《South African Journal of Chemical Engineering》：Enhanced Methyl Orange Biodecolorization by Immobilized
Bacillus subtilis in Alginate/PVA/UiO-66 Matrix: Process Optimization Using Response Surface Methodology
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本研究旨在开发一种杂化固定化细菌系统，将枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）固定于海藻酸钠/聚乙烯醇（Alg/PVA）基质中，并掺入UiO-66，以增强甲基橙（MO）的脱色效果。结果表明，固定化系统的甲基橙去除效率（79.34%）显著高于游离细菌
本研究旨在开发一种杂化固定化细菌系统，将枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）固定于海藻酸钠/聚乙烯醇（Alg/PVA）基质中，并掺入UiO-66，以增强甲基橙（MO）的脱色效果。结果表明，固定化系统的甲基橙去除效率（79.34%）显著高于游离细菌细胞（37.56%）和不含细菌的Alg/PVA/UiO-66微珠（68.96%），表明吸附与生物降解之间存在协同作用。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）表征证实了UiO-66和枯草芽孢杆菌（B. subtilis）细胞被有效包埋于Alg/PVA骨架内，表明固定化基质具有良好的结构完整性。为研究操作参数对甲基橙脱色的影响，研究人员应用了基于Box-Behnken设计的响应面法（RSM），通过改变染料浓度、温度和处理时间。所建立的二次模型显示出强统计显著性（p < 0.0002）和高预测准确性（R2 = 0.9907）。数值优化预测，在甲基橙浓度为50.87 mg/L、温度为39.95°C、处理时间为54.43小时时，最大脱色效率可达92.21%。此外，固定化微珠在三个循环周期内保持了显著活性，表明其具有良好的操作稳定性。这些结果表明，Alg/PVA/UiO-66固定化枯草芽孢杆菌（B. subtilis）为偶氮染料污染废水的环境可持续处理提供了一种有前景且可重复使用的方法。
**研究背景与问题**
合成染料，特别是偶氮染料，如甲基橙（MO），因其复杂的芳香环结构和偶氮键（-N=N-）而具有高稳定性和抗自然降解能力，在纺织等工业废水中广泛存在，对生态系统和人类健康构成威胁。传统的物理化学处理方法（如混凝、臭氧化、电解、高级氧化过程）存在成本高、化学品消耗大、产生污泥和二次污染等问题。因此，开发环境友好且经济高效的生物处理技术成为研究热点。微生物脱色，尤其是细菌脱色，因其成本低、环境兼容性好且二次污染小，被认为是一种有前景的替代方案。枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）因其强适应性和高效的偶氮染料降解能力而受到关注。然而，游离细菌细胞对环境波动（如温度、pH、污染物浓度）敏感，且存在生物量回收和重复使用困难等问题，限制了其实际应用。细胞固定化技术，如将细菌包埋在海藻酸钠（Alg）和聚乙烯醇（PVA）的聚合物基质中，可以增强微生物的稳定性、操作耐久性并便于回收。近年来，在固定化基质中掺入额外吸附剂，如UiO-66（一种锆基金属有机框架，MOF），因其高孔隙率、大比表面积和强结构稳定性，有望进一步提升染料去除效率。然而，针对这种结合了微生物细胞、聚合物基质和MOF材料的杂化固定化系统，其操作条件的优化研究尚不充分，以往研究多采用单因素实验（OFAT），无法系统探究关键变量间的交互效应。因此，本研究旨在利用响应面法（RSM）优化固定化枯草芽孢杆菌（B. subtilis）在Alg/PVA/UiO-66基质中对甲基橙（MO）的生物脱色过程。
**研究内容与结论**
研究人员开发了一种将枯草芽孢杆菌（B. subtilis）固定于海藻酸钠/聚乙烯醇（Alg/PVA）并掺入UiO-66的杂化固定化系统，用于甲基橙（MO）脱色。通过比较不同处理系统，发现固定化系统（Alg/PVA/UiO-66/B. subtilis）的脱色效率（79.34%）显著高于游离细菌（37.56%）和仅有吸附剂（Alg/PVA/UiO-66，68.96%），证实了吸附与生物降解的协同效应。利用响应面法（RSM）优化后，在甲基橙（MO）浓度50.87 mg/L、温度39.95°C、处理时间54.43小时的条件下，预测最大脱色效率可达92.21%。固定化微珠在三个循环周期后仍保持较高活性，显示出良好的操作稳定性和可重复使用性。该研究为偶氮染料污染废水的环境可持续处理提供了一种有前景且可重复使用的方法，相关论文发表在《South African Journal of Chemical Engineering》。
**关键技术与方法**
1. **固定化系统构建**：采用离子交联法制备包埋枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和UiO-66的海藻酸钠/聚乙烯醇（Alg/PVA）水凝胶微珠。细菌菌株来源于印度尼西亚泗水理工学院（ITS）微生物化学实验室。
2. **响应面法（RSM）优化**：应用Box-Behnken设计结合响应面法，系统评估初始甲基橙（MO）浓度（50-150 mg/L）、温度（20-40°C）和接触时间（24-72 h）三个关键变量及其交互作用对脱色效率的影响，并建立二次多项式模型进行预测和优化。
3. **表征与性能评估**：采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）分析固定化微珠的官能团、形貌和元素组成。通过多次循环实验评估固定化系统的可重复使用性。
**研究结果**
**3.1. 不同组成Alg/PVA微珠的形态学评价**
通过比较不同Alg/PVA比例（1:4, 2:4, 4:4）的微珠形态，研究人员发现2:4比例的微珠具有最理想的球形、光滑表面和结构均匀性，为后续实验的最佳载体配方。该比例在藻酸盐交联和聚乙烯醇（PVA）增强之间达到了最佳平衡，保证了足够的机械强度和孔隙率，有利于细菌固定和物质扩散。
**3.2. 不同处理系统的比较评估**
通过比较游离细菌、不含细菌的Alg/PVA/UiO-66微珠和Alg/PVA/UiO-66/B. subtilis微珠三种系统对甲基橙（MO）的脱色效率，研究人员发现固定化细菌系统（79.34%）效率最高，优于吸附系统（68.96%）和游离细菌系统（37.56%），证实了吸附与生物降解之间的强协同效应。
**3.3. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析**
通过对比脱色前后Alg/PVA/UiO-66/B. subtilis微珠的傅里叶变换红外光谱（FTIR），研究人员在脱色后观察到O-H、COO-等官能团吸收峰强度变化，以及与甲基橙（MO）偶氮键（-N=N-）和C-N键相关的特征峰，证实了甲基橙（MO）分子与固定化基质之间的相互作用，表明去除过程同时涉及吸附和微生物降解。
**3.4. 扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）分析**
通过扫描电子显微镜（SEM）观察，研究人员发现脱色前微珠表面光滑、结构致密且有UiO-66晶体分布；脱色后表面变粗糙，可见棒状细菌，且内部基质更致密，表明吸附了甲基橙（MO）分子和降解产物。能量色散X射线光谱（EDX）元素映射显示脱色后表面碳含量增加并出现氮/硫信号，进一步证实了染料的吸附。
**3.5. 可重复使用性循环**
通过三个连续的脱色循环实验，研究人员发现Alg/PVA/UiO-66/B. subtilis微珠的脱色效率虽略有下降，但在三个循环后仍能保持较高活性，表明该系统具有良好的操作稳定性和重复使用潜力，优于游离细胞系统。
**3.6. 利用响应面法（RSM）优化甲基橙（MO）脱色**
**3.6.1. 统计分析及模型验证**
通过方差分析（ANOVA），研究人员确认提出的二次模型具有高度统计显著性（p=0.0002），决定系数R2=0.9907，表明模型拟合度好，能准确预测脱色效率。浓度（A）是影响最大的因素，其次是温度（B）和接触时间（C）。
**3.6.2. 响应面分析与过程优化**
通过三维响应面图，研究人员分析了变量间的交互作用：脱色效率随温度升高和接触时间延长而增加，但随初始甲基橙（MO）浓度升高而降低。数值优化得出最佳条件为：甲基橙（MO）浓度50.87 mg/L，温度39.95°C，接触时间54.43小时，此时预测最大脱色效率为92.21%。
**3.7. 优化脱色的视觉确认**
通过肉眼观察，研究人员发现优化条件下，甲基橙（MO）溶液从初始的强橙色变为澄清，固定化微珠颜色也发生变化，直观证明了甲基橙（MO）被有效去除，支持了响应面法（RSM）模型预测的92.21%高脱色效率。
**总结与讨论**
研究人员通过响应面法（RSM）优化，确定了固定化系统的最佳操作条件，并证实了吸附与生物降解的协同作用。尽管理论最优条件（39.95°C, 54.43 h）能实现最高脱色效率（92.21%），但考虑到工业放大的能源和操作成本，基础条件（37°C, 24 h）下79.34%的脱色效率可能更具经济性。未来研究应关注在更温和条件下通过优化搅拌速度、营养补充和连续流配置来增强系统动力学。
**研究结论翻译**
总之，本研究证明，将UiO-66整合到Alg/PVA固定化基质中，成功提高了枯草芽孢杆菌（B. subtilis）对甲基橙（MO）脱色的生物脱色性能。与游离细胞系统相比，固定化微珠因Alg/PVA/UiO-66基质的吸附和后续微生物生物降解的协同作用，表现出更高的脱色效率。表征结果证实了成功形成了一个多孔且结构稳定的固定化系统，该系统在处理过程中支持细菌的保留和与染料的相互作用。利用响应面法（RSM）的优化显示，染料浓度、温度和接触时间显著影响脱色效率，优化后的条件产生了92.21%的脱色率。此外，固定化微珠在三个操作周期内保持了显著活性，表明微珠具有良好的可重复使用性和稳定性。总体而言，所开发的Alg/PVA/UiO-66固定化细菌系统为偶氮染料废水处理提供了一种可重复使用且生态友好的方法，具有大规模和连续应用的潜力。
