基于植物性生物吸附剂的真菌改性与染料吸附及降解研究

Agro-waste based biosorption is a very promising approach in treating industrial organic wastewater, whilst green preparation of efficient sorbent and post-processing of generated sorbent/pollutant complex must be well dealt with for real application. This study aims to enhance sorption efficacy via bio-modification by fungal solid-state cultivation on several agro-waste derived raw biosorbents, such as corn cob and peanut shell. The secreted extracellular enzymes, in the meanwhile, will be extracted as beneficial co-product. The bio-modified biosorbents are to be further used to study sorption behavior, isotherm equation, dynamical euqation, and thermodynamic model. We will elucidate the underlying mechanism and rules that govern fungal enhancement of sorption efficacy by employing SEM, FTIR, and XRD techniques. Then, fungal cultivation will be carried out on complex media to achieve ultimate degradation of dyes sequestrated in complex, where degraded fractions and their biotoxicity will be also analyzed using LC-MS in association with wheat seeding experiment. The program will obtain prepotent fungal strains and schematic for modification and degradation, which is finally evaluated in reactors at bench (50 L) and pilot scale (5 ton), thus providing a cradle-to-grave alternative for treatment of dye-containing effluent and unharmful soil application of degraded complex.

以农业废弃物为原料的生物吸附技术在处理有机废水中具有广阔的应用前景，但高效吸附剂的绿色制备和吸附剂/污染物复合体的后续处理是该技术在应用中必须解决的问题。本课题拟以玉米芯、花生壳等不同种类的农业废弃物作为制备改性吸附剂的原材料，利用固态发酵技术在吸附剂材料上培养高等真菌，以达到生物改性、增强吸附性能的目的。同时，抽提发酵过程中真菌分泌的胞外酶蛋白作为有价值的副产物。在此基础上，研究改性吸附剂对不同染料的吸附行为、吸附等温方程、吸附动力学与热力学模型，结合SEM、FTIR和XRD分析，阐明真菌改性增强吸附性能的机制与规律。以复合体为培养基质，进一步通过真菌的固态发酵，实现对复合体中染料的高效降解，利用液质联用和小麦出芽试验分析降解产物及生物毒性。项目将获得吸附剂改性与复合体降解的优势菌株及优化方案，并初步在50L和5吨发酵罐中进行小试和中试试验，为染料废水的治理和复合体的无害还田提供新思路。

吸附技术是近年来国内外研究较多的去除水体中污染物的主要技术之一，这主要得益于效率高和投入小，这两个因素均和吸附剂来源有直接关系。吸附剂可以人工合成也可用天然废弃物如农业废弃物，后者在造价方面明显具有优势，但劣势是吸附效率可能较差，因此对其改性有望能实现其吸附性能的增强。不同的改性方法前人已研究较多，但利用微生物的固态培养还相对较少，该技术绿色环保，还可实现具有附加值的酶副产物产出（理想状态）。本研究对不同的农业废弃物材料利用几种不同的真菌进行发酵处理，考察了处理前后吸附性能的变化，由从吸附模型等方面对机理进行了探讨。总体来说，植物材料并非能吸附所有染料，二者的相互选择性很高；真菌的固态发酵处理可以对植物材料改性，但改性后的材料吸附性能是否能提高则对吸附剂来源具有一定的选择性；不同的真菌对材料改性的效果也不相同；改性的材料对染料的吸附行为可能会发生一定的改变。植物材料吸附染料后的复合体可以作为真菌生长的培养基质而重新利用，通过进一步的固态发酵，最终实现了真菌对有机污染物和植物材料的共同降解；真菌对复合体的降解效果依赖于发酵过程的优化和固态发酵设施。该研究为融合两种不同的技术来处理环境污水提供了重要依据。