《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Biodecolorization of textile dye using novel bacterial, film-based, and immobilized nanofiber systems for environmental wastewater treatment: a comparative study
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本研究比较了Bacillus cereus SH2菌株、PHB/MWCNT-COOH薄膜及电纺PHB/PLA纳米纤维（固定细菌）对甲基蓝染料的脱色效率。实验表明，纳米纤维系统脱色率最高（93.71%），其次为薄膜系统（88.58%）和游离细菌（69.05%）。吸附遵循Freundlich等温模型和二级动力学，过程自发且吸热，材料表征显示纳米纤维结晶度降低。该研究为生物-聚合物复合系统在废水处理中的应用提供了理论依据。
Zahra Shahi|Mohammad Khajeh Mehrizi|Maryam Sadat Mirbagheri Firoozabad|Shahid Adeel
伊朗亚兹德大学纺织工程系，邮政信箱：89195-741，亚兹德
摘要
纺织工业废水通常含有有害染料，如亚甲蓝（MB），这些染料可能引发癌症和基因突变等风险。本研究比较评估了三种系统对亚甲蓝的脱色效果：(i) 我们之前从纺织废水中分离出的Bacillus cereus SH2 OR635439；(ii) 在我们之前的研究中合成的羧基多壁碳纳米管（MWCNT-COOH）和聚羟基丁酸酯（PHB）薄膜；(iii) 搭载固定化细菌（SH2）的电纺PHB/聚乳酸（PLA）纳米纤维。研究了时间、染料浓度和pH值对脱色过程的影响，并进行了等温线、动力学和热力学分析。通过FTIR和SEM分析探讨了分子相互作用和表面形态。结果表明，搭载固定化细菌的PHB/PLA纳米纤维的脱色效率最高（93.71%），其次是PHB/MWCNT-COOH薄膜（88.58%），最后是分离出的细菌（69.05%）。吸附过程遵循Freundlich等温线和二级动力学规律，且为自发吸热反应。XRD分析显示，细菌固定化后纳米纤维的衍射强度和结晶度有所下降。本研究的创新之处在于直接比较了生物系统、聚合物系统和混合系统，证明了混合纳米结构聚合物-细菌系统在去除亚甲蓝方面的优越性。这些发现强调了将微生物活性与聚合物载体结合用于可持续废水处理和生物基防污织物的潜力。
引言
环境污染是一个全球性的严重问题，尤其是在发展中国家[1]。纺织工业是全球重要的经济支柱，也是污染的主要来源之一，尤其是在中国和南非等国家[2]。纺织废水中含有多种有害成分，包括酸和碱等化学物质，这些物质会导致pH值失衡。此外，废水中还含有在各种纺织加工过程中添加的洗涤剂。纺织废水中特别值得关注的是有毒有机化合物的存在。这些有害有机物质通常是有意加入纺织制造过程中的，其主要目的是提高染料在纺织纤维上的吸附效率[3]。市场上共有超过10万种染料，年产量超过70万吨[4]。在染色过程中，部分染料无法固定在织物上，最终会随废水排出，对水生生物造成危害并对人类健康构成威胁。合成染料的排放会通过增加毒性、降低光照穿透率和阻碍光合作用来污染自然水体，从而造成严重的生态破坏[2]、[5]、[6]。亚甲蓝被广泛应用于纺织、塑料、皮革、化妆品和食品行业[1]、[7]。由于其毒性，亚甲蓝对健康构成潜在威胁，接触该染料会增加患癌症的风险。此外，这种染料还可能引发一系列不愉快且可能有害的皮肤问题[8]、[9]。近年来，出现了多种先进的废水处理技术，包括物理、化学和生物方法，如电凝聚、过滤、絮凝和反渗透[5]、[6]、[10]、[11]。然而，这些方法的应用受到诸多限制，主要原因是运营成本高昂，在许多情况下经济可行性较低。此外，产生的污泥需要进一步处理和处置，增加了处理的复杂性和成本。最后，这些过程所需的时间较长，尤其是在需要更快替代方案的情况下[1]、[12]。与其他许多处理方法不同，吸附法具有高效性和有效性，操作简单、成本低廉、原材料易获取且回收方便[11]。其能够针对多种污染物进行有效去除，使其成为众多工业应用中的宝贵工具[7]、[13]。最近，由于生物聚合物及其衍生物具有高表面积、物理化学稳定性和丰富的微孔及介孔结构，在纳米尺度上得到了广泛应用[14]。有研究表明，由多种微生物（约300种菌株）产生的聚羟基烷酸酯（PHAs）因其疏水性特性能够有效吸附纺织废水中的染料[15]、[16]。在氮、磷和氧浓度较低且碳过剩的条件下，某些微生物会产生PHAs。由于其优异的生物降解性和生物相容性，PHAs已成为具有前景的生物材料[17]、[18]、[19]、[20]。Villabona-Ortíz等人的研究开发了一种由椰子中果皮提取的醋酸纤维素（CA）和PHB制成的复合材料，用于废水处理。在亚甲蓝浓度为40 ppm、吸附剂用量为10 mg的情况下，该材料的吸附效率达到了89%，吸附容量为35.98 mg/g[11]。Gu等人（2016年）研究了PHB、PHB/海藻酸钙（CaAlg）和PHB/CaAlg/羧基化多壁碳纳米管（CMWCNT）复合纳米纤维膜对亮蓝染料的吸附性能，发现所有膜的吸附过程均符合Freundlich等温线，表现出强烈的吸附亲和力，其中PHB-CaAlg/CMWCNT的吸附能力最强[21]。Nicosia等人的研究表明，功能化的电纺PLA/PHB纳米纤维具有有效的过滤和抗菌性能，突显了功能化生物聚合物纳米纤维在去除水或空气中有害物质方面的潜力。该研究还表明，PLA与PHB的结合适用于生产可生物降解的过滤器，为开发环保产品提供了可能[22]。研究重点在于利用细菌、藻类、真菌以及各种农业和工业废弃物制备经济高效且可持续的吸附剂[11]。生物方法相比物理和化学方法具有优势，产生的污泥较少，所需化学试剂较少，成本更低，对环境友好，并通过微生物代谢产生无毒副产品。细菌、藻类和真菌等生物系统主要通过吸附和降解两种机制去除染料[23]。Kilany等人分离出土壤细菌并评估了其去除亚甲蓝的能力，在pH 5、温度30°C、亚甲蓝浓度为5 mg/l的条件下，经过24小时后，S. maltophilia的脱色效率达到61.3%[24]。细菌、真菌和藻类能够高效去除多种染料。与藻类和真菌相比，细菌更易于培养，生长速度更快，并能在广泛的外部条件下积累污染物[25]。然而，直接将细菌细胞应用于废水处理可能存在细胞损失、对环境条件敏感以及生物质回收困难等问题。将细菌细胞固定在一个合适的基质中可以克服这些限制，提供保护、提高稳定性，并无需单独的培养基，便于重复使用[26]。电纺纳米纤维具有很高的表面积和纳米级孔隙率，使其成为环境领域过滤或膜应用的理想候选材料。将电纺纳米纤维与微生物结合使用可以增强其过滤/净化性能。与悬浮的自由细胞相比，这种固定化方法更具优势。此外，纳米纤维结构有助于微生物生物膜的形成，从而提高生物脱色/降解过程的效率[25]。大多数研究分别探讨了细菌降解或聚合物吸附剂的作用，缺乏直接比较。本研究的创新之处在于同时评估了细菌系统、PHB/MWCNT-COOH薄膜以及搭载固定化细菌的PHB/PLA纳米纤维对亚甲蓝的去除效果。通过添加PLA和MWCNT-COOH到聚合物基质中，提高了染料吸附效率。因此，本研究旨在提供比较分析，揭示混合生物-聚合物平台在可持续染料处理方面的潜力。还对所有系统进行了Langmuir和Freundlich等温线、一级和二级动力学以及热力学分析，以更好地理解它们的亚甲蓝去除机制。
材料表征
MWCNTs-COOH（直径：20–30 nm）由US Research Nanomaterials, Inc.提供。溶剂使用氯仿和二甲基甲酰胺（DMF，Merck，纯度99%）。亚甲蓝（C16H18N3SCl）购自Alvan Sabet Co（伊朗），分子量为319.85 g/mol，最大粒径为644 nm。PLA颗粒购自中国的HISUN Co，其D含量低于2%。营养肉汤（NB；Merk）用于接种液的制备。
固定化Bacillus cereus SH2菌株在纳米纤维上的存活性
细菌固定化主要通过两种方法实现：附着和封装。在附着方法中，细菌细胞通过较弱的共价作用附着在纳米纤维表面，这种弱结合可能导致细菌在操作过程中从纳米纤维上脱落。而封装技术则将细菌细胞包裹在纳米纤维基质内，从而提高细菌的耐久性和长期稳定性。
结论
本研究使用Bacillus cereus SH2、PHB/MWCNT薄膜以及搭载固定化细菌的PHB/PLA纳米纤维成功去除了有害染料亚甲蓝。其中，搭载固定化细菌的PHB/PLA纳米纤维的去除效率最高（93.71%），这体现了可生物降解聚合物与微生物活性的协同效应。该过程遵循Freundlich等温线和二级动力学规律，为自发吸热反应。
作者贡献
Zahra Shahi负责研究设计、实验实施和数据分析，撰写了论文。Mohammad Khajeh Mehrizi负责研究构思和设计以及数据分析。Maryam Sadat Mirbagheri Firoozabad负责研究设计、实验实施和数据分析。Shahid Adeel参与了实验审查和设计。所有作者均阅读并审阅了最终稿件。
利益冲突
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
CRediT作者贡献声明
Zahra Shahi：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学研究、数据分析。Mohammad Khajeh Mehrizi：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、概念设计。Maryam Sadat Mirbagheri Firoozabad：撰写 – 审稿与编辑、监督。Shahid Adeel：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、概念设计。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
