绿色咖啡辅助的银纳米粒子生物制造：针对制革废水中重金属去除及抗菌应用的工艺优化

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Green Coffee-Mediated Biofabrication of silver Nanoparticles: Process optimization for heavy metal removal coupled antimicrobial applications in tannery wastewater

绿色合成银纳米颗粒去除重金属及抗菌研究。使用咖啡豆提取物作为还原剂和稳定剂，合成的Ag/g-Coffee纳米颗粒对Cr(VI)和Mn(II)的吸附容量达79和85 mg/g，抗菌活性显著，再生能力优异，在制革废水处理中去除效率达98%。

　　

马尔瓦·E·埃尔-塞西（Marwa E. El-Sesy）| 萨巴赫·S·易卜拉欣（Sabah S. Ibrahim）| 谢琳·肖伊布·优素福（Shereen Shoieb Yousif）| 赵亚东（Yadong Zhao）

埃及开罗卡卢比亚省埃尔-卡纳特（El-Kanater）国家水资源研究中心（NWRC）环境质量监测中心（CLEQM），邮政信箱13621/6

摘要

本文介绍了一种利用绿色咖啡（g-Coffee）豆提取物作为环保还原剂和稳定剂来合成银纳米颗粒（AgNPs）的方法。合成的Ag/g-Coffee纳米颗粒被用于去除水溶液中的Cr⁶⁺和Mn²⁺离子，并对其抗菌活性进行了评估。通过紫外-可见光谱（UV–Vis光谱）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和透射电子显微镜（TEM）对合成结果进行了验证。实验结果表明，Ag/g-Coffee纳米颗粒对Cr(VI)的吸附容量为79 mg/g，对Mn(II)的吸附容量为85 mg/g，这一结果通过能量色散X射线光谱（EDX）和元素分布图得到了进一步确认。吸附动力学数据符合伪二级动力学模型（R²值分别为0.999和0.989），并通过均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）和均方误差（MSE）进行了统计验证）。通过中心组合设计（Central Composite Design）优化技术确定，最佳条件为pH 6、吸附剂用量3 g/L、接触时间90分钟以及初始金属浓度100 mg/L。这些纳米颗粒对Yersinia enterocolitica MZ673567.1和Staphylococcus aureus PV910481表现出较高的抗菌活性，并且具有出色的再生能力，可连续使用四个循环。在实际制革废水处理应用中，Cr?⁺的去除效率达到了98%，Mn²⁺的去除效率达到了93%，同时Cu、Ni和Zn的含量也有所降低。本研究表明，生物合成的Ag/g-Coffee纳米颗粒在工业废水处理中作为高效、环保的污染物去除剂和抗菌剂具有巨大潜力。

引言

水体中重金属的污染对人类健康和环境构成了严重威胁。其中，锰（Mn）和铬（Cr）是备受关注的污染物（Kumar等人，2024年）。虽然锰是一种不可或缺的微量元素，参与多种生理反应（如酶反应），但其急性毒性可导致神经损伤、呼吸系统疾病等多种健康问题（Mawari等人，2022年）。特别是六价铬（Cr(VI)），是一种已知的致癌物质，与肺癌、皮肤溃疡和肾脏损伤等健康问题有关（Babuji等人，2023年）。自20世纪下半叶以来，快速的城市化和工业化导致工业废水中这些重金属的浓度急剧增加，迫切需要有效的治理技术（Roy等人，2024年）。传统的废水处理技术如膜过滤、离子交换和化学沉淀已被用于去除重金属，但这些技术存在去除效率低、运行成本高以及二次污染风险等问题（Pachwarya等人，2021年）。近年来，吸附技术作为一种经济高效的方法逐渐受到重视。

纳米技术的进步为吸附过程带来了新的途径。特别是由可再生材料制成的纳米颗粒，具有较大的表面积与体积比、较高的反应性和吸附能力（Sahu等人，2023年）。在众多纳米材料中，银氧化物（Ag₂O）因其双重功能而受到广泛关注：除了作为重金属离子的优良吸附剂外，还具有强大的抗菌活性。这种双重功能特别适用于废水处理，因为微生物污染通常与重金属污染同时存在（Patel等人，2024年）。

绿色咖啡提取物含有黄酮类、多酚类和生物碱类活性分子，既可作为还原剂也可作为稳定剂用于制备银氧化物。利用植物提取物制备纳米颗粒不仅减少了环境负担，还提高了纳米颗粒的稳定性和活性（Mahmoud等人，2021年；Mohamed等人，2023年）。绿色咖啡提取物中的植物化学物质有助于将银离子（Ag⁺还原为银纳米颗粒（Ag?），并稳定这些纳米颗粒。这些绿色合成的银纳米颗粒具有较大的表面积和强的结合能力，能够有效吸附Mn(II)和Cr(VI)等有毒离子（Bakhtiari等人，2024年）。研究表明，绿色合成的银氧化物对多种重金属的吸附效果优于传统方法。例如，它们对锰、铬、铜和铅离子的吸附效率超过了法定要求（Arsyad等人，2022年）。简单的吸附过程包括通过静电相互作用、化学键合和表面修饰形成金属离子-纳米氧化物复合物。这些吸附过程受pH值、温度和竞争离子的影响，可能显著影响吸附效果（Ahmed等人，2021年）。除了用于金属离子吸附外，银氧化物还具有强大的抗菌作用，可以同时消除废水中的金属污染和微生物危害。将银纳米颗粒应用于废水处理可有效改善水质，同时固定有毒金属离子和致病微生物（Ighalo等人，2022年）。在传统处理方法无法适用的情况下，这种方法具有重要意义，为多方面的污染问题提供了全面的解决方案。利用绿色咖啡合成银氧化物不仅促进了绿色修复技术的发展，也符合全球向绿色技术转型的趋势（Ahmad等人，2019年）。随着水污染和公共卫生问题的加剧，绿色合成方法和纳米技术的应用为环境保护带来了巨大潜力（Rahmah等人，2021年）。

本研究的创新之处在于利用绿色咖啡提取物通过绿色合成途径制备了具有双重功能的环保银纳米吸附剂，并系统评估了其在去除Mn(II)和Cr(VI)以及抗菌性能方面的表现。通过研究吸附机制和优化合成参数，本研究旨在确定这些绿色合成的纳米颗粒在去除受污染水体中的重金属方面的应用效果。通过这项研究，我们希望提供创新的解决方案，以应对严重的重金属污染问题，同时带来生态和公共卫生的多重益处。随着可持续环境实践的推广，绿色合成的银氧化物纳米颗粒的应用为实现更清洁的水资源和更健康的地球迈出了重要一步。

部分内容摘录

化学方法

银纳米颗粒的合成使用了硝酸银（AgNO3，Merck，纯度99.8%）、硼氢化钠（NaBH₄，Merck，纯度≥98%）、D(+)-葡萄糖一水合物（Fulka）和玉米糊精（Sigma-Aldrich，分析级）。绿色还原剂提取物是从埃及开罗市场购买的绿色咖啡豆中提取的。Amon Pharmaceuticals提供了抗生素，Sigma-Aldrich提供了营养培养基（HIMEDIA）和Mueller-Hinton琼脂（Biomaxima）。蒸馏水用于实验。

BET分析

Ag/g-Coffee纳米复合材料的氮吸附-脱附等温线（见补充图S1）被归类为IV型，具有H3滞后环，这与IUPAC对介孔材料的分类一致。这种介孔结构有利于快速离子交换，并确保Cr?⁺和Mn²⁺离子的吸附（Ibrahim等人，2022年）。根据表1中的数据，Ag/g-Coffee纳米复合材料表现出...

结论

工业废水中高浓度的有毒重金属（如Cr?⁺和Mn²⁺）对水生生态系统和人类健康构成严重威胁，因此有效去除这些金属是环境治理的关键任务。本研究采用绿色方法合成了银纳米颗粒（AgNPs），其中绿色咖啡提取物同时起到了还原剂和稳定剂的作用。Ag/g-Coffee纳米复合材料具有介孔结构和较大的表面积（82 m²/g）...

未引用参考文献

Angon等人，2024年；Kumar等人，2023年；Wei等人，2019年。

CRediT作者贡献声明

马尔瓦·E·埃尔-塞西（Marwa E. El-Sesy）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。 萨巴赫·S·易卜拉欣（Sabah S. Ibrahim）：初稿撰写、资源准备、数据分析、概念构建。 谢琳·肖伊布·优素福（Shereen Shoieb Yousif）：初稿撰写、资源准备、实验研究。 赵亚东（Yadong Zhao）：审稿与编辑、验证。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。