来源：RSM and ANN-driven optimization of Reactive Blue 221 biosorption by inactive Aspergillus niger: Mass transfer mechanisms, pareto analysis, and a circular economy approach（Journal of Environmental Management）| 编译：DNA Lab Space | 原文许可：elsevier-subscription
导读
合成活性染料结构复杂、难以生物降解，是纺织废水中顽固的污染源。本研究以灭活黑曲霉（Aspergillus niger）生物质为吸附剂，系统考察其对活性蓝221（RB 221）的去除性能。Langmuir模型给出30 °C下最大单层吸附容量32.89 mg/g；动力学符合准二级与Elovich模型，Weber-Morris与Boyd分析表明传质受外膜扩散与颗粒内扩散共同限制。RSM优化预测去除率89.17%，实验验证达89.25%；ANN（4-20-10-1拓扑）预测精度优于RSM（R²=0.9941 vs 0.968）。研究还给出成本评估与废转能处置路径，指向一种低成本、可持续的纺织废水处理方案。
研究背景
纺织工业的染色与整理工序产生大量含染料废水。活性染料因色产率高、固色性好而被广泛用于纤维素纤维染色，其中RB 221是典型代表。但这类染料具有复杂的芳香族与磺酸基结构，在水环境中高度持久，常规生物降解难以奏效。有色废水排入受纳水体后会阻碍光穿透、干扰光合作用，并可能生成芳香胺等有毒、潜在致癌的降解产物。
物理化学法虽能有效脱色，但运行成本高、产生二次污泥，在低成本处理系统中难以推广。生物吸附因此成为颇具实用性的替代路线。白腐真菌可借木质素分解酶降解活性染料，但许多常见微生物菌株对这类染料基本无能为力。为规避连续培养的复杂性，灭活生物质因其无需营养供给、不受毒性抑制、可重复使用等优势受到关注。本研究即在此背景下，评估灭活黑曲霉对RB 221的吸附行为，并通过RSM与ANN联合优化操作条件，同时考察传质机制、热力学特征与处置路径。
研究方法
2.1 化学品与染料表征
商业级活性蓝221（RB 221）取自土耳其马拉蒂亚当地一家纺织厂。用蒸馏水配制1 g/L的母液，所有实验工作液均由此经系列稀释获得。溶液初始pH用0.1 N HCl或NaOH调节，并用Thermo Scientific Orion Star 4 pH计（Thermo Fisher Scientific，美国）连续监测。残余染料浓度用分光光度法（PerkinElmer Lambda 360 UV–Vis，美国）在615 nm波长下测定；该波长是在200–800 nm全光谱扫描后实验确定的RB 221最大吸收峰（λmax）。
【数据】染料：RB 221；母液浓度：1 g/L；pH调节剂：0.1 N HCl或NaOH；检测波长：615 nm；光谱扫描范围：200–800 nm；仪器：Thermo Scientific Orion Star 4 pH计、PerkinElmer Lambda 360 UV–Vis
2.2 生物吸附剂的制备
黑曲霉菌株由土耳其埃迪尔内特拉基亚大学生物系提供，在250 mL三角瓶中培养。每瓶含100 mL液体生长培养基，成分为蔗糖（30 g/L）、酵母提取物（2 g/L）、MgSO₄（0.2 g/L）、K₂HPO₄（0.5 g/L）和KH₂PO₄（0.5 g/L）。培养基初始pH用0.1 M H₂SO₄或NaOH调至5.0。接种前，所有培养基与玻璃器皿均在121 °C下高压灭菌15 min（Priorclave Midas 55）。随后真菌培养物在轨道培养箱（Gallenkamp）中于30 °C、150 rpm培养72 h。
培养结束后，用真空过滤收获充分发育的菌丝体生物质，并用去离子水充分洗涤以去除残留培养基。为同时实现热灭活与吸附剂制备，将洗涤后的生物质在烘箱（Stuart Scientific 251）中于60 °C干燥16 h。干燥后的灭活生物质经研磨并通过200 μm标准筛，以保证粒径均一。最终粉末状吸附剂保存在干燥器内的密闭玻璃容器中，防止吸附实验前吸湿。
【数据】菌株：黑曲霉（A. niger）；培养基体积：100 mL；蔗糖：30 g/L；酵母提取物：2 g/L；MgSO₄：0.2 g/L；K₂HPO₄：0.5 g/L；KH₂PO₄：0.5 g/L；初始pH：5.0；灭菌：121 °C、15 min；培养：30 °C、150 rpm、72 h；干燥：60 °C、16 h；筛孔：200 μm
2.3 批次生物吸附实验
批次生物吸附实验在250 mL三角瓶中进行，每瓶含100 mL RB 221工作液。为保证均匀分散并促进最佳传质，三角瓶在轨道培养箱中以150 rpm振荡。通过改变接触时间（0–240 min）、初始染料浓度（25–150 mg/L）、吸附剂投加量（1–10 g/L）、初始溶液pH（4.0–6.5）和温度（20–40 °C），系统考察关键操作参数的影响。所有实验均做三次平行以保证数据重现性，后续建模采用平均值。
在预定时间间隔取样，立即以4000 rpm离心5 min（Nüve NF 400），将固体真菌生物质与液相干净分离。上清液中残余RB 221浓度在615 nm下用分光光度法测定。随时间变化的生物吸附容量qt（mg/g）和总染料去除率（%）分别按式(1)和式(2)计算：
(Eq. 1) qt = (C₀ − Ct)V / M
(Eq. 2) Removal Efficiency (%) = (C₀ − Ct)/C₀ × 100
式中C₀和Ct（mg/L）分别代表初始染料浓度和任意时间t的残余浓度；V（L）为染料溶液体积；M（g）为黑曲霉吸附剂的干重。用于平衡建模时，瞬时项Ct和qt直接替换为平衡浓度Ce和平衡吸附容量qe。
【数据】反应体积：100 mL；振荡转速：150 rpm；接触时间：0–240 min；初始染料浓度：25–150 mg/L；吸附剂投加量：1–10 g/L；初始pH：4.0–6.5；温度：20–40 °C；离心：4000 rpm、5 min；平行次数：3
2.4 等温线建模与生物吸附热力学
为阐明RB 221分子与黑曲霉表面之间的相互作用行为，将实验平衡数据拟合到Langmuir、Freundlich和Temkin等温线模型的线性化形式。Langmuir模型（式(3)）假设染料在黑曲霉表面形成单层覆盖，表面结构均一且含有有限数量的能量等价结合位点（Langmuir, 1918）：
(Eq. 3) Ce/qe = 1/(qmax·KL) + Ce/qmax
式中qmax（mg/g）为最大单层生物吸附容量，KL（L/mg）为与吸附自由能相关的Langmuir常数。为进一步评估该生物吸附体系的有利程度，用式(4)计算无量纲分离因子RL（Hall et al., 1966）：
(Eq. 4) RL = 1/(1 + KL·C₀)
若计算出的RL值严格落在0 < RL < 1范围内，通常认为生物吸附过程高度有利。Freundlich等温线是描述非理想、多层吸附于异质表面的经验模型（Freundlich, 1907），其线性化方程见式(5)：
(Eq. 5) ln qe = ln Kf + (1/n) ln Ce
式中KF [(mg/g)(L/mg)^(1/n)]为指示相对吸附容量的Freundlich常数，n（无量纲）为反映吸附强度的异质性因子。最后引入Temkin模型（式(6)）评估特定的吸附质-吸附剂相互作用，其前提是总生物吸附热随表面覆盖度增加呈线性而非对数下降（Temkin and Pyzhev, 1940）：
(Eq. 6) qe = BT ln KT + BT ln Ce
式中BT为与生物吸附热有关的常数（BT = RT/bT）；R为通用气体常数（8.314 J/mol·K）；T为绝对温度（K）；KT（L/mg）为平衡结合常数。
【数据】模型：Langmuir、Freundlich、Temkin；气体常数R：8.314 J/mol·K；RL有利范围：0 < RL < 1；原文未详述拟合温度与浓度点
2.5 生物吸附动力学建模
为研究生物吸附过程的动态机制并识别速率控制步骤，用准一级（PFO）、准二级（PSO）和Elovich动力学模型评估随时间变化的实验数据。PFO模型（式(7)）最初用于检验总生物吸附速率是否与黑曲霉表面未占据结合位点数量成正比（Lagergren, 1898）：
(Eq. 7) ln(qe − qt) = ln(qe) − k₁t
式中k₁（min⁻¹）为PFO速率常数。为探索化学吸附的可能性——即速率限制由电子共享或交换的价力决定——还将数据拟合到PSO模型的线性形式（式(8)）（Ho and McKay, 1999）：
(Eq. 8) t/qt = 1/(k₂·qe²) + t/qe
式中k₂（g/mg·min）为PSO速率常数。考虑到生物表面很少完全均一，引入Elovich方程（式(9)）以更好地描述具有不同活化能的高度异质生物吸附剂表面上的潜在化学吸附机制（Chien and Clayton, 1980）：
(Eq. 9) qt = (1/β) ln(αβ) + (1/β) ln(t)
式中α（mg/g·min）表示初始吸附速率，β（g/mg）为与表面覆盖度和活化能有关的解吸常数。Elovich参数由qt对ln(t)的线性图获得，斜率对应1/β，截距对应(1/β)ln(αβ)。
此外，为补充Weber-Morris分析并评估外边界层阻力相对于颗粒内扩散的贡献，将Boyd动力学模型应用于实验数据。平衡分数达成率（F）和Boyd数（Bt）用式(10)和式(11)计算：
(Eq. 10) F = qt/qe
(Eq. 11) Bt = −0.4977 − ln(1 − F)
根据该模型，若Bt对时间(t)的线性图直接过原点，则颗粒内扩散是唯一的速率限制步骤。反之，任何偏离原点（截距≠0）都表明外膜阻力对总传质过程有贡献，颗粒内扩散并非唯一速率限制机制。
【数据】模型：PFO、PSO、Elovich、Weber-Morris、Boyd；PFO速率常数：k₁（min⁻¹）；PSO速率常数：k₂（g/mg·min）；Elovich参数：α（mg/g·min）、β（g/mg）；Boyd公式系数：−0.4977；原文未详述具体拟合数值
2.6 生物吸附热力学
（原文节选至此中断，后续热力学参数计算步骤原文未详述。）
【数据】原文未详述
研究结果
3.1 pH的影响
溶液pH在生物吸附过程中至关重要，它同时决定吸附剂表面电荷与目标吸附质的电离状态（Jiang et al., 2024）。在恒定操作条件（C₀ = 100 mg/L，吸附剂投加量 = 5.0 g/L，温度 = 30 °C）下，考察了初始pH在4.0–6.5范围内对黑曲霉去除RB 221的影响。如图1所示，平衡生物吸附容量（qe）高度依赖pH。染料吸附量从pH 4.0时的11.2 mg/g上升至pH 5.0时的峰值15.80 mg/g。超过该最优阈值后，继续增加碱性导致性能稳步下降，pH 6.5时容量降至12.3 mg/g。
这一性能趋势在机制上与黑曲霉生物质的零电荷点（pHpzc）有关，文献报道其通常在4.4–4.6之间（Vale et al., 2016）。由于最优实验pH（5.0）略高于该等电点，生物质的宏观净表面电荷接近中性或略带负电。这一物理事实表明，阴离子型RB 221染料的结合不可能仅由宏观静电吸引驱动。相反，生物吸附由高度局域化的正电荷主导——例如来自几丁质和壳聚糖等结构生物聚合物、具有较高pKa的质子化胺基（-NH₃⁺）（Kapoor and Viraraghavan, 1995）——并辅以广泛的氢键和范德华力。由于RB 221含有强电负性的磺酸基（-SO₃⁻），这些复杂的局域物理化学相互作用在pH 5.0时使生物吸附容量达到最大。该机制推断与后文（3.7节）讨论的热力学发现完全吻合，后者证实该过程由复杂的吸热物理化学相互作用驱动，而非纯化学吸附（Xiao et al., 2021; Han et al., 2023）。
在较高pH（pH > 5.0）下，吸附剂表面逐步去质子化，获得更强的净负电荷，对阴离子染料分子产生显著静电排斥。此外，溶液中羟基（OH⁻）离子浓度增加，与剩余活性结合位点产生激烈竞争，大幅抑制吸附容量。真菌生物质吸附阴离子染料时类似的pH依赖传质限制在文献中屡有报道（Aksu and Dönmez, 2003）。
【数据】pH范围：4.0–6.5；C₀：100 mg/L；吸附剂投加量：5.0 g/L；温度：30 °C；qe：pH 4.0为11.2 mg/g、pH 5.0为15.80 mg/g、pH 6.5为12.3 mg/g；pHpzc：4.4–4.6
3.2 吸附剂投加量对去除率的影响
吸附剂投加量是关键操作参数，直接决定可用于捕获染料的总表面积和活性结合位点的绝对数量。为优化该参数，在恒定背景条件（C₀ = 100 mg/L，初始pH = 5.0，T = 30 °C）下将黑曲霉生物质浓度从1.0变化到10.0 g/L。如图2所示，投加量从1.0增至5.0 g/L时，去除率急剧提升，从15.48%飙升至82.72%的峰值。这一显著的初始改善由有效表面积扩大和相应空余结合位点过剩驱动，二者共同促进染料快速附着（Iscen et al., 2022; Doğan et al., 2008）。
反之，投加量继续增至10.0 g/L并未带来成比例收益；去除率反而略有下降，降至78.26%。较高固液比下的这一负面趋势是文献充分记载的传质限制，由悬浮液中真菌菌丝的部分团聚引起。在浓稠悬浮液中，细胞的物理聚集导致官能团重叠，并有效遮蔽内部活性位点，使其无法接触主体染料分子，从而降低单位质量吸附剂的净可及表面积（Das and Das, 2013）。因此，确定最优吸附剂投加量为5.0 g/L，并用于后续所有批次与建模实验。
【数据】投加量范围：1.0–10.0 g/L；C₀：100 mg/L；初始pH：5.0；温度：30 °C；去除率：1.0 g/L为15.48%、5.0 g/L为82.72%、10.0 g/L为78.26%；最优投加量：5.0 g/L
3.3 接触时间与初始染料浓度的影响
相接触时间是决定任何生物吸附系统动力学效率和最终饱和极限的基本参数。在优化基线条件（T = 30 °C，吸附剂投加量 = 5.0 g/L，初始pH = 5.0）下，于240 min内、宽浓度梯度（25–150 mg/L）监测黑曲霉对RB 221的时间依赖性吸附。为保证数据严谨性，进行了初步空白对照（不含生物质）。这些检查证实，染料因非特异性粘附于玻璃反应器壁造成的损失严格可忽略，有效验证了所有观察到的浓度下降均完全由真菌生物吸附驱动。
如图3a所示，传质曲线呈现经典的双相动力学特征。在初始快速阶段（0–30 min），残余水相染料浓度急剧下降。例如，在初始负载C₀ = 100 mg/L时，残余染料浓度在最初30 min内即降至约42 mg/L。这一瞬时吸附阶段对应于黑曲霉细胞壁上丰富且高度可及的外围结合位点的快速占据。从物理角度看，陡峭的初始浓度梯度提供巨大的热力学驱动力，有效克服主体液相与固体吸附剂表面之间的边界层传质阻力（Ho and McKay, 1999）。
初始激增之后，染料捕获速率逐渐减慢。这一次级缓慢阶段是颗粒内扩散的标志。随着易接触的外部位点完全饱和，剩余的RB 221分子被迫深入真菌菌丝复杂的内部微结构。同时，已吸附染料分子与 incoming 游离染料之间加剧的静电排斥进一步延缓总吸附速率（Weber and Morris, 1963）。浓度衰减曲线最终在约120 min时趋于平稳，标志着动态稳态的开始。尽管至240 min仍有极小部分染料被吸附，系统在120 min时已有效达到平衡。因此，确定保守接触时间120 min用于后续所有批次实验，以保证位点完全饱和。
此外，平衡生物吸附容量（qe）与初始RB 221浓度呈强正相关（图3b）。初始染料浓度升高直接放大浓度梯度，增强推动染料分子向黑曲霉表面迁移的基本驱动力。这种增强的动力学动量有效缓解空间位阻，导致单位质量吸附剂的比染料负载显著提高。
【数据】接触时间：0–240 min；浓度范围：25–150 mg/L；温度：30 °C；吸附剂投加量：5.0 g/L；初始pH：5.0；C₀=100 mg/L时30 min残余浓度约42 mg/L；平衡时间约120 min；空白对照染料损失可忽略
3.4 初始染料浓度与温度的影响
温度在生物吸附过程中充当双重热力学驱动因素，同时决定吸附质分子的动力学迁移性和生物质基质的结构完整性。初始染料负载（25–150 mg/L）与热条件（20、30、40 °C）对黑曲霉平衡吸附容量（qe）的交互影响如图4所示。操作温度从20 °C升至30 °C引发平衡容量的明显增强，该效应在较高初始染料梯度下愈发显著。例如，在基线浓度100 mg/L时，qe从20 °C的14.65 mg/g攀升至30 °C的峰值15.80 mg/g。这一初始热增强在机制上……
（原文节选至此中断，后续讨论原文未详述。）
【数据】浓度范围：25–150 mg/L；温度：20、30、40 °C；C₀=100 mg/L时qe：20 °C为14.65 mg/g、30 °C为15.80 mg/g
讨论与解读
本研究证实了灭活黑曲霉生物质作为生态友好、低成本吸附剂修复水相中RB 221的技术可行性与机制路径。吸附剂在最优温度30 °C下展现最大单层容量（qmax）32.89 mg/g。动力学分析表明，吸附过程由准二级和Elovich模型稳健描述，反映传质机制由结构异质表面上高度局域化的物理化学相互作用驱动。Weber-Morris图中非零截距（C ≠ 0）证实反应速率受外边界层与颗粒内扩散共同限制。这些动力学观察得到形态与元素表征（SEM/EDS/FTIR）的确证，直观验证了内部大孔的占据，并化学证明了表面官能团——主要是质子化胺——在静电束缚富磺酸基染料分子中的积极作用。热力学评估（ΔG° < 0，ΔH° > 0）进一步验证了生物吸附系统的自发、吸热性质，确认了在结构稳定的热边界内由强物理化学相互作用主导的传质机制。
RSM采用中心复合设计优化过程，在pH 5.25、投加量7.95 g/L、30 °C、染料浓度87.50 mg/L条件下，最大预测去除率为89.17%，实验验证为89.25%。贡献分析突出吸附剂投加量为关键操作参数，占总过程方差的约90%。人工神经网络（ANN）采用4-20-10-1拓扑，预测精度优于二次RSM模型（R² = 0.9941 vs. 0.968）。结合初步成本评估与提出的废转能处置路径，这些发现表明灭活黑曲霉是纺织废水处理中实用、低成本且可持续的生物吸附剂。
编译者解读：该研究将灭活真菌生物质与RSM/ANN双模型优化结合，方法学上兼顾了机理深度与工程可操作性。帕累托分析锁定投加量为主导因子（约90%方差），为放大时的成本控制提供了明确靶点。局限在于：研究仅停留在批次尺度，未涉及固定床连续柱的动态吸附与再生循环；ANN虽精度更高，但黑箱特性使其难以直接指导机理推演。若能将废转能路径的能耗与碳足迹纳入全生命周期评估，其循环经济叙事会更有说服力。
参考来源
期刊：Journal of Environmental Management, 2026
DOI: 10.1016/j.jenvman.2026.131150
DOI: 10.1016/j.jenvman.2026.131150