《Journal of Hazardous Materials Advances》：Biosorption of Radiocaesium by
Rhizopus arrhizus Fungal Biomass
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本研究聚焦于放射性铯-137 (Cs-137) 的环境污染治理难题，系统探究了以少根根霉 (Rhizopus arrhizus) 真菌生物质作为一种低成本、环境友好型生物吸附剂的应用潜力。通过批处理实验结合多种物化表征技术 (FT–IR, XRD, XRF, SEM)，研究人员系统评估了pH、接触时间、吸附剂用量等关键参数对Cs-137去除率的影响，并揭示了其主要为物理吸附的机理。研究发现，在pH=12、接触时间30分钟、液固比1:75 (m/V) 的最优条件下，Cs-137的最大去除率达55.6 ± 1.4%，理论最大吸附容量可达274.3 mg/g，显著优于多种已知生物吸附剂。该研究为利用真菌基材料处理放射性废水提供了一种高效、可持续的新策略，具有重要的环境与工程应用前景。
论文解读
在切尔诺贝利、福岛等重大核事故之后，放射性物质，特别是铯-137 (Cs-137)，对全球生态系统和人类健康构成了持久且复杂的威胁。这种放射性同位素半衰期长达30.007年，释放强γ射线，且在环境中高度可溶、易于迁移。更棘手的是，它在生物体内的行为与钾离子 (K(I)) 相似，容易被植物和动物吸收，从而悄无声息地进入食物链。传统的物理化学去污技术，如离子交换、膜过滤等，虽有一定效果，但常伴有成本高昂、易产生二次废料等弊端。因此，开发一种高效、低成本且环境友好的替代方案，成为环境修复领域的迫切需求。
近年来，生物修复，尤其是利用真菌进行的“真菌修复”，展现出了巨大潜力。真菌拥有巨大的比表面积、多样的代谢能力和富含功能基团的细胞壁，使其能够像“海绵”一样吸附水中的重金属和放射性核素。其中，生物吸附——一种依赖于细胞表面功能基团被动结合金属离子的过程——因其可在非活性生物质中进行、成本效益高、可重复使用等优点而备受关注。在众多真菌中，少根根霉 (Rhizopus arrhizus) 因其来源广泛、生长迅速、生物质富含几丁质、壳聚糖等多糖类物质，在吸附铜、铅、铀等金属方面表现出色。然而，它针对放射性铯的吸附性能与机理，此前尚未得到系统性探索。为此，由Marek Hupian等人组成的研究团队，在《Journal of Hazardous Materials Advances》上发表了一项研究，深入探究了少根根霉生物质对Cs-137的生物吸附性能与机制。
为开展此项研究，研究人员综合运用了多种关键的现代分析技术。首先，他们通过傅里叶变换红外光谱 (FT–IR) 分析了生物质表面的官能团，利用X射线衍射 (XRD) 和扫描电子显微镜 (SEM) 分别表征了材料的晶体结构和表面形貌，并通过X射线荧光光谱 (XRF) 确定了其元素组成。在性能评估阶段，核心是批处理生物吸附实验，其中利用Cs-137作为放射性示踪剂，通过NaI(Tl)无机闪烁探测器测量其伽马射线活度，从而精确量化吸附效率。实验系统考察了溶液初始pH值、生物吸附剂用量、接触时间以及初始Cs(I)浓度对吸附效果的影响。最后，通过应用 Langmuir, Freundlich 和 Dubinin–Radushkevich 等吸附等温线模型，对实验数据进行了拟合与分析，以深入理解吸附机理。
研究结果
3.1. 少根根霉样品的表征
研究人员首先对制备的少根根霉生物质进行了全面的“体检”。FT–IR谱图清晰地显示，在3300 cm-1附近存在一个宽峰，归属于O–H和N–H的伸缩振动，表明存在羟基和氨基；1650 cm-1和1540 cm-1处的峰分别对应C=O和N–H/C–N，而1050–1100 cm-1区域的强吸收则源于多糖中C–O和C–O–C的伸缩振动。这些官能团是潜在的金属结合位点。XRD谱图显示在2θ≈20°处有一个宽泛的峰，证实了材料以几丁质、壳聚糖等多糖成分为主的无定形结构，这种结构有利于离子扩散和结合。SEM图像则揭示了其复杂的多孔、三维菌丝网络结构，具有高比表面积和丰富的表面褶皱与微孔，为吸附提供了充足的物理空间。XRF分析检测到了钾、钙、磷、铁等生物体常见元素，反映了其生物来源特性。这些表征结果共同表明，少根根霉生物质具有适合进行生物吸附的化学和物理结构。
3.2. 生物吸附批处理实验
3.2.1. 初始pH值的影响
溶液pH值是影响吸附的关键因素。显示，在酸性条件下(pH 2–5)，吸附效率较低，这是因为质子化作用使生物质表面带正电，与Cs+离子产生静电排斥。随着pH升高，官能团去质子化，表面负电荷增加，静电吸引力增强，吸附效率随之提高。在强碱性条件(pH 12)下观察到最高的吸附趋势，这表明表面电荷调控在Cs(I)吸附中起主导作用。
3.2.2. 生物吸附剂用量的影响
研究人员测试了不同的固液比(生物吸附剂用量)。表明，在液固比为1:75 (即22.86 mg生物质对应5 ml溶液) 时，获得了约32.3%的较高去除率。超过此点，去除率反而下降，这可能是因为生物质用量过多导致颗粒聚集，减少了有效表面积，并降低了溶液中Cs(I)离子向活性位点扩散的浓度梯度驱动力。
3.2.3. 接触时间的影响
时间动力学研究揭示了一个有趣的现象：吸附在30分钟内迅速达到最大值(55.6 ± 1.4%)，表明表面易接近位点被快速占据。随后效率有所下降，并在约21小时后降至约33.6%。但在22和24小时时，吸附效率再次显著上升。这种行为表明体系中存在动态的吸附-解吸平衡，Cs(I)离子与生物质表面之间发生了可逆的相互作用。
3.2.4. 吸附质浓度影响与吸附等温线建模
研究人员考察了不同初始Cs(I)浓度下的吸附行为，并利用三种经典等温线模型对数据进行了拟合。结果显示，Langmuir模型对实验数据的拟合度最佳(R2 = 0.9995)，表明吸附更倾向于在相对均匀的表面发生单层吸附。由此计算出的理论最大吸附容量(qmax)高达274.3 mg/g。Freundlich模型的拟合结果(R2 = 0.9897)和常数n值接近1，也暗示了表面异质性较低。Dubinin–Radushkevich模型进一步提供了吸附机理的信息，计算得出的平均吸附能(E)为6.77 kJ/mol。该数值通常认为若E < 8 kJ/mol，则吸附过程以物理吸附(如静电作用、范德华力)为主。这与其官能团分析和可逆的吸附动力学行为是一致的。
研究结论与重要意义
本研究系统证实了少根根霉真菌生物质作为一种高效生物吸附剂用于去除水溶液中放射性铯-137的可行性与巨大潜力。综合表征表明，该材料具有丰富的含氧、含氮官能团、无定形的多孔结构，为其吸附性能提供了物理和化学基础。在优化的实验条件下(pH 12, 液固比1:75, 接触时间30分钟)，其对Cs-137的去除效率可达55.6%，理论最大吸附容量显著高于文献中报道的多种其他生物吸附剂(如藻类、改性壳聚糖、其他真菌及生物炭等)。
研究最重要的发现之一在于通过吸附等温线分析阐明了其作用机理：吸附过程最符合Langmuir单层吸附模型，且Dubinin–Radushkevich模型指示其平均吸附能约为6.77 kJ/mol，这表明Cs(I)在少根根霉生物质上的吸附主要是一个以物理作用为主导的过程，可能涉及离子与带负电官能团之间的静电相互作用，这为理解真菌修复放射性铯的微观机制提供了关键见解。
此项研究的意义重大。首先，它验证了一种低成本、易获取、环境友好的生物材料在处理难治性放射性污染物方面的实际效能，为开发新型放射性废水处理技术提供了有前景的候选材料。其次，详细的参数优化和机理研究为后续的材料改性(如化学修饰、制备复合材料)以进一步提升其吸附容量、选择性和稳定性指明了方向。最后，这项基础性工作为应对未来可能发生的核污染事件，以及修复现有受铯污染的场地和水体，提供了一种具有可持续发展潜力的生物技术方案，在环境安全和核能可持续发展领域具有重要的科学价值与应用前景。
