在循环经济框架下，利用来自Serratia sp. EIKU25的微生物色素以及农业废弃物衍生的生物媒染剂进行功能性纺织品染色

《Bioresource Technology Reports》：Functional textile dyeing with microbial pigments from Serratia sp. EIKU25 using agro-waste derived bio-mordants within a circular economy framework

　　

塔尼娅·罗伊（Taniya Roy）| 萨什瓦塔·迈纳克（Shashwata Mainak）| 阿蒂夫·阿齐兹·乔杜里（Atif Aziz Chowdhury）| 萨扬塔尼·保罗（Sayantani Paul）| 尼伦杜·巴萨克（Nilendu Basak）| 阿宁迪塔·巴塔查吉（Anindita Bhattacharjee）| 斯克·伊姆兰·阿里（Sk. Imran Ali）| 阿鲁尼玛·比斯瓦斯（Arunima Biswas）| 埃克拉穆尔·伊斯兰（Ekramul Islam）

印度西孟加拉邦卡利亚尼（Kalyani）卡利亚尼大学微生物学系，邮编741235

摘要

随着纺织行业向环保型染料转变，本研究对一种根际细菌及其红色色素进行了表征，并评估了这种部分纯化的色素在使用石榴皮和洋葱皮提取的生物媒染剂对纺织面料进行染色的效果。从Serratia sp. EIKU25菌株中分离出的色素在含有0.2% NaCl、1%乳糖和1% (NH₄)₃PO₄的Luria Broth培养基中，在pH 7.0条件下，于30°C下静置培养4天后产量为12.56 ± 0.33 mg/L。通过薄层色谱（R_f = 0.88）分析、UV–Vis光谱吸收最大值（535 nm）、红外光谱（FT-IR）和核磁共振（NMR）确认该色素与prodigiosin相似。使用石榴皮和洋葱皮作为生物媒染剂后，将丝绸和棉织物浸入部分纯化的色素溶液中，不同温度和时间的处理后显示出明显的着色效果。在最佳温度90°C下处理45分钟后，石榴皮媒染的丝绸和洋葱皮媒染的棉织物的色强值（K/S）分别为5.67和2.71，表明着色效果明显。生物媒染织物的干湿 Standards 耐色性测试结果分别为5分和4-5分，与明矾媒染的织物相当。该色素及染色后的织物均表现出对多种革兰氏阳性和革兰氏阴性病原菌的抗菌活性。此外，该色素具有显著的抗氧化潜力，但其细胞毒性较高（IC₅₀ = 12–39 μg/mL），低于许多合成染料的毒性水平，与其他天然染料纺织品相当，显示出良好的生物相容性。

引言

来自各个行业（尤其是纺织业）的合成染料是全球环境污染的主要来源，据估计每年有749吨未经处理的染料排放到环境中，污染水和土壤（Pinheiro等人，2022年）。虽然天然染料自史前时代就已使用，并且在合成染料出现之前一直是纺织着色的唯一来源，但合成染料的出现使得大规模生产多种颜色变得更加经济。尽管合成染料在纺织、化妆品、食品和造纸等行业中得到广泛应用，但它们对环境和健康的影响重新引发了人们对天然替代品的兴趣（Gomes等人，2025年）。植物、动物、矿物和微生物来源的天然染料通常具有生物降解性、无毒性和环保性。然而，基于植物的染料存在一些局限性，如季节性供应、劳动密集型加工过程以及因环境和遗传因素导致的色素含量不稳定，这些因素限制了其标准化。为了应对这些挑战，研究人员越来越多地探索能快速培养并产生多种色素的细菌（Rather等人，2023年）。微生物作为多种色素的来源更具吸引力，因为它们易于处理、提取成本低、生产周期短，并且不受季节和气候条件的限制（Mukhia等人，2024年）。此外，微生物的代谢过程可以利用生物废弃物作为培养基，从而实现废物资源化，符合循环经济的原则。

微生物色素是化学性质稳定且功能多样的产物，它们通常由微生物在恶劣环境下合成（Rather等人，2023年）。已知多种细菌属能产生色素，例如Serratia marcescens产生的prodigiosin、Chromobacterium violaceum和Janthinobacterium lividum产生的violacein、Monascus属产生的monascorubramin和monascins以及Pseudomonas属产生的pyocyanin等（Rather等人，2023年）。这些微生物色素还具备抗氧化、抗真菌、抗突变和抗癌等生物活性，使其成为有前景的替代品（Ramesh等人，2019年）。最近对功能性织物的需求进一步推动了天然色素的应用。这些天然色素的特性可以赋予织物，从而创造出具有这些有益功能的纺织品（Gomes等人，2025年；Rather等人，2023年）。这些功能性不仅对消费者有益，还能通过抑制织物降解延长其使用寿命（Heyse等人，2016年）。这些功能性纺织品可用于医疗保健、运动服饰、家居纺织品等领域，既可用作预防措施，也可用于治疗（Gomes等人，2025年）。

尽管微生物色素具有诸多优势，但由于产量较低，其应用仍受到限制。其中一个主要障碍是寻找高产菌株并优化生产过程。天然色素的生产通常受到产量低和环境影响敏感性的限制，因此需要优化培养条件以提高色素产量。最近，人们致力于优化色素生产以提高产量和实际应用效果。许多研究报道了使用不同培养基组成的方法，有些研究重点添加了葡萄糖和乳糖等碳源来优化色素生产（Pereira和de Carvalho，2024年）。

传统上，纺织面料上的有效染色依赖于化学媒染剂。在这方面，尤其是来源于生物废弃物的生物媒染剂不仅有助于减少化学物的使用，还有助于废物回收，这对于可持续纺织染色非常重要（Benli，2024年）。石榴皮、洋葱皮、柠檬和罗望子等材料在农业、农业废弃物、市场和市政废弃物中常见，用作生物媒染剂可以有效利用这些资源（Benli，2024年），从而实现高效的废物资源化，减轻环境负担并促进循环经济。然而，将微生物色素生产与纺织功能化相结合或研究染色织物中生物活性的保留方面的研究相对较少。

根际是一个竞争激烈且营养丰富的微环境，微生物在这种环境中面临激烈的种间相互作用、氧化应激和波动的理化条件。在这种环境下，微生物产生的次级代谢产物（包括色素）具有生态优势，如抗菌防御、抵抗活性氧和增强应激生存能力（Patkar等人，2021年）。以前从与植物相关的栖息地中分离出了能够产生prodigiosin的Serratia菌株，研究表明色素的产生有助于提高物种的适应性和环境竞争力（Qin等人，2020年）。特别是水稻根际，由于根分泌物的影响，这里存在多样化的微生物群落，为分离具有多种代谢能力和生物活性的色素菌株提供了理想的环境。

因此，本研究旨在探索一种根际细菌的色素生产潜力，并评估该色素使用生物媒染剂对纺织织物进行可持续染色的能力。在分离出细菌菌株后，优化了色素的生产过程，并将提取的色素用于棉和丝绸织物的染色。评估了石榴皮和洋葱皮农业废弃物作为生物媒染剂在丝绸和棉织物染色中的效果。通过CIElab色彩空间和色强测量评估了染色效率，并分析了色牢度。在对色素和染色织物进行化学表征后，还评估了其对潜在病原体的抗菌活性、抗氧化活性和细胞毒性。

章节摘录

材料

本研究使用的Purelink基因组DNA提取试剂盒购自Invitrogen（印度）。干燥培养基和化学试剂（分析级；99%）分别购自Hi-media和Merck（印度）。NCCS（印度浦那国家细胞科学中心）提供了C2C12（小鼠骨骼肌成肌细胞）、HEK293（永生化人胚胎肾细胞）和RAW264.7（贴壁小鼠巨噬细胞）细胞系。细胞在Dulbecco改良Eagle培养基中培养（北美版本）

近期纺织研究的发展方向是开发具有抗菌、抗氧化和防紫外线等功能性的织物。使用生物活性微生物色素进行染色是一种实现多功能性的有前景的方法。虽然利用微生物色素开发智能织物已取得一定的成果，但仍面临诸多限制（Kanelli等人，2018年；Metwally等人，2021年；Venil等人，2021年……）

本研究报道了利用水稻根际中的Serratia sp. EIKU25菌株在实验室规模上生产prodigiosin类似色素的情况。这种环保色素在可持续染色丝绸和棉织物方面表现出良好的效果。通过使用农业废弃物提取的生物媒染剂，可以进一步提高织物的色强和色牢度。此外，该色素及其染色后的织物对潜在病原体表现出出色的抗菌活性。

塔尼娅·罗伊（Taniya Roy）：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构建。萨什瓦塔·迈纳克（Shashwata Mainak）：方法论设计、实验设计、数据分析。阿蒂夫·阿齐兹·乔杜里（Atif Aziz Chowdhury）：撰写 – 审稿与编辑、软件使用、数据分析。萨扬塔尼·保罗（Sayantani Paul）：方法论设计、实验设计。尼伦杜·巴萨克（Nilendu Basak）：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。阿宁迪塔·巴塔查吉（Anindita Bhattacharjee）：方法论设计、实验设计。斯克·伊姆兰·阿里（Sk. Imran Ali）：方法论设计、数据分析。

Gohil等人，2020年

Islan等人，2022年

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

塔尼娅·罗伊感谢卡利亚尼大学提供的大学研究奖学金项目的财政支持。同时，我们也感谢DST-SERB、印度政府以及卡利亚尼大学的个人研究资助。