《Journal of Environmental Management》：RSM and ANN-driven optimization of Reactive Blue 221 biosorption by inactive
Aspergillus niger: Mass transfer mechanisms, pareto analysis, and a circular economy approach
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•黑曲霉生物量去除RB 221染料的最大容量为32.89 mg/g。•人工神经网络模型（R2 = 0.994）表现优于响应面法；剂量贡献了约90%的工艺变异。•FTIR、EDS和Boyd模型证实膜扩散为速率限制步骤。•焚烧用后真菌生物量为零废弃能源策略提供了可行途径。引言纺织
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黑曲霉生物量去除RB 221染料的最大容量为32.89 mg/g。
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人工神经网络模型（R2 = 0.994）表现优于响应面法；剂量贡献了约90%的工艺变异。
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FTIR、EDS和Boyd模型证实膜扩散为速率限制步骤。
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焚烧用后真菌生物量为零废弃能源策略提供了可行途径。
引言
纺织行业由于大量染整工序产生海量含染料废水。活性染料（如活性蓝221（RB 221））因其高得色率和优异固色性而被广泛用于纤维素纤维（Yagub等，2014；Lellis等，2019）。然而，其复杂的芳香族和磺化结构使其在水体环境中高度持久，且对常规生物降解具有较强抗性（Fu和Viraraghavan，2001）。将这些有色废水排放至受纳水体将限制光照穿透、干扰光合作用，并导致芳香胺等有毒且潜在致癌降解产物的形成（Lellis等，2019；Tkaczyk等，2020）。虽然物理化学方法可有效脱色这些废水，但高昂的运行成本和二次污泥的产生严重限制了其广泛应用，尤其在低成本处理系统中（Do?an等，2008）。
因此，生物吸附已成为去除染料的一种极具实用性和成本效益的替代方案（Gadd，2009；Michalak等，2013）。尽管某些微生物——特别是白腐真菌——能够通过木质素酶降解活性染料，但这类染料在很大程度上抵抗许多常见微生物菌株的酶促分解（Nigam等，1996；Zimmermann等，1982）。因此，为避免连续添加营养液的复杂性，并在有毒废水中维持运行稳定性，非活性微生物生物量通常优于活体培养物。热灭活消除了连续添加营养液的需求，并暴露细胞壁上的关键官能团，显著增加了可用于染料吸附的活性结合位点数量（Gadd，2009；Fomina和Gadd，2014；Pearce等，2003）。近期研究还展示了真菌生物催化剂在复杂工业废水中的应用，包括基于P. chrysosporium的生物修复和白腐真菌辅助连续处理系统（Serdar等，2024；Durmus等，2026）。
在真菌生物吸附剂中，黑曲霉因其强健的丝状菌丝网络而脱颖而出，便于处理后进行固液分离（Iscen等，2022）。更重要的是，黑曲霉在全球范围内被大规模培养用于工业柠檬酸和酶的生产。重新利用这种残余工业真菌生物量与循环经济原则高度契合。黑曲霉的细胞壁富含几丁质、壳聚糖和各种多糖。在弱酸性条件下，这些生物聚合物上的质子化氨基和羟基对RB 221等活性染料的带负电荷磺酸基团表现出强烈的静电亲和力和物理亲和力（Danouche等，2021；Aragaw和Bogale，2021）。
优化生物吸附需要平衡pH、用量、时间和温度等交互变量。响应面法（RSM）虽然为优化提供了强大的统计基础，但多项式模型有时难以捕捉高度非线性的吸附行为（Bezerra等，2008）。因此，人工神经网络（ANN）因能够克服这一局限并提高预测精度而受到关注（Karaman等，2022）。尽管建模有所进展，但许多实验室规模的研究仅停留在基本的平衡和实证动力学层面，往往无法清晰区分膜扩散和颗粒内扩散的相对贡献，也很少为中试规模设计提供定量见解，如百分比贡献分析（Witek-Krowiak等，2014）。此外，载染料生物量的终端处置常被忽视，留下了未解决的二次污染问题（Miyah等，2026）。
针对上述具体差距，本研究对使用非活性黑曲霉吸附RB 221进行了全面的、以机理为导向的评估。除传统的平衡建模和RSM优化外，我们整合了ANN方法以提高预测精度。此外，我们利用Boyd动力学模型结合Weber-Morris分析来评估传质阻力，并使用贡献分析量化操作变量的相对重要性，同时针对用尽的生物量考虑了一条概念性的废弃物转化为能源的途径，有待未来的热学验证和排放验证。使用合成染料溶液建立了基本的机理基线，避免了竞争性基质离子的干扰（Srinivasan和Viraraghavan，2010）。总体而言，本研究旨在验证黑曲霉作为纺织废水处理的潜在可扩展生物吸附剂的可行性，同时明确终端管理相关的验证需求。
各节摘要
化学品与染料表征
商业级活性蓝221（RB 221）购自土耳其马拉提亚当地一家纺织企业。使用蒸馏水配制1 g/L的母液，所有实验工作溶液均通过梯度稀释获得。使用0.1 N HCl或NaOH调节溶液的初始pH，并用Thermo Scientific Orion Star 4 pH计（Thermo Fisher Scientific，美国）持续监测。残余染料浓度测定如下：
pH的影响
溶液pH在生物吸附过程中至关重要，因为它同时决定了生物吸附剂的表面电荷和目标吸附物的电离状态（Jiang等，2024）。在恒定操作条件下（C0 = 100 mg/L，吸附剂用量 = 5.0 g/L，温度 = 30 °C），评估了初始pH在4.0至6.5范围内对黑曲霉去除RB 221的影响。
如图1所示，平衡生物吸附容量（qe）高度依赖于pH值。
结论
本研究成功确立了利用非活性黑曲霉生物量作为环保、低成本生物吸附剂修复水中活性蓝221（RB 221）的技术可行性和机理性路径。该生物吸附剂在最佳温度30 °C下表现出最大单层容量（qmax）为32.89 mg/g。动力学分析表明，吸附过程受准二级动力学和Elovich模型的有力支配，反映了
CRediT作者贡献声明
Gül?ad Uslu ?enel：初稿撰写、指导、正式分析、数据整理、概念构思。?znur ?zgül：验证、调查、经费获取、数据整理。Barbaros Durmu?：审阅与编辑、验证、软件、调查。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本论文所述工作的已知财务利益冲突或个人关系。
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