巨毛菇（Macrolepiota procera）吸附水溶性结晶紫溶液的能力评估：实验与理论方法

《Journal of Water Process Engineering》：Evaluation of Macrolepiota procera for the adsorption of aqueous crystal violet solutions: Experimental and theoretical approaches

【字体：大中小】 时间：2026年05月10日 来源：Journal of Water Process Engineering 6.7

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土耳其锡瓦斯共和国大学科学学院化学系

摘要

本研究通过实验和理论方法探讨了Macrolepiota procera生物量吸附 Crystal Violet (CV)从水溶液中去除的效果。全面分析了接触时间（1–1440分钟）、初始溶液pH值（2–12）、生物吸附剂用量（0.01–0.20克）以及温度（278.15–333.15 K）对CV吸附的影响。在最佳条件下，CV的去除效率约为68–81%；随着生物吸附剂用量的增加，去除效率提高，但在较高负载下活性位点的利用率降低，导致平衡吸附容量下降。

平衡数据最好用Langmuir等温线模型描述，而Freundlich模型表明了表面异质性。动力学分析显示吸附过程遵循伪二级模型（R² = 0.971），表明表面控制的相互作用起主导作用。热力学结果证实吸附是自发的且吸热过程（ΔH = 24.85 kJ mol^?1），并且在较高温度下吉布斯自由能值逐渐减小。表面表征（FT-IR、SEM和EDX）证实吸附后表面官能团发生了变化。可重复性测试表明，该生物吸附剂在五次循环后仍保留约25%的初始吸附容量，表明其适用于有限循环或低成本的一次性应用。通过密度泛函理论计算以及蒙特卡洛和分子动力学模拟，研究了结晶紫与蘑菇细胞壁主要成分几丁质之间的相互作用。

引言

快速的工业化和城市化导致了全球水污染的显著增加，其中有机染料、重金属和药品是主要的环境威胁。在这些污染物中，来自纺织、造纸、化妆品、食品和皮革行业的染料尤为令人担忧，因为它们具有持久性和毒性，对水生生态系统和人类健康构成严重风险[1]。因此，在这些染料排放到水环境之前对其进行有效处理对于缓解这一全球问题至关重要[2]。

已经采用了多种物理化学处理方法来去除染料，包括光催化[3]、沉淀[4]、过滤[5]和色谱[6]。然而，这些方法往往无法达到足够的去除效率，因为许多染料具有很高的水溶性并且难以生物降解。针对这些限制，生物吸附——利用生物材料作为吸附剂——作为一种替代且越来越有吸引力的策略应运而生[7]、[8]、[9]。近期文献广泛记录了来自农业和工业废物的各种低成本生物吸附剂在染料去除方面的潜力，包括杏仁皮[10]、桃金娘叶[11]、糖精炼厂废弃物[12]和农业食品水碳[13]。综合评论还强调了用于去除持久性染料（如Basic Red 46）的各种吸附材料和机制方法[14]。生物吸附的有效性受到生物材料化学性质的重大影响，因为表面官能团很大程度上决定了表面电荷特性和吸附行为[15]、[16]。这些官能团通常含有氮、磷、碳和硫原子，在微生物和低等真核生物（包括藻类和真菌）中含量丰富[8]、[17]。

大型真菌（定义为形成可见子实体的真菌）是一类特别有前途的生物吸附剂。它们的生物量在酸性或碱性条件下都能有效工作，能够承受机械应力，并表现出较高的结构灵活性，因此适用于吸附应用[18]、[19]、[20]。在自然生态系统中，真菌在植物材料降解中起着关键作用[21]，并且能够积累各种环境污染物[22]，进一步支持了它们在废水处理中的潜在用途。

Crystal Violet (CV)是纺织和制药行业中广泛使用的阳离子染料（图1），由于其较高的毒性，被认为比许多阴离子染料更具危害性[23]。CV的芳香结构增强了其在水环境中的稳定性，使其去除变得复杂，而接触该染料可能导致人类出现胃肠道和呼吸系统疾病[24]、[25]。这些特性使得CV成为吸附研究中的一个特别具有挑战性和环境相关性的目标。

本研究的主要目的是通过综合实验和理论方法，探讨大型真菌Macrolepiota procera作为生物吸附剂去除水中有害污染物Crystal Violet的可行性。将通过优化关键操作参数（如接触时间、pH值、生物吸附剂用量和温度）来全面评估其吸附行为。将通过平衡、动力学和热力学建模对这一过程进行表征。使用FT-IR、SEM和EDX技术在吸附前后分析生物吸附剂的表面形态和官能团。还将评估其可重复使用性以确定经济可行性。 recent研究已经证明，将实验吸附数据与密度泛函理论(DFT)、蒙特卡洛(MC)和分子动力学(MD)模拟等计算工具结合起来，可以深入了解吸附质-吸附剂之间的相互作用[27]、[28]。研究表明，来自生物质的多孔碳和异质结构材料通过这种综合方法优化了表面功能和孔隙结构，从而提高了吸附性能。因此，在本研究中，使用DFT、MC和MD模拟阐明了结晶紫与几丁质（真菌细胞壁的关键成分）之间的分子级相互作用。这种综合方法不仅报告了一种有效生物吸附剂的性能，还为吸附机制提供了基本解释，突出了富含几丁质的真菌材料在去除受污染水中的阳离子染料方面的潜力。

章节摘录

化学品

本研究中使用的所有化学品均为分析级，未经进一步纯化。Crystal Violet (CV)购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。氢氧化钠(NaOH)和盐酸(HCl)购自Merck（德国达姆施塔特）。乙醇（≥99.8% v/v）由Merck（德国达姆施塔特）提供。所有实验过程中都使用了去离子水。

生物吸附剂的制备

从土耳其德尼兹利收集了Macrolepiota procera菌种的新鲜子实体

生物吸附剂的表面形态

使用傅里叶变换红外(FT-IR)光谱法（ATR，Bruker，Tensor II）评估了吸附剂表面的主要官能团。FT-IR分析在4000–400 cm^?1范围内进行，分辨率为4 cm^?1，共进行了32次扫描。这一评估在吸附前后都进行了。同时，通过SEM和EDX分析（CüTAM，锡瓦斯共和国大学中央实验室，土耳其）也证实了表面形态。

结论

本研究通过结合实验和理论方法，系统评估了Macrolepiota procera菌生物质作为一种低成本、可持续且环保的生物吸附剂，用于去除水溶液中的结晶紫。吸附性能受到操作参数的显著影响，在接近中性条件（pH ≈ 6.0）、适量的生物吸附剂用量和较高温度下实现了最佳去除效果，这突显了

CRediT作者贡献声明

Sava? Kaya：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、实验研究、数据分析。Volkan Eyupoglu：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、实验研究、数据分析。Muhammed Bora Ak?n：实验研究、数据分析。Y?lmaz Mert：实验研究、数据分析。Avni Berisha：实验研究、数据分析。Serap ?etinkaya：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、方法论、实验研究、数据分析。

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化学品

生物吸附剂的制备

生物吸附剂的表面形态

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