莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）活体生物质对水溶液中苯扎氯铵（benzalkonium chloride, BAC）的去除：动力学、等温线与环境因素

《Journal of Applied Phycology》：Removal of benzalkonium chloride from aqueous solutions using living biomass of Chlamydomonas reinhardtii: Kinetics, isotherms, and environmental factors

　　

本研究评估了莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）活体生物质对水溶液中苯扎氯铵（benzalkonium chloride, BAC）——一种广泛使用的消毒剂及新兴水生污染物——的去除能力。为表征该去除过程，研究人员考察了BAC对微藻的毒性效应、动力学与平衡等温线，并进行了傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR）分析；研究了微藻在光照或黑暗条件下暴露对其BAC去除能力的影响，以及pH对工艺效率的作用。该活体生物质在光照与黑暗下均能有效去除BAC，但在光照下当BAC毒性较低、存活细胞数较多时去除效率显著更高。在光照条件、BAC初始浓度1 mg L?1、生物质初始浓度0.4 g L?1时，最高去除效率达98.3%。基于Langmuir模型得最大去除容量为48.40 mg g?1（18±2 °C）。去除过程符合准二级动力学，最大动力学常数0.58±0.13 g mg?1 min?1。FTIR分析表明BAC与生物质相互作用，尤其与羧基作用。pH对去除效率影响显著，pH 10时性能最佳。上述发现证明了活体C. reinhardtii生物质作为高效、低成本、环境友好型BAC生物吸附剂（biosorbent）的潜力。

研究背景与立项依据：全球每日使用的化学品达14万–30万种，消毒剂随制药、化工、农业及家庭用水进入水体，其中苯扎氯铵（benzalkonium chloride, BAC）作为季铵盐阳离子消毒剂，在溪流与废水出水中的检出浓度为0.01–99.6 μg L^?1，可生成诱变/致癌消毒副产物，并诱导细菌耐药基因传播。既有BAC去除研究仅见TiO₂光催化与活性炭吸附，尚未有生物吸附（biosorption）去除BAC的报道。微藻生物质因细胞壁含纤维素、半纤维素及膜蛋白等生物聚合物，功能基团丰富，且活体生物质可兼具表面吸附、胞内富集与代谢转化机制，优于死生物质。莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）为易培养淡水绿藻，已有去除重金属、双氯芬酸及阿莫西林的报道，因此研究人员首次系统评估其活体生物质对BAC的去除性能，论文发表于《Journal of Applied Phycology》。

主要技术方法概览：研究以实验室保种于GOLD-FWS培养基指数期的C. reinhardtii活体生物质（0.4 g L^?1干重）为对象，设置BAC 1–100 mg L^?1梯度，在18±2 °C、68 μmol光子 m^?2 s^?1、200 rpm振荡下于光照/黑暗条件开展批式生物吸附实验；以无生物质对照验证BAC在光/暗及pH 2–10下的本底稳定性；采用荧光素二乙酸酯（fluorescein diacetate, FDA）染色-荧光显微镜计数法测定细胞存活率并拟合剂量-效应曲线求EC₅₀；BAC浓度用曙红Y分光光度法（544 nm）测定；动力学拟合准一级/准二级模型，平衡数据拟合Langmuir、Freundlich、Sips、Dubinin-Radushkevich与Temkin等温线；官能团变化用衰减全反射FTIR（ATR-FTIR, 500–4000 cm^?1）比对吸附前后生物质；统计采用非线性回归、t检验、双向/三向ANOVA及Tukey检验（α=0.05，SPSS 29）。

研究结果

Determination of BAC toxicity on the living biomass of C. reinhardtii：FDA存活实验显示BAC毒性随时间增强，EC₅₀从5 min的24.63±3.93 mg L^?1降至120 min的1.85±0.08 mg L^?1；75–100 mg L^?1在5 min内致100%死亡，1–2 mg L^?1处理120 min后仍保留部分活细胞（2 mg L^?1死亡率2.0±0.5%，1 mg L^?1死亡率68.1±3.1%）。

Stability of BAC under experimental conditions：无生物质对照在光/暗下120 min内各浓度BAC浓度无显著变化（光照p=0.103，黑暗p=0.096），证实去除量可完全归因生物质作用。

Removal of BAC by microalgal biomass under light and dark conditions：光暗下BAC均快速下降（p<0.001），光照去除显著高于黑暗（交互效应p<0.001）；1 mg L^?1时光照残量0.02±0.06 mg L^?1（去除98.3%），黑暗残量0.20±0.10 mg L^?1（去除82.7%）；≥75 mg L^?1时光暗差异不显著（细胞失活，仅剩表面吸附）。

Characteristics of the BAC biosorption process by living microalgal biomass：q_t均在60–120 min内达平衡，1 mg L^?1 30 min即平衡；120 min去除率随初始浓度升高而下降，100 mg L^?1时光照42.8±1.1%、黑暗42.3±0.5%。

Kinetic models：准二级动力学拟合优于准一级（光暗皆然），光照q_e与k₂（最高0.58±0.13 g mg^?1 min^?1）均高于黑暗，高浓度（75–100 mg L^?1）光暗参数趋近。

Biosorption isotherms：光照下Langmuir拟合最佳（q_max=48.40±1.35 mg g^?1），黑暗下Sips略优但Langmuir q_max=41.77±1.38 mg g^?1；Freundlich亲和系数K_F光照9.38±1.40、黑暗6.94±0.87 L mg^?1；Dubinin-Radushkevich自由能E_D光照10.00±1.94、黑暗9.13±1.69 kJ mol^?1，指向离子交换主导。

FTIR：吸附后2925/2853 cm^?1（?CH₂?）增强、1645/1580 cm^?1（酰胺I/II）位移、1402 cm^?1（COO^?对称伸缩）峰强下降、1239 cm^?1（PO₂^?）增强、702 cm^?1单取代芳环出现，证实BAC与羧基静电作用、与蛋白/磷脂及脂链疏水作用并存。

Effect of pH on the biosorption process：无生物质时BAC在各pH稳定；光暗下去除率均随pH升高而升，pH 10最高；生物质零电荷点pHPZC=6.04，pH>6时生物质带负电，与永久阳离子BAC静电吸引增强，酸性条件因同电性排斥而效率低。

讨论部分总结：研究人员指出活体生物质在光照下代谢活跃，BAC可通过表面吸附+主动转运+胞内富集/转化联合去除，黑暗仅存表面作用；BAC毒性在>2 mg L^?1明显抑制活细胞比例，故低浓度（接近环境检出μg级）时光照活体系统去除率近100%。Langmuir单分子层、E_D 8–16 kJ mol^?1及FTIR羧基变化共同支持“静电吸引离子交换为主、疏水作用为辅”机制。pH效应由生物质表面电荷翻转解释，与pHPZC一致。相较TiO₂光催化与活性炭，微藻活体系统成本低、无二次污染、可拓展至自然水体。

结论部分翻译：莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）活体生物质对BAC污染溶液具有高效去除特性，活体优于被毒性灭活的死生物质；光照且毒性低、活细胞多时去除高于黑暗，光照下最大Langmuir容量48.40 mg g^?1，1 mg L^?1 BAC时去除98.3%，100 mg L^?1时仍达42.8%（生物质0.4 g L^?1）；过程符合准二级动力学；Dubinin-Radushkevich与FTIR揭示主导机制为静电吸引化学吸附与疏水相互作用；pH升高效率升高，pH 10最优；优化条件下活体生物质比死生物质更适于去除此类新兴污染物。