芽孢杆菌属Tol1-mdiated脱色及EPS稳定的生物银纳米颗粒的合成用于光催化去除分散红1

《Catalysts》：Bacillus sp. Tol1-mdiated Decolorization and Synthesis of EPS-Stabilized Biogenic Silver Nanoparticle for Photocatalytic Removal of Disperse Red 1

　　

合成偶氮染料（azo dyes）是最大的一类工业着色剂，广泛应用于纺织、食品、化妆品和制药工业。此外，它们具有持久性和毒性，威胁水生环境以及人类健康。分散红1（DR1），一种单偶氮染料，属于分散染料组，广泛用于聚酯染色、化妆品和其他应用，由于其致突变潜力和对常规处理工艺的抵抗性而特别令人关注。本研究调查了一种综合的DR1去除策略，使用耐热的地衣芽孢杆菌Tol1（Bacillus licheniformis Tol1）及其EPS稳定的生物银纳米颗粒（AgNPs）。在最大耐受浓度为0.5 g L^?1时，地衣芽孢杆菌Tol1显示出最大脱色率为70.86%（0.2 g L^?1，55 °C）。然而，基于Box–Behnken设计的响应面法（RSM）显示实际脱色效率为73.13%。人工神经网络（ANN）模型预测的准确度为R² = 0.9933，证实了实验结果的稳健性和可靠性。为了提高染料去除效率，通过绿色方法合成了Tol1 EPS稳定的AgNPs，并使用UV-Vis、SEM-EDAX、TEM、AFM、FTIR、DLS和zeta电位进行了表征。AgNP的表征确认形成了球形稳定的AgNPs，平均尺寸为19.99 ± 0.38 nm，表明具有中等静电稳定性的多分散胶体性质。阳光/H₂O₂辅助过程（光催化实验）展示了DR1脱色（在阳光下5小时内80.72 ± 1.72%），遵循伪一级动力学（k = 0.271 h^?1）。此外，FTIR分析通过特征偶氮（–N=N–）键的消失确认了DR1化学结构的降解，表明染料分子的裂解。总体而言，本研究提供了使用单一细菌及其多糖稳定的AgNP进行DR1脱色的双重生物-纳米技术方法，是一种可持续的环保未来方法。然而，需要进一步研究完全矿化、转化产物、毒性评估、详细的催化剂可重复使用性和银（Ag）浸出，以促进其在废水处理中的实际实施。

**研究背景与问题**
合成偶氮染料（azo dyes）是工业着色剂中最大的一类，广泛应用于纺织、食品、化妆品和制药等领域。然而，其持久性和毒性对水生环境和人类健康构成严重威胁。分散红1（DR1）作为一种单偶氮染料，常用于聚酯染色和化妆品，具有致突变潜力，且常规处理方法难以有效去除。现有技术中，单一生物脱色受到时间、染料浓度和毒性限制，而光催化氧化虽能破坏发色团，但依赖催化剂设计和反应条件。因此，开发整合生物降解与纳米光催化的协同策略成为迫切需求。本研究论文发表在《Catalysts》。

**研究内容与结论**
研究人员利用耐热地衣芽孢杆菌Tol1（Bacillus licheniformis Tol1）进行DR1生物脱色，并以其胞外多糖（EPS）为稳定剂绿色合成银纳米颗粒（AgNPs），用于阳光/H₂O₂辅助光催化去除DR1。结果表明，Tol1最大耐受DR1浓度为0.5 g L^?1，优化后脱色率达73.13%；EPS稳定的AgNPs平均粒径19.99 nm，在阳光下5小时内实现80.72%的DR1去除，遵循伪一级动力学（k=0.271 h^?1）。FTIR分析证实偶氮键断裂。该研究首次提出利用单一菌株的双重功能（生物脱色和EPS介导的AgNP合成）实现DR1去除，为废水处理提供了可持续的生物学-纳米技术集成方案。

**关键技术与方法**（不超过250字）
主要技术方法包括：① 细菌脱色实验：测定Tol1对DR1的最大耐受浓度（MTC），优化温度及碳源（蔗糖）、氮源（蛋白胨）浓度；② 响应面法（RSM）优化：基于Box–Behnken设计（BBD），以蔗糖、蛋白胨、染料浓度和温度为自变量，脱色率为响应值，建立二次优化模型；③ 人工神经网络（ANN）建模：使用MATLAB软件构建4-20-25-1结构的前馈神经网络，预测脱色率；④ 绿色合成EPS稳定的AgNPs：以Tol1 EPS为还原剂和稳定剂，与AgNO₃反应；⑤ 纳米颗粒表征：采用UV-Vis、SEM-EDAX、TEM、AFM、DLS、zeta电位和FTIR分析形貌、尺寸、表面电荷及官能团；⑥ 光催化实验：在阳光和H₂O₂存在下进行DR1脱色，测定动力学和FTIR产物变化。菌株来源：分离自智利Tolhuaca温泉。

**研究结果**
**2.1 细菌介导的DR1脱色**
通过耐受性实验，Tol1对DR1最大耐受浓度为0.5 g L^?1。在0.2 g L^?1 DR1、55°C下24小时脱色率达70.86%。碳源（蔗糖）和氮源（蛋白胨）优化后，最高脱色率约71%。表明Tol1具备有效的生物脱色能力，但效果受染料浓度和温度影响。

**2.2 RSM优化**
基于Box–Behnken设计的RSM模型（F=18.773，p<0.0001，R²=94.94%）确定了最优条件：蔗糖0.108 g L^?1、蛋白胨0.213 g L^?1、染料0.2 g L^?1、温度49.18°C，验证实验实际脱色率达73.13%，接近预测值，证实模型可靠性。

**2.3 ANN性能**
构建的4-20-25-1前馈神经网络模型，基于80个实验数据点训练，预测R²=0.9933，均方误差（MSE）=0.00023，最大相对误差?10.9%，与实验值高度吻合，表明ANN可有效预测脱色过程。

**2.4 DR1生物脱色产物的光谱分析**
FTIR分析显示，细菌处理后DR1的偶氮键（–N=N–）特征峰强度减弱，表明发色团结构部分改变，但未完全矿化。后续需结合AgNP系统进一步评估。

**2.5 绿色合成AgNP的部分表征**
UV-Vis光谱显示EPS稳定的AgNP在~400 nm处出现表面等离子共振（SPR）峰，证实银纳米颗粒形成。SEM和TEM图像显示球形颗粒，平均粒径19.99±0.38 nm，无聚集，EPS起到稳定作用。EDAX确认Ag含量23.98 wt%。DLS测得水动力学直径169.9 nm，zeta电位?16.14 mV，多分散指数（PDI）0.43，表明中等静电稳定性。FTIR表明EPS中的羟基、羧基和酰胺基团参与还原和稳定。

**2.6 使用AgNP的光催化脱色**
在阳光/H₂O₂条件下，EPS稳定的AgNP对500 mg L^?1 DR1的脱色率达80.72±1.72%（5小时），远高于单独细菌（~71%）。控制实验表明，H₂O₂和AgNP共同作用显著增强效果。动力学符合伪一级模型（k=0.271 h^?1）。FTIR显示处理后偶氮键和芳香族峰消失，表明化学结构转化。但需进一步验证矿化程度和活性氧（ROS）机制。

**讨论与结论**
讨论部分指出，合成的AgNPs为金属纳米颗粒，其光催化机制通过局域表面等离子共振（LSPR）吸收阳光，产生电荷载流子，与H₂O₂和溶解氧协同生成ROS（如羟基自由基），破坏DR1发色团。但未进行自由基捕获和EPR实验，需后续验证。与现有研究对比，本系统在5小时内实现>80%脱色，且无需超声辅助，更具可持续性。然而，催化剂重复使用性、银离子浸出、转化产物鉴定和毒性评估仍需深入研究。
研究结论翻译如下：本研究评估了基于耐热细菌地衣芽孢杆菌Tol1及其EPS稳定的生物银纳米颗粒（AgNPs）去除分散红1（DR1）的综合策略。Tol1耐受DR1浓度达0.5 g L^?1，在优化条件下DR1脱色率提高至73.13%（响应面法）。ANN建模显示高预测一致性（R²=0.9933），支持统计和计算工具用于描述Tol1介导的DR1去除。此外，Tol1 EPS作为还原剂和稳定剂促进AgNP形成，表征确认球形纳米颗粒（平均TEM直径19.99±0.38 nm），DLS和zeta电位表明多分散胶体与中等静电稳定性。在自然阳光和H₂O₂存在下，EPS稳定的AgNPs在5小时内实现80.72±1.72%的DR1脱色/去除。FTIR分析表明染料结构化学转化，包括偶氮和芳香族相关峰的减弱或消失。然而，由于矿化、转化产物和毒性未量化，这些结果应解释为光辅助脱色/去除和结构修饰，而非完全降解或矿化。总体而言，本研究展示了地衣芽孢杆菌Tol1作为DR1生物脱色的双重生物系统的潜力，但其作为可持续废水处理策略的实际应用需要进一步验证，包括催化剂回收、银离子浸出、二次污染、转化产物鉴定和实际纺织废水中的性能。因此，本系统应被视为有前景的初步方法，而非完全验证的可扩展处理技术。