海洋所在利用海藻生物處理高鹽有機(jī)廢水研究方面取得新進(jìn)展
近日,中國科學(xué)院海洋研究所藻類生理過程與精準(zhǔn)分子育種研究團(tuán)隊(duì)在利用海藻處理高鹽有機(jī)廢水的系列研究中取得重要進(jìn)展,相關(guān)研究成果在Chemical Engineering Journal(中科院一區(qū),TOP期刊)和Materials Today Sustainability(JCR一區(qū))等國際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表。
印染廢水是印染工業(yè)活動(dòng)中產(chǎn)出的一種極為復(fù)雜的高鹽有機(jī)廢水,富含大量的有機(jī)染料、高濃度磷及其他有害成分,不僅水量龐大,而且有機(jī)污染物濃度極高、堿性強(qiáng)、水質(zhì)波動(dòng)顯著,因此被普遍視為工業(yè)廢水處理中的最大難題之一,對自然環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)乃至人類健康均構(gòu)成了不容忽視的嚴(yán)重威脅。
我國海藻資源豐富,利用海藻進(jìn)行廢水處理是一項(xiàng)非常有前景的研究課題。生物法處理廢水具有其他方法所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢,不會(huì)產(chǎn)生二次污染,環(huán)境友好。研究團(tuán)隊(duì)在前期研究基礎(chǔ)上,利用從印染廢水中分離出的河流弧菌(V. fluvialis)與索羅金小球藻(C. sorokiniana),成功構(gòu)建了一套高效的菌/藻協(xié)同生物處理系統(tǒng)(BACTS),并對BACTS處理印染廢水的條件進(jìn)行了優(yōu)化。在最佳條件下——即先接種V. fluvialis,隨后以1:2的比例加入C. sorokiniana,維持pH值于6.5,并確保光照強(qiáng)度達(dá)到8000 Lux,該系統(tǒng)對實(shí)際印染廢水顯示出非常好的處理效能,對廢水中總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)及染料的去除率分別高達(dá)87.31%、73.23%和35.0%,整體水質(zhì)改善幅度達(dá)到55.6%。此外,該菌藻協(xié)同系統(tǒng)還具備額外的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,能夠副產(chǎn)出包括油脂、多糖和蛋白在內(nèi)的高附加值產(chǎn)物(脂質(zhì):27.63%,多糖:81.1mg/g多糖,蛋白質(zhì):16.62mg/g)。
深入探究其作用機(jī)制發(fā)現(xiàn),V. fluvialis與C. sorokiniana主要通過生物吸附與生物轉(zhuǎn)化兩大機(jī)制發(fā)揮作用,兩者在BACTS中展現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應(yīng),共同加速了生物降解及轉(zhuǎn)化進(jìn)程。漆酶、過氧化物酶及偶氮還原酶等多種酶類在染料降解與生物轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮了核心作用。該研究通過巧妙利用廢水環(huán)境中的本地細(xì)菌與藻類,開創(chuàng)了一種新型的廢水生物協(xié)同處理系統(tǒng),為廢水處理領(lǐng)域提供了一種既高效又經(jīng)濟(jì)的新策略,展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景與環(huán)保價(jià)值(Chemical Engineering Journal 2024, 157459)。

V.fluvialis/C.sorokiniana協(xié)同處理廢水生物系統(tǒng)的構(gòu)建
研究團(tuán)隊(duì)前期還利用海藻細(xì)弱紅翎菜(S. tenuis)進(jìn)行了生物合成納米材料來處理廢水的研究。細(xì)弱紅翎菜是一種適應(yīng)能力非常強(qiáng)的海洋紅藻,于特定環(huán)境條件下能迅速繁衍,引發(fā)局部藻潮現(xiàn)象,若未予及時(shí)管控,將對環(huán)境構(gòu)成潛在威脅。團(tuán)隊(duì)采集了在貢口灣形成局部藻潮的細(xì)弱紅翎菜,提取制備了藻紅蛋白(PE),并利用其建立了一種簡單、快速和環(huán)境友好的生物合成納米金材料(Au@PE NPs)的方法。通過UV、FP、FT-IR、TEM、XPS和XRD等技術(shù)手段對合成的納米材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)確認(rèn)及表征。結(jié)果顯示,該納米金粒徑均勻,平均直徑為16 nm。所制備的Au@PE NPs展現(xiàn)出了卓越的催化性能,能高效促進(jìn)水污染物4-硝基苯酚向4-硝基苯胺的轉(zhuǎn)化(k298K= 0.36 × 10-2 s-1)。此外,該材料對染料亞甲基藍(lán)(脫除率79.2%)及番紅O(脫除率60.0%)同樣表現(xiàn)出顯著的光催化去除效果。深入探究Au@PE NPs的催化與脫色機(jī)制發(fā)現(xiàn),PE不僅扮演著納米金合成的封端劑與還原劑角色,還顯著提升了金納米粒子的溶解度和光催化活性,實(shí)現(xiàn)了生物與納米技術(shù)的巧妙融合。該研究不僅驗(yàn)證了將環(huán)境有害物轉(zhuǎn)化為多功能新型生物耦合復(fù)合材料的可行性,而且為污染物的去除與環(huán)境治理開辟了“以害制害”的新途徑,為環(huán)境有害生物資源的合理利用提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的潛在解決方案,展現(xiàn)了變廢為寶的綠色科技魅力(Materials Today Sustainability 2023, 23, 100435)。

細(xì)弱紅翎菜生物合成納米金復(fù)合材料(Au@PE NPs)及其光催化在廢水處理中的應(yīng)用
中國科學(xué)院海洋研究所為論文第一完成單位,論文1的第一作者為碩士畢業(yè)生宋玉齡和王立軍副研究員,通訊作者為王廣策研究員和溫州大學(xué)馬增嶺教授。論文2的第一作者為王立軍副研究員,通訊作者為王廣策研究員。研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、南通市科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目和TS學(xué)者“攀登計(jì)劃”等項(xiàng)目資助。
論文信息:
Song, Y.#; Wang, L.#; Qiang, X.; Guo, M.; Gu, W.; Wu, S.; Gao, S.; Liu, X.; Xie, X.; Fan, Q.; Zhang, J.; Ma, Z.*; Wang, G*. Design, construction and evaluation of collaborative bio-system of Vibrio fluvialis with Chlorella sorokiniana for treating actual printing and dyeing wastewater. Chemical Engineering Journal 2024, 500,157459. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157459.
Wang, L.; Qiang, X.; Song, Y.; Wang, X.; Gu, W.; Niu, J.; Sun, Y.; Srinuanpan, S.; Wang, G*. Green synthesis of gold nanoparticles by phycoerythrin extracted from Solieria tenuis as an efficient catalyst for 4-nitrophenol reduction and degradation of dyes in wastewater. Materials Today Sustainability 2023, 23, 100435. https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2023.100435.
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