利用果皮绿色合成用于灰水处理的生态酶：一种生物资源创新

《Bioresource Technology Reports》：Green synthesis of eco-enzymes from fruit peels for greywater treatment: A bioresource innovation

　　Viorenda T. Wijaya|Yeap Swee Pin|Lim Lai Huat|Zeinab A. Jawad|Phang Siew Moi|Teo Swee Sen
马来西亚吉隆坡雪兰莪州Cheras区UCSI Heights，Menara Gading路1号，UCSI大学应用科学学院，邮编56000

摘要
本文介绍了一种利用水果皮废弃物中的生态酶来实现可持续灰水处理的创新方法。在为期28天的批量实验中，研究了香蕉、橙子以及香蕉与橙子混合来源的生态酶的物理化学变化情况，以及其对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的抗菌效果。实验结果显示，钾含量和电导率上升，表明生态酶释放了离子，而钙、钠含量及pH值则无显著变化。在10%和20%的香蕉处理组以及10%的香蕉橙子混合处理组中，硝酸盐浓度在1周内从约80毫克/升降至约50毫克/升，降幅约为37.5%，这说明该生态酶具有选择性去除营养物质的能力。不过，对于这两种细菌，其抗菌效果较为有限。总体而言，生态酶为灰水管理提供了一种低成本、循环型的解决方案，虽然其广谱处理效果有限，但在降低硝酸盐浓度方面具有潜力。

引言
每年有三分之一的食品被浪费，总量超过10亿吨，这一现象使得食物浪费成为全球性的严重问题。这些浪费源自消费者、餐饮服务提供者和零售商，不仅降低了食品的质量，还减少了食品的供应量。食物浪费可分为可食用部分和不可食用部分，后者如水果皮通常不会被食用（Balazs, 2022；联合国粮食及农业组织，2019；联合国环境规划署，2021）。

在过去25年里，水果皮废弃物的数量大幅增加，这主要是由于人们对包装食品、预加工食品以及即食食品的需求不断上升，这类食品目前占所有产品废弃物的25%至30%。如果将它们随意填埋，会对环境造成负面影响，比如会产生甲烷，加剧温室气体排放。此外，水果皮中含有大量水分，容易产生渗滤液，进而使土壤和地下水受到营养物质及有机化合物的污染（Enniya和Jourani，2017；Malik等人，2024）。水果皮还可以被创意性地用于制作各种食谱或家用护肤品，家庭堆肥也是一种处理方式。通过科学发明，水果皮在微生物培养基、可食用薄膜、生物吸附剂、水净化用高效吸附剂以及通过发酵产生的生态酶等方面的应用也得到了进一步拓展，这些生态酶可用于水净化、植物施肥和家庭清洁等领域（Kumar和Praveena，2023；Mallampati等人，2015；Mendiola，2020；Nasirifar等人，2018；Nurdin等人，2022；Siddiqui等人，2014；Thi等人，2025）。

水资源短缺与食物浪费一样，也是亟需解决的环保问题。由于淡水供应不足、需求不断增加以及水体质量下降，湖泊、河流和地下含水层等重要水资源正面临巨大压力。世界人口的持续增长、工业和农业领域的扩张以及气候变化导致的降水模式紊乱和气温上升，进一步加剧了这一状况，威胁着生态系统和人类的用水安全（联合国环境规划署，2024）。因此，必须解决水污染问题，而废水处理是一种可行的解决方案。先前的研究表明，水果皮生态酶可用于处理灰水。灰水指的是来自水槽、浴缸和洗衣机的可回收生活污水。未经处理的灰水即使用于家庭灌溉或冲厕，也会对环境造成危害。它可能携带病毒和其他有害细菌，还会导致毒素和致癌物质在海洋食物链中积累，从而危害人类健康（世界自然基金会，2020）。

传统的灰水处理方法，包括物理化学处理和高级过滤系统，已显示出对生化需氧量、表面活性剂等污染物的高效去除能力。近年来出现的现场处理系统，其表面活性剂去除效率可达90%，生化需氧量去除效率则在27%至100%之间。然而，这类系统往往能耗高、运营成本高且技术复杂，因此在资源匮乏的地区难以广泛应用。正因如此，人们越来越关注那些低成本、基于生物技术的可持续替代方案，这类方案有助于实现废物资源化利用，符合循环经济理念（Sami等人，2024）。

将水果皮、蔬菜皮等有机废物与糖和水一起进行厌氧发酵，可以产生生态酶——这是一种富含有机酸、酶类和微生物代谢物的生物活性混合物，具有催化和抗菌功能。生态酶作为一种新兴的生物处理方法，在废水处理领域展现出巨大潜力。它不仅有助于废水处理，还能实现有机废物的资源化利用，符合可持续资源回收的理念。由废物制成的材料可以作为传统产品的廉价、可持续替代品，既降低了经济成本和环境负担，又不会影响使用效果。最新研究显示，生态酶可通过多种途径提升灰水质量，比如分解有机污染物、降低化学需氧量以及抑制微生物污染。例如，已有研究表明，生态酶能够降低水系中的化学需氧量，但其效果会受到pH值和浓度等因素的影响（Yustiani等人，2023）。此外，经过发酵的水果皮和蔬菜皮生物废物中还含有多种微生物群落，主要是酵母菌和细菌，如酿酒酵母、枯草芽孢杆菌和白色念珠菌。这些微生物群落有助于产生生态酶，通过分解有机物和去除营养物质来提升废水处理的效率（Leong等人，2023）。

在灰水处理中，当在好氧条件下以约10%的浓度使用生态酶时，经过长达15天的接触时间后，灰水即可达到排放标准（Nurdin等人，2022）。这些结果表明，尽管生态酶的效果受多种因素影响，但若将其纳入人工湿地或耦合生物处理等混合系统中，利用协同效应提升污染物去除效率，其效果便可得到改善。总体而言，这些研究证明了生态酶作为多功能生物催化剂的作用，它们不仅能提升物理化学处理和生物处理的效率，还凸显出优化操作参数对于获得可靠、可规模化处理效果的必要性（Rahman和Mas'ada，2025）。

在之前一项利用生态酶处理灰水的研究（Nazim和Meera，2013）基础上，本研究对生态酶的效能进行了更为系统、全面的评估，重点关注整体污染物的去除情况。本研究探讨了10%、20%和30%不同浓度的生态酶对灰水处理效果的影响，从而更深入地了解剂量与处理效果之间的关系。此外，本研究还通过检测生态酶对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抗菌作用，进一步丰富了现有知识，同时也揭示了物理化学处理方法的效能以及生态酶的消毒潜力。同时，本研究还将处理效果与pH值、离子组成等关键水质指标联系起来，从而更全面地评估灰水是否适合再利用，而不仅仅依赖传统的宏观指标。总体而言，这种综合分析方法提升了人们对生态酶活性的认识，有助于开发出更高效、标准化且更具实用价值的生物基灰水处理方法。

本研究选取的参数对于评估灰水质量，尤其是其再利用潜力具有重要意义。钠、钾、钙和硝酸盐是灰水中溶解无机离子混合物的常见成分，这些成分主要来自家庭活动、清洁产品和洗涤剂（Mohammed和Arunkumar，2023）。电导率能够反映灰水的整体质量以及处理后的污染物去除效率，因此常被用作总溶解固体和离子强度的综合指标（Adjei-Nimoh等人，2026）。pH值则直接影响化学稳定性、微生物活性以及酶促反应，同时也是判断水质是否达标的重要依据（Samayamanthula等人，2019）。由于洗涤剂的使用会导致钠和钾含量升高，而高浓度的钠在灰水被用于灌溉时可能会损害土壤结构和渗透性，因此将这些指标纳入评估范围十分必要（Radingoana等人，2020）。钙含量则决定了水的硬度以及结垢的可能性，这会影响处理流程和灰水的再利用效果。另一方面，硝酸盐则是反映氮含量及其在处理过程中转化情况的重要指标，过高浓度会导致水体富营养化及其他环境问题。综上所述，这些指标共同构成了对灰水性质和处理效果全面、可靠的评估体系，有助于判断其是否符合可持续再利用的标准，这与现有的灰水质量评估方法相契合（Mohan等人，2024）。

本研究旨在评估源自水果皮的生态酶作为长期灰水处理方法的潜力。具体而言，研究了由香蕉、橙子以及香蕉橙子混合材料制成的生态酶如何通过降低关键污染指标来提升灰水质量。此外，本研究还通过液体培养基检测了这些生态酶的抗菌性能，以评估其抑制微生物生长、保障灰水卫生安全的能力。期望这些研究成果能够推动低成本、环保型废水处理方法的发展，同时促进不可食用水果废物的资源化利用。

材料与方法
本研究使用的是卡文迪什香蕉（Musa sp.）和瓦伦西亚橙子（Citrus sp.）的果皮，这些果皮分别单独使用或混合使用，由此产生了三种类型的生态酶：香蕉生态酶、橙子生态酶以及香蕉橙子混合生态酶。这些果皮与红糖和水按3:1:10的比例混合，然后放入密封瓶中，留出约20%–30%的空气空间，进行为期三个月的发酵。发酵过程在阴凉、黑暗的房间里进行。

生态酶对pH值的影响
如图1所示，本研究发现的处理后的灰水pH值处于相对中性的范围，即在6–7.5之间。大量研究表明，利用生态酶进行发酵会生成有机酸，从而降低pH值，而pH值是废水处理中的关键因素。此前利用橙子皮、金盏花皮和菠萝皮制成的生态酶，也成功地将灰水的pH值从中性降低到酸性范围（pH 3–5）。

结论
本研究探讨了水果皮生态酶作为灰水处理可持续解决方案的潜力，分析了其抗菌特性，并评估了其商业应用价值。通过为期三个月的发酵过程，成功从香蕉皮和橙子皮中制备出了生态酶。虽然灰水处理的结果存在差异，但pH值、钠离子和钙离子并未出现统计学意义上的显著下降，这与活性炭对照组的处理效果有所不同，这一现象表明……

作者贡献声明
Viorenda T. Wijaya：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，方法学，正式分析，数据整理，概念构建。
Yeap Swee Pin：写作——审稿与编辑，监督工作。
Lim Lai Huat：写作——审稿与编辑，方法学。
Zeinab A. Jawad：写作——审稿与编辑。
Phang Siew Moi：写作——审稿与编辑，监督工作。
Teo Swee Sen：写作——审稿与编辑，监督工作，资金获取，概念构建。

资金声明
本研究得到了马来西亚UCSI大学“研究卓越与创新基金”的支持（基金编号：REIG-FAS-2024/009）。

未引用参考文献
美国环境保护署，2013年
Wijaya和Teo，2019年

利益冲突声明
作者声明在本文研究过程中不存在任何利益冲突。

致谢
作者衷心感谢马来西亚UCSI大学的“研究卓越与创新基金”[REIG-FAS-2024/009]的支持。