一种用于有毒刚果红偶氮染料菌剂修复的实验与计算结合方法及其脱色动力学研究

《Bioresource Technology Reports》：An integrated experimental and computational approach for mycoremediation of toxic Congo Red azo dye and its decolorization kinetic study

　　

摘要

大量有毒且难以降解的偶氮染料，如刚果红，对环境和健康构成严重威胁。虽然白腐真菌已被广泛用于染料去除研究，但较少被研究的子囊菌的脱色能力仍不甚清楚。因此，本研究通过实验、计算和数学相结合的方法，对比了两种本地分离株——Acrophialophora levis SSF 4和Chrysocorona lucknowensis SSF 5以及两种白腐真菌，在体外去除100?mg?L^?1浓度的刚果红以及产生胞外酶的能力。A. levis SSF 4在12小时内即可实现完全脱色，而其他分离株则需要48–72小时。活性真菌生物量的吸附效率（100%）高于死亡生物量（低于45%）。刚果红的去除过程中伴随着胞外酶的产生，表明酶机制可能起到了作用。SSF 5的漆酶活性最高，为11.603?U?mL^?1，而SSF 4的木质素过氧化物酶和偶氮还原酶活性分别为1.396和8.253?U?mL^?1。分子对接分析显示漆酶与刚果红在酶活性位点之间存在稳定相互作用。伪一级动力学模型最适用于所有培养物（R²?=?0.87–0.94），其中SSF 4的速率常数最高，为0.245?h^?1，半衰期最短，为2.83小时。UV–Vis和FTIR分析表明刚果红可能发生了结构变化。植物毒性测试显示，用经过真菌处理的水灌溉的花生种子发芽率有所提高，从33%上升至67%。这些研究结果表明，在实验室条件下，A. levis SSF 4是处理受刚果红污染水体的有力候选者。

引言

全球水资源中，淡水占比不到1%，而快速工业化进程已严重影响了水质。合成染料因其广泛使用、化学稳定性以及难以生物降解的特性，已成为主要的工业污染物。每年有超过70万吨染料被生产出来，其中大量通过未经处理的工业废水排放到水生环境中，尤其是纺织业和造纸业产生的废水（Saba等人，2021年）。

偶氮染料占全球染料产量的60–70%，由于其稳定的偶氮键和复杂的芳香结构，这类染料极难降解（Mnif等人，2015年）。刚果红是一种基于联苯胺的阴离子偶氮染料，由于其持久性以及有毒的降解产物，包括已知具有致突变性和致癌性的联苯胺，因此尤其危险。即便在低浓度下，刚果红也会破坏水生生态系统，对环境和健康造成严重危害（Iark等人，2019年）。

传统的物理化学方法，如混凝、吸附、膜过滤和高级氧化工艺，被广泛用于染料去除，但这些方法的应用往往受到成本高、能耗大、降解不完全以及会产生二次污泥等问题的限制。因此，由于具有环保优势以及能够彻底分解污染物的潜力，生物处理方法逐渐受到重视（Varjani等人，2020年）。

一些细菌，如Pseudomonas aeruginosa、Bacillus subtilis和Shewanella decolourationis，能够有效分解偶氮键，但常常会产生有毒的芳香胺类物质（Goswami等人，2024年）。藻类，包括Chlorella vulgaris、Scenedesmus obliquus和Spirulina platensis，主要通过生物吸附和生物积累来去除染料，不过其效果取决于环境条件（Anand等人，2023年）。微生物群落虽具有协同作用的优势，但在工业环境中往往难以维持。

在各种生物处理方法中，真菌介导的生物修复因操作要求低且能高效降解结构复杂的染料，被视为最具前景的策略之一。丝状真菌，尤其是白腐真菌，如Phanerochaete chrysospirium、Trametes versicolour和Pleurotus ostreatus，能够产生多种胞外酶，包括漆酶、木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和偶氮还原酶，这些酶有助于催化偶氮染料的氧化和还原反应（Herath等人，2025年；Sundarajoo等人，2022年）。除了酶促降解外，真菌生物量还能通过细胞壁基质中的羟基、氨基和羧基进行生物吸附来去除染料（Alam等人，2023年）。这种双重机制不仅提升了染料的去除效率，还降低了含染料废水的毒性。

尽管已有大量关于Trametes、Pleurotus、Aspergillus和Cladosporium等常见真菌的研究，但一些较少被研究的丝状真菌的生物修复潜力仍不明确。尤其是关于Acrophialophora levis和Chrysocorona lucknowensis在刚果红脱色、酶诱导、染料转化以及降低毒性方面的作用，目前了解甚少。在本研究中，这些分离株是根据初步实验室筛选结果选出的，因为它们显示出较强的刚果红脱色潜力。据我们所知，此前尚无研究报道过这些物种的刚果红脱色能力和胞外酶产生潜力。因此，将这类较少被研究的真菌与已有的白腐真菌一起进行研究，有望为工业废水处理的新型真菌生物催化剂提供新的思路。

近年来，计算模拟和数学方法在生物修复研究中越来越重要，它们可用于预测降解路径、优化处理条件以及构建复杂的生物系统模型。分子对接、基因组注释和毒性预测有助于阐释酶与底物的相互作用以及微生物降解染料的机制（Mishra等人，2022年；Singh等人，2025年）。同样，动力学建模、响应面法以及机器学习也被广泛用于优化生物降解效率，并预测不同条件下的处理效果（Maniyam等人，2024年；Martínez-Castillo等人，2023年）。将这些方法与实验研究相结合，可以为开发高效的废水处理技术提供坚实的理论基础。

因此，本研究的目的是通过实验、酶学、光谱学、计算以及毒性分析等综合方法，全面评估Acrophialophora levis和Chrysocorona lucknowensis的刚果红脱色潜力，并与选定的白腐真菌菌株进行比较。研究内容包括分子特征分析、脱色效果评估、酶谱分析、动力学建模、分子对接、UV–Vis和FTIR分析以及植物毒性测试，旨在阐明刚果红脱色的内在机制，并判断这些真菌分离株是否适合作为可持续废水处理的生物催化剂。

章节节选

材料

刚果红染料（C₃₂H₂₂N₆Na₂O₆S₂；分子量：696.66?g?mol^?1）、邻苯二酚甲醇、愈创木酚、NADH二钠盐以及2,2′-偶氮双(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸)均购自印度HiMedia Labs公司。所有化学品均为分析级，纯度极高。

本地刚果红脱色真菌分离株的分离与鉴定

土壤样本采集自该邦基础设施与工业发展公司排水渠道附近的工业废水污染区域

高效刚果红脱色真菌的分子鉴定与特征分析

刚果红脱色的初步筛选在添加了100?mg?L^?1刚果红的PDA培养基上进行。在从受污染土壤中分离出的10种真菌中，有两种本地分离株（SSF 4和SSF 5）以及两种参考白腐真菌WDP 2和WFP 1，不仅生长旺盛，还会使周围培养基出现明显的变色现象。由于未观察到明显的晕圈，菌株的选择依据是真菌的生长状况以及含染料培养基的局部褪色情况

结论

本研究评估了四种真菌分离株——A. levis SSF 4、C. lucknowensis SSF 5以及菌株WFP 1和WDP 2的刚果红脱色能力。其中，A. levis SSF 4的脱色效率最高，12小时内即可实现100%脱色，其次是WFP 1，24小时内脱色率为98%，而SSF5和WDP 2则需72小时才能完成脱色。活性真菌生物量的染料去除效率明显高于死亡生物量，后者仅为15–45%，这表明活性成分在脱色过程中发挥了重要作用

CRediT作者贡献说明

Seema Bisht：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，验证，软件应用，方法设计，正式分析，数据整理，概念构建。Raju Ratan Yadav：写作——审阅与编辑，可视化，软件应用，实验研究，正式分析。Divya Pant：写作——审阅与编辑，软件应用，正式分析，数据整理。Varsha Mishra：写作——审阅与编辑，方法设计，实验研究，正式分析。Lakshmi Tewari：写作——审阅与编辑，可视化，验证

资金支持信息

本研究得到了印度政府生物技术部提供的资金支持，具体形式为青年研究奖学金[DBT/2023-24/GBPU/2203]。

未引用参考文献

Sladewski等人，2006年

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢G.B. Pant农业技术大学微生物学系的实验室设施支持，以及斋浦尔Malaviya国家技术学院的材料研究中心在FTIR分析方面提供的帮助。同时，也衷心感谢印度政府生物技术部提供的DBT-JRF奖学金[DBT/2023-24/GBPU/2203]带来的资金支持。

Seema Bisht|Raju Ratan Yadav|Divya Pant|Varsha Mishra|Lakshmi Tewari

印度北阿坎德邦潘特纳加尔，G. B. Pant农业技术大学基础科学与人文学院微生物学系