利用斜生栅藻生物降解亚甲基蓝的多模式机制研究：吸收光谱、荧光与方波伏安法的综合应用

本刊推荐：针对工业染料废水污染难题，研究人员开展斜生栅藻（Tetradesmus obliquus）降解亚甲基蓝（MB）的多模式机制研究。通过吸收光谱、荧光光谱和方波伏安法（SWV）监测，证实该藻株可在9天内完全降解2-8 mg/L MB，最高浓度（24 mg/L）降解率达88.56%。藻株通过吸附作用与胞外活性氧（如·O2-和H2O2）将MB分解为CO2、NO2和H2O，同时促进自身生长。该研究为纺织废水处理提供了一种经济高效的生物修复策略。

　　

随着全球淡水资源的日益紧缺，水体污染问题愈发引起关注，其中化学污染物特别是工业染料废水对水生生态系统和人类健康构成严重威胁。每年全球工业染料产量高达70万吨，这些合成染料具有环境持久性、生物累积性，且可能携带毒性、致癌性和致突变性。亚甲基蓝（Methylene blue, MB）作为一种典型染料，因其化学稳定性强、难生物降解，对水体生物和人类健康造成显著风险。传统处理方法如吸附、光解和电化学过程存在成本高、效率低及二次污染等问题，亟需开发经济高效且环境友好的替代方案。

在此背景下，微生物降解技术因其成本低、操作简便且降解产物无毒等特点受到广泛关注。近期发表于《Scientific Reports》的一项研究，由埃及Kafrelsheikh大学的Merehan A. Tellah等学者合作完成，系统探讨了淡水绿藻斜生栅藻（Tetradesmus obliquus）对MB的生物降解机制，并综合运用吸收光谱、荧光光谱和方波伏安法（Square wave voltammetry, SWV）等多种分析技术，为染料废水处理提供了新的见解和方法。

本研究主要采用以下技术方法：首先培养斜生栅藻于Bold Basal培养基，接种于含不同浓度MB（2–24 mg/L）的废水中，利用分光光度计监测藻体生长（OD₆₈₀）及MB降解（吸收峰664 nm）；通过SWV在碳糊电极（Carbon paste electrode, CPE）上检测MB浓度变化，优化参数为频率10 Hz、电位步长10 mV、振幅25 mV；利用荧光光谱仪分析藻体与MB相互作用下的发射光谱变化；所有实验均以真实纺织废水（含MB、偶氮染料及NaCl添加剂）为样本进行验证。

吸收光谱分析结果

通过监测400–700 nm吸收光谱，发现斜生栅藻对MB具有显著降解能力。低浓度MB（2–4 mg/L）在6天内近乎完全降解，8 mg/L MB在9天内完全降解，而高浓度组（16–24 mg/L）在14天内降解率可达88.56%–89.55%。吸收峰强度随培养时间逐渐下降，表明藻体通过生物吸附和酶促反应分解染料分子。

方波伏安法检测结果

SWV分析显示，MB在CPE上于-0.273 V（vs. Ag/AgCl）出现明显阴极峰，电流强度与MB浓度（0.05–40 mg/L）呈线性关系（i_p(μA)=1.1697 C±0.056(mg/L)+0.0572±0.005, r²=0.9977）。培养9天后，MB峰值电流显著降低，0.2 mg/L MB完全降解，高浓度组降解效率与光谱结果一致，证实SWV可用于快速、灵敏监测降解过程。

荧光光谱分析结果

纯斜生栅藻在686 nm处显示荧光发射峰（强度8222），加入MB后发射峰红移至690 nm且强度降至644，表明MB与藻体色素（如叶绿素a）发生相互作用，淬灭荧光。随着藻体生物量增加，发射峰蓝移且强度逐渐恢复，证明藻体适应染料环境并参与降解过程。

藻体生长动力学

斜生栅藻在纯培养基中生长最快（OD₆₈₀峰值1.65），低浓度MB（2–8 mg/L）初期抑制生长，但后期生物量显著增加（OD₆₈₀达2.2–2.33），高浓度MB（20–24 mg/L）则延长滞后期，最终生物量较低（OD₆₈₀约0.5）。表明藻体通过适应性代谢实现染料降解与生长协同。

实际废水处理应用

研究成功处理含MB（9.73 mg/L）和偶氮染料的真实纺织废水，SWV检测显示9天后MB浓度降至1.161 mg/L，降解效率88.07%，同时偶氮染料还原峰（-0.544 V）电流减弱，证明斜生栅藻对复杂污染物具广谱降解能力。

综合讨论与结论，本研究提出斜生栅藻降解MB的机制模型：首先通过静电吸附作用将MB富集于藻细胞表面；随后藻体产生胞外超氧化物（·O₂^-）和过氧化氢（H₂O₂）等活性氧，催化MB裂解为CO₂、NO₂和H₂O；最终在光协同作用下进一步矿化染料分子。该过程符合Monod动力学模型，藻体生长与降解效率正相关。

本研究的意义在于：首次整合多模式分析技术（吸收光谱、SWV、荧光光谱）实时监测MB生物降解过程，揭示斜生栅藻通过吸附-酶促-光降解协同路径高效净化染料废水，且藻体生物量同步提升，兼具环境修复与资源化潜力。该策略为工业废水处理提供了低成本、高效益的绿色解决方案，对推动可持续环境治理具有重要实践价值。