aureus）的有效抑制。该研究为绿色污染物治理和抗菌应用提供了新策略。

　　

随着工业化的快速发展，水环境污染问题日益严重，特别是合成染料（如甲基蓝和罗丹明B）的广泛使用，导致水体污染并滋生有害细菌，威胁生态系统和人类健康。传统的物理化学处理方法存在成本高、二次污染等问题，因此开发绿色、高效的水处理技术成为研究热点。植物提取物中的酚类化合物因其天然来源和抗氧化、抗菌特性受到广泛关注，但其在环境修复中的应用机制尚不明确。

在这一背景下，研究人员选择Barleria cristata（一种药用植物）的叶和茎提取物，探究其中酚类化合物在催化生化氧化过程中对环境污染物的去除及细菌抑制效果。该研究发表在《Total Environment Engineering》上，为植物修复技术提供了新的理论依据和应用方向。

本研究采用多种关键技术方法：通过高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）鉴定提取物中的酚类成分（如木犀草素、香豆酸等）；利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）对提取物的结构、形貌、元素组成和功能性质进行表征；通过密度泛函理论（DFT）计算吸附能和轨道电荷分布；采用抗菌实验评估提取物对多种细菌（如Escherichia coli、Staphylococcus aureus）的抑制效果；并通过动力学分析研究污染物去除过程。

3.1. XRD

XRD分析表明，Barleria cristata叶和茎提取的碳材料呈无定形结构，衍射峰位于30.190°和41.160°（叶）及30.040°和41.420°（茎），与无机晶体结构数据库（ICSD 00-026-1076）匹配，这种结构有利于氧化反应进行。

3.2. SEM & EDX

SEM显示提取物表面形态多样，尺度在1-10μm之间。EDX分析表明叶提取物中碳、氧、氮的原子百分比分别为65.080%、33.670%、1.250%，茎提取物中分别为61.200%、35.820%、2.980%，证实碳是主要元素。

3.3. FTIR

FTIR检测到C–H（582 cm^?1）、C–O（1021 cm^?1）、C=O（1318 cm^?1）、C=N（1623 cm^?1）、N–H（2909 cm^?1）和O–H（3379 cm^?1）等键的振动峰，表明提取物具有丰富的官能团，有助于氧化反应。

3.4. XPS

XPS分析C 1s轨道显示，叶和茎提取物中C–O、C–H和O–C=O的结合能分别为284.060 eV、284.880 eV、287.350 eV（叶）和283.980 eV、284.780 eV、287.750 eV（茎），这些键合状态有助于氧化性能的发挥。

3.5. 酚类化合物评估

HPLC-MS鉴定出木犀草素（luteolin，287.06 m/z）、香豆酸（coumaric acid，165.05 m/z）、生育酚（tocopherol，431.39 m/z）和乙酰香薷苷甲酯（terpenoid，448.17 m/z）等酚类化合物，这些成分在氧化过程中与污染物反应生成中间产物。

3.6. 吸附能演化

DFT计算显示，提取物在甲醇、石油醚、氯仿和水中的吸附能分别为-16.198 eV、-15.940 eV、-14.581 eV和-13.745 eV，其中甲醇吸附能最低，表明其氧化性能最强。

3.7. 轨道电荷演化

轨道能隙（ΔE_g）计算表明，甲醇、石油醚、氯仿和水的ΔE_g分别为0.048 eV、0.040 eV、0.031 eV和0.026 eV，能隙较小有利于电子转移和氧化反应。

3.8. 电荷密度演化

电荷密度分析显示，甲醇、石油醚、氯仿和水的电荷密度分别为0.067 e^?/?³、0.051 e^?/?³、0.043 e^?/?³和0.035 e^?/?³，高电荷密度有助于氧化过程中的电子交换。

3.9. 环境污染物去除

实验表明，叶提取物（3 g/L）对MB和RHB的去除率分别为55.67%和42.31%，去除过程符合伪一级动力学模型，速率常数k分别为0.013/min和0.009/min。pH保持在6.7-6.9的中性范围，提取物可重复使用5次。

3.10. MB中间产物分析

HPLC-MS检测到MB降解产生的中间产物，如C₈H₁₅N₂O₄S（236.08 m/z）、C₈H₁₄NO₃（173.10 m/z）等，证实氧化反应成功分解染料分子。

3.11. RHB中间产物分析

类似地，RHB降解产生C₈H₉NO₂（152.07 m/z）、C₈H₉O₄（170.06 m/z）等中间产物，进一步验证了氧化机制。

3.12. 污染物去除机制

酚类化合物通过释放活性氧（ROS）和活性氮（RNS）物种，与污染物发生电子交换氧化反应，生成无害中间产物，实现污染物的去除和细菌抑制。

3.13. 细菌抑制评估

提取物对E. coli、S. aureus、P. aeruginosa和B. subtilis的抑制率最高达99.140%（甲醇提取物），菌落形成单位（CFU/mL）显著降低，表明强效抗菌活性。

3.14. DPPH清除活性

DPPH assays显示，叶和茎提取物在甲醇中的自由基清除活性最高（88.751%），证实其抗氧化潜力。

3.15.-3.18. 细菌抑制机制

SEM观察显示，提取物处理后的细菌细胞膜和DNA受损，电荷密度（如0.067 e^?/?³）引发的氧化反应是主要抑制机制。

研究结论表明，Barleria cristata提取物中的酚类化合物通过催化生化氧化过程，有效去除环境污染物并抑制细菌生长，甲醇和石油醚提取物表现最佳。该研究为开发低成本、可持续的水处理技术提供了重要依据，有助于推动植物修复技术在环境治理中的应用。讨论部分强调，酚类化合物的氧化特性及其与污染物的电子交换机制是核心优势，未来可进一步优化提取工艺和扩大应用范围。