《Journal of Hazardous Materials Advances》：Living adsorbent for Congo red removal and value-added product recovery via synergistic integration of photosynthetic bacteria and bacterial cellulose
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针对传统染料吸附剂能耗高、易产生二次污染等瓶颈，研究人员开发了一种全生物基的活体吸附剂（PSB-BC），将光合细菌（PSB）固定于细菌纤维素（BC）基质中，用于刚果红（CR）染料的去除。该吸附剂在批次与连续流系统中均展现出优异的CR去除效率（最高97%），并能同步回收类胡萝卜素、细菌叶绿素a等高附加值产物，且具有良好的储存稳定性。这项工作为染料废水处理提供了一种经济、环保且符合循环经济原则的创新解决方案。
纺织工业为世界带来了绚丽的色彩，却也留下了难以忽视的污染难题。其中，刚果红（Congo Red, CR）作为一种典型的苯胺基阴离子偶氮染料，因其色泽鲜艳、染色牢固而被广泛使用。然而，其在生产过程中约有20%会随废水排出，流入自然环境。这不仅使水体变色，影响水生生态系统的光合作用，更严重的是，CR在环境中可代谢转化为强致癌物联苯胺，对人类健康和水体安全构成严重威胁。传统的物理化学处理方法，如活性炭吸附，虽有效但往往伴随着高能耗、高成本以及废弃吸附剂带来的二次污染问题，不符合可持续发展的理念。因此，开发一种高效、经济且环境友好的染料去除技术迫在眉睫。
科学家们将目光投向了自然界中的奇妙组合：一种是能合成高价值代谢产物的光合细菌（Photosynthetic Bacteria, PSB），例如高产类胡萝卜素的费氏红假单胞菌PA2（Rhodopseudomonas faecalis PA2）；另一种是微生物分泌的天然高分子材料——细菌纤维素（Bacterial Cellulose, BC），它拥有高比表面积、优良的生物相容性和可降解性。能否将这两者结合，创造一种既能高效吸附降解染料，又能“变废为宝”回收有用产物的“活体”吸附剂呢？这正是发表在《Journal of Hazardous Materials Advances》上的这项研究所要探索的核心问题。
为了回答上述问题，研究者们综合运用了多种技术方法。首先，他们通过摇床振荡培养（150 rpm，120小时）将R. faecalis PA2细胞高效固定化于细菌纤维素基质中，制成了光合细菌-细菌纤维素（PSB-BC）生物吸附剂，并使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察了细菌在纤维素网络中的分布形态。其次，通过批次实验系统评估了该吸附剂在不同条件下的CR去除效率、生物吸附容量（Qt）以及副产物（生物量、类胡萝卜素、细菌叶绿素a）的生成情况，并利用紫外-可见光谱（UV-vis）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了CR降解过程中的结构变化。最后，为了模拟实际应用，研究构建了实验室规模的固定床柱实验系统，通过监测流出液CR浓度变化绘制穿透曲线，并应用托马斯（Thomas）和 Yoon-Nelson 模型对连续吸附过程进行动力学拟合，以评估其长期运行性能。
3.1. 游离R. faecalis PA2细胞去除刚果红的可行性
研究首先证实了游离的R. faecalis PA2细胞能够在3天内高效去除浓度高达400 mg/L的CR，去除率达94%-97%。光谱分析（UV-vis和FTIR）表明，CR的特征吸收峰（如480 nm处的偶氮键吸收）在降解后消失或减弱，证实了其分子结构（尤其是偶氮键）被破坏。然而，高浓度CR（400 mg/L）会抑制细菌生长和色素合成，提示需要一种保护策略来维持菌体活性。
3.2. 光合细菌-细菌纤维素生物吸附剂生产的优化
通过X射线衍射（XRD）表征了纯BC的晶体结构。优化实验发现，在摇床条件下（150 rpm）固定化120小时，细胞固定化效率高达472%，远高于静态条件。FESEM图像直观地展示了细菌细胞成功嵌入并遍布于BC的三维纳米纤维网络中，形成了稳定的复合结构。
3.3. 通过FESEM研究光合细菌-细菌纤维素生物吸附剂
FESEM的表面和截面图像清晰地显示了R. faecalis PA2细胞被BC的纳米纤丝网络包裹和固定，证实了活体吸附剂的成功构建。这种结构为细菌提供了保护性微环境，并有利于底物和产物的传质。
3.4. 光合细菌-细菌纤维素生物吸附剂对刚果红的去除
与游离细胞和纯BC对比，PSB-BC生物吸附剂在3天内实现了96%-97%的CR去除率，其生物吸附容量（Qt）随时间增加至平衡。更重要的是，固定化细胞体系产生的游离生物量、类胡萝卜素和细菌叶绿素a分别比游离细胞体系高出1.75倍、1.86倍和2.39倍，证明BC基质不仅去除了染料的毒性抑制，还促进了细菌的生长和代谢活性。纯BC则因与CR均带负电荷而产生静电排斥，吸附效果甚微。
3.5. 使用光合细菌-细菌纤维素生物吸附剂进行低成本刚果红去除
为了降低成本，研究尝试在仅添加0.2%酵母提取物的简化营养系统中进行CR去除。结果发现，在此条件下PSB-BC仍能实现96%的去除率，且生物吸附容量（21.91 mg/g）甚至高于在完全培养基中的表现（16.65 mg/g）。这归因于简化系统避免了培养基中复杂离子与CR的竞争吸附，同时酵母提取物提供了必要的生长因子。
3.6. 储存时间对刚果红去除和光合细菌-细菌纤维素生物吸附剂性能的影响
实际应用要求材料具备储存稳定性。实验表明，PSB-BC生物吸附剂在4°C下储存20天后，其CR去除率仍能保持在93%以上，生物吸附容量也未显著下降。BC的三维纤维网络为细菌提供了保护，防止了细胞脱水和冷应激，使其在储存后仍能迅速恢复代谢活性。
3.7. 固定床柱实验
这是验证其连续处理能力的关键。在初始CR浓度为200 mg/L、流速为0.42 mL/min的条件下，PSB-BC柱的50%穿透时间（τ）为164.99分钟，远长于纯BC柱的63.92分钟，表明其具有更持久的吸附降解能力。穿透曲线数据分析显示，Yoon-Nelson模型（R2 > 0.98）比Thomas模型能更好地拟合实验数据，反映了该生物吸附剂在连续流系统中的吸附-生物降解协同行为。Thomas模型计算出的最大吸附容量（q0）高达468.88 mg/g。
3.8. 光合细菌-细菌纤维素生物吸附剂去除刚果红的可能机制
研究者提出了一个协同作用机制：首先，BC的高比表面积和多孔结构通过范德华力和氢键物理吸附CR分子。同时，固定化的R. faecalis PA2细胞分泌偶氮还原酶等，将CR的偶氮键（-N=N-）断裂，降解为联苯胺等芳香胺类中间产物。这些产物可能进一步被细菌利用或通过疏水作用等被BC吸附。BC基质不仅浓缩了底物（CR），还为细菌提供了免受毒害的微环境，并可能通过高细胞密度诱导群体感应，上调降解酶的表达。
3.9. 光合细菌-细菌纤维素生物吸附剂的经济和环境优势
成本估算显示，每片PSB-BC吸附剂的制备成本约0.77美元，具有经济可行性。其全生物基、可生物降解的特性避免了传统吸附剂（如活性炭）高温制备的能耗和化学修饰带来的环境风险。更重要的是，它在净化废水的同时，还能产出具有市场价值的细菌生物质、类胡萝卜素和细菌叶绿素a，真正实现了“变废为宝”，符合循环经济原则和联合国可持续发展目标（SDG 6清洁水和卫生设施，SDG 13气候行动）。
本研究成功开发并验证了一种新型的、全生物基的活体吸附剂（PSB-BC）。它通过将光合细菌R. faecalis PA2固定于细菌纤维素基质中，巧妙地结合了BC的物理吸附优势和PSB的生物降解能力，对刚果红染料表现出高效（97%去除率）、快速的去除能力。该系统不仅在批次实验中表现优异，更在模拟工业应用的固定床连续流系统中展现了良好的长期运行潜力。其突出优势在于：一、协同增效：固定化策略显著提升了细菌对染料毒性的耐受性，并促进了高附加值代谢产物（类胡萝卜素、细菌叶绿素a）的合成。二、经济环保：制备过程低能耗、原料可生物降解，且在简化营养条件下仍能高效工作，降低了运行成本。三、实用性强：材料具备良好的储存稳定性（>20天，4°C），为其实际应用和物流提供了便利。
这项工作突破了传统吸附剂“只吸附、不转化、易二次污染”的局限，提供了一种将废水处理与资源回收相结合的创新范式。尽管研究在实验室规模取得了成功，未来仍需在更接近真实废水的复杂条件下（如不同pH、温度、共存污染物）进行验证，并深入探究其降解路径中的具体酶活性和中间产物。然而，这项研究无疑为开发下一代可持续、智能化的生物修复材料奠定了重要的基础，展示了合成生物学与材料科学在环境治理领域融合的巨大潜力。
