利用过氧化物酶/壳聚糖基酶辅助絮凝技术实现偶氮染料的高效生物降解和脱色

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Efficient Biodegradation and Decolorization of Azo Dyes Using Peroxidase /Chitosan-Based Enzyme-Assisted Coagulationsss

本研究提出一种新型酶辅助凝聚（EAC）系统，用于高效、低碳的偶氮染料废水处理。该系统结合HRP的氧化作用与壳聚糖的絮凝功能，在常温下实现三种染料（Allura Red、Eriochrome Black、Sunset Yellow）98%以上的脱色效率。光谱和色谱分析证实了染料的降解及副产物稳定。壳聚糖的双重机制（吸附-稳定）与HRP协同，提供了环保的废水处理方案。

　　

白娜元|李信熙

韩国大邱庆北国立大学服装与纺织系，41566

摘要

本研究提出了一种新型的酶辅助凝固（EAC）系统，作为一种低碳、无能耗的策略，用于高效处理纺织废水中的偶氮染料。该系统将酶氧化与基于天然聚合物的凝固过程相结合，在无需外部能源输入的温和条件下有效运行。以辣根过氧化物酶（HRP）和壳聚糖作为模型成分，该系统应用于三种代表性的偶氮染料——Allura Red、Eriochrome Black和Sunset Yellow——脱色效率超过98%。通过紫外-可见光谱（UV–Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、高效液相色谱（HPLC）和气相色谱-质谱（GC–MS）等分析技术，证实了染料的有效降解以及副产物的稳定聚集。EAC机制利用了壳聚糖的双重功能：最初作为吸附剂和絮凝剂来提高酶的利用率，随后作为稳定基质固定并促进降解产物的去除。HRP与壳聚糖之间的这种协同作用提供了一种高效、可生物降解且环保的可持续染料废水处理方法。

引言

自工业革命以来，纺织业一直是全球经济发展的关键驱动力；然而，它也成为环境退化的主要贡献者之一。与涂料行业一样，纺织业是向水生生态系统排放染料和颜料的主要来源，每年释放约7.5公吨染料[1]。这些纺织染料通过增加生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）来损害水生环境的视觉和生态质量，从而破坏光合作用并抑制植物生长。此外，染料可能在食物链中积累，导致环境持久性问题，并带来毒性、致突变性和致癌性等严重风险[2]。

偶氮染料是纺织工业中使用最广泛的化学染料，占总染料消耗量的一半以上[3]。由于其广泛应用，大多数用于纺织制造的染料属于偶氮染料家族。这些染料主要通过重氮化和偶联反应合成，其中芳香族伯胺首先发生重氮化，然后与作为富电子亲核体的胺或酚反应[4]。在合成过程中，会引入芳香杂环、苯环或脂肪族基团等附加化学基团，以调整染料性能并实现特定的着色效果。从结构上看，偶氮染料包含可溶性基团、发色团和助色团，这些成分有助于与纺织基材形成共价键并提升其工业性能[5]。偶氮染料的一个显著特征是含有偶氮官能团（-N=N-），该官能团将两个相同的或不同的烷基或芳基自由基以对称或不对称的方式连接起来[6]。这些化合物因其化学稳定性及广泛的应用性而受到青睐；然而，它们的低生物降解性和高毒性对环境和健康构成严重威胁。由于持久性，偶氮染料会在生态系统中积累，导致长期污染，并可能对水生生物和人类健康产生不利影响。实验和流行病学研究表明，即使在亚致死浓度下，纺织偶氮染料也会对大型溞（Daphnia magna）和斑马鱼胚胎等水生生物诱发氧化应激、发育异常和基因毒性反应[7]、[8]、[9]。在人类中，偶氮染料及其还原裂解产物（如联苯胺等芳香胺）与皮肤敏感化、致突变性和癌症风险增加有关[10]。

偶氮染料因其发色团和助色团的存在而呈现可见颜色。通常，染料降解的目标是断裂发色团内的双键；然而，偶氮染料顽固难除，仅靠传统的废水处理方法无法完全降解[11]。偶氮染料的降解方法一般分为物理方法、生物降解和化学过程——后者通常称为高级氧化过程（AOPs）[12]。其中，芬顿反应（Fenton reactions）、光催化和臭氧氧化等AOPs在降解偶氮染料方面已被广泛研究。尽管这些技术具有快速高效的降解效果，但它们伴随着较高的运行成本和潜在的有毒副产物生成[12]。

尽管通过物理、生物和化学方法对偶氮染料的降解进行了大量研究，但每种方法都存在固有的技术局限性。例如，吸附和凝固过程在处理阴离子类染料（如反应性和酸性偶氮染料）时受到限制[13]，而生物降解方法往往无法完全矿化结构稳定的染料（包括直接型和分散型偶氮染料）[14]、[15]。此外，化学处理方法成本高昂且可能产生有毒副产物；例如，偶氮染料的不完全化学氧化常常会产生芳香胺、酚类衍生物和其他部分氧化中间体，其中许多物质的毒性、致突变性或致癌性高于原始染料分子，并可能残留在处理后的废水中[16]。与此同时，纺织工业废水的环境负担持续加重，迫切需要环境可持续的处理技术。特别是结合高效率和低能耗的处理工艺已成为关键的研究重点。针对这些挑战，本研究旨在开发一种基于酶辅助凝固（EAC）的新型染料去除策略，整合物理和生物处理方法。

Gholami-Borujeni及其团队报告称，辣根过氧化物酶（HRP）成功去除了大约80%的Acid Blue 25，使用大型溞（Daphnia magna）进行的毒性评估表明HRP处理后毒性有所降低[17]。此外，多项研究探讨了使用氧化酶或能够产生这些酶的微生物来降解偶氮染料[18]、[19]、[20]。他们的研究结果表明，将氧化酶介导的生物降解与物理染料去除方法（如凝固）相结合，可以显著提高整体处理效率。氧化酶能降解染料分子，使其更易于被凝固。EAC的基本机制可以总结如下：（1）氧化酶对染料分子进行化学修饰；（2）这些修饰增强了染料与絮凝剂之间的相互作用，促进其聚集、沉淀和后续去除。尽管直接应用EAC进行染料去除的研究有限，但之前关于酶和细菌介导的染料生物降解[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]，以及针对各种物理染料去除絮凝剂的研究[25]、[26]、[27]、[28]为推进EAC作为创新染料废水处理技术提供了宝贵见解。

本研究的主要目标是在室温下进行所有操作，以最小化能源消耗。为此，使用天然生物聚合物壳聚糖（CS）作为絮凝剂来增强染料吸附，同时使用HRP作为氧化酶来促进染料降解。

材料

Sunset Yellow FCF（SY，C₁₆H₁₀N₂Na₂O₇S₂，MW = 452.37 g/mol）、Allura Red AC（AR，C₁₈H₁₄N₂Na₂O₈S₂，MW = 496.42 g/mol）、Eriochrome Black T（EB，C₂₀H₁₂N₃NaO₇S，MW = 461.38 g/mol）、HRP（EC 1.11.1.7，酶活性≥300 U/mg）和脱乙酰度为95%的壳聚糖（CS，MW ≤ 1500 Da）均购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国）。实验和分析中使用的其他所有试剂均为分析级或更高级别。

三种染料降解工艺

研究了SY FCF在三种不同条件下的降解情况

染料脱色的紫外-可见光谱分析

通过紫外-可见光谱分析在250–700 nm波长范围内评估了SY、EB和AR的脱色情况。在不同处理条件下（HRP处理a）、CS处理b以及HRP/CS联合处理c）记录了吸光度谱，以评估三种染料的降解效率。SY的特征最大吸光波长为481 nm，EB为555 nm，AR为510 nm。

在紫外-可见光谱中

结论

本研究通过使用HRP和壳聚糖的新型EAC系统，有效降解了偶氮染料SY以及其他结构不同的合成染料EB和AR。HRP与壳聚糖的结合表现出显著的协同效应，在室温条件下处理15天后，所有测试染料的脱色效率均超过98%。

包括紫外-可见光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、高效液相色谱（HPLC）和气相色谱-质谱（GC-MS）在内的综合光谱分析证实了染料的多步骤降解过程

资助

本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府MIST提供，项目编号RS-2023-00270711）

CRediT作者贡献声明

白娜元：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据可视化，项目管理，研究调查，资金获取。李信熙：监督，研究调查，资金获取，数据管理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：李信熙报告称获得了庆北国立大学的资金支持。白娜元报告与韩国国家研究基金会有资金支持的关系。如果还有其他作者，他们声明没有已知的其他利益冲突。