黄色青霉（Penicillium chrysogenum Eg5）的死亡生物量作为一种可持续的生物吸附剂，用于高效且选择性地去除六价铀（U(VI)）和多种金属：优化研究、作用机制解析及重复使用性能评估

《Bioresource Technology Reports》：Dead biomass of Penicillium chrysogenum Eg5 as a sustainable biosorbent for efficient and selective U(VI) and multi-metal removal: Optimization, mechanistic insights, and reusability performance

真菌死生物质作为铀和多金属复合污染水体的高效生物吸附剂，经筛选确定青霉属Penicillium chrysogenum Eg5为最优吸附材料，在pH 5.0、200 rpm、130 min条件下铀去除率达91.3%。抑制离子顺序为CO3^2- > SO4^2- > Mg^2+ > Ca^2+ > K+ > NO3^- > Cl^-，动力学符合伪一级模型，热力学分析显示过程自发且吸热，在多金属系统中保持61-79%的吸附效率，经5次循环后吸附性能仍保持90%。红外光谱和表面分析证实羧基、氨基等官能团通过离子交换、络合及物理吸附作用实现高效固废处理。

　　

作者：向标音（Xiangbiao Yin）、艾哈迈德·G·易卜拉欣（Ahmed G. Ibrahim）、魏月洲（Yuezhou Wei）、艾哈迈德·M·埃德（Ahmed M. Eid）、穆罕默德·F·哈姆扎（Mohammed F. Hamza）、穆罕默德·阿里·阿卜杜勒-拉赫曼（Mohammed Ali Abdel-Rahman）、曾德乾（Deqian Zeng）、萨阿德·埃尔-丁·哈桑（Saad El-Din Hassan）、夏明明（Mingming Xia）、阿姆尔·福达（Amr Fouda） 中国南方科技大学核科学技术学院，衡阳，421001

摘要

在处理受铀污染的废水时，迫切需要可持续且低成本的生物吸附剂，尤其是在含有多种竞争性离子的系统中。本研究从重金属污染的土壤中筛选出八种真菌分离株，发现Penicillium chrysogenum Eg5的死亡生物质是去除六价铀（U(VI)最有效的吸附剂。通过系统优化操作参数，在吸附剂浓度为3.0 g L^?1、pH值为5.0、转速为200 rpm和吸附时间为130分钟的条件 下，该生物质对六价铀的去除效率达到了91.3%。竞争性离子的存在遵循以下抑制顺序：CO?^2? > SO?^2? > Mg²⁺ > Ca²⁺ > K⁺ > NO?^? > Cl^?。动力学分析表明吸附过程遵循伪一级反应机制，平衡数据符合Freundlich等温线，表明吸附为异质多层吸附。热力学分析证实这是一个自发的吸热过程，并且温度升高时吸附效果更好。在同时含有六价铀、铜离子（Cu²⁺）、锌离子（Zn²⁺）、镍离子（Ni²⁺）和铁离子（Fe²⁺）的多金属系统中，该生物吸附剂仍能保持较高的去除效率（61–79%）。经过五次吸附-解吸循环后，该生物质仍能保持90%的初始性能。FT-IR、SEM-EDX、XPS和TGA分析表明，羧基、胺基、酰胺基、羰基和磷酸基等官能团通过离子交换、络合和物理结合等方式参与吸附过程。六价铀负载后的形态变化显示表面发生压实和颗粒聚集。这些发现表明Penicillium chrysogenum Eg5生物质是一种稳健、选择性强且可回收的生物吸附剂，适用于可持续的铀和多金属废水处理。

引言

在应对气候变化和实现脱碳的国际合作框架下，20个国家在联合国COP28峰会上宣布将核能容量增加两倍，目标是在2050年前实现零碳排放；另有六个国家在2024年举行的联合国COP29会议上也做出了同样的承诺（Shannak等人，2025年）。随着人口持续增长，对核反应堆发电的需求也在增加。2024年，全球反应堆的运行容量因子达到83%。过去十年间，全球约有68座反应堆投入运行，其中56座位于亚洲国家（相关协会，2015年）。 尽管核电站不会排放空气污染物，但它们需要占用大量土地，核废料处理和管理问题、铀提取以及可能发生的事故都会对生态系统造成危害（Soto和Martinez-Cobas，2024年）。核能主要依赖铀来生产核燃料。在铀矿的开采和加工过程中，以及高放射性废料或乏燃料的地质分离过程中，环境不可避免地会受到六价铀的污染。由于采矿业、燃料循环和加工操作的快速发展，大量含铀废水被排放到环境中，这对地表水和地下水构成了严重威胁。澳大利亚、埃及、巴西、中国、巴基斯坦、加拿大、瑞士和美国等国家都报告了地表水和地下水中存在铀（Ighalo等人，2024年）。不同水源中的铀浓度通常较低，例如开放海水中应低于3.3 μg L^?1，河水中低于4 μg L^?1，地下水中低于5 μg L^?1。在某些特殊环境中（如碱性湖泊和矿化过程中），铀浓度可能显著升高（Smedley和Kinniburgh，2023年）。世界卫生组织建议饮用水中的铀浓度应低于30 μg L^?1作为水质标准（相关组织，2022年）。 虽然部分铀以低品位矿石的形式残留在尾矿中，其含量仅为原始含量的1%至5%，但仍保留了约85%的放射性。这类废物可能含有高浓度的放射性核素，半衰期超过30年，会释放β-γ和/或α粒子，并可能长期保持放射性，同时还会产生热量（Helal等人，2025年）。此外，铀废物中的重金属毒素泄漏还会增加长期的健康和环境风险（Jiang等人，2022年；Kumar等人，2025年）。除了放射性毒性外，铀的化学毒性也会对环境造成严重影响，暴露于铀会导致骨骼、生殖系统、神经系统、肾脏和肝脏的系统性损伤，甚至可能引发癌症（Faqir等人，2025年）。 传统的铀去除方法（如反渗透、离子交换、絮凝和化学混凝、电化学处理、超滤和吸附）存在显著缺点（Gavrilescu等人，2009年）。这些方法存在一些局限性，包括产生有毒化学污泥、吸附效率较低（尤其是在存在竞争性离子时）、在酸性条件下运行受限、合成成本高、在复杂环境中性能不佳，以及依赖昂贵的化学物质（Mahesh等人，2025年）。相比之下，微生物生物修复作为一种环境安全、经济有效的手段，利用生物转化、生物吸附、生物累积、生物沉淀、生物强化、生物矿化、生物浸出和生物膜形成等多种机制来处理放射性核素和重金属（Bhatti和Tuovinen，2025年；Fatima等人，2025年）。 在这方面，真菌为从受污染水中回收铀提供了一种简单且可重复使用的解决方案，显著减少了化学物质的使用。无论是死亡的还是活的真菌生物质，都能有效用于有毒污染物的去除。真菌细胞壁中的几丁质成分即使在低pH值下也具有很强的金属吸附能力。研究表明，某些类型的真菌（如Mucor属、Penicillium属、Rhizopus属、Fusarium属、Aspergillus属和Saccharomyces属）在吸附铬、镍、铅、砷、锶和铀方面表现出色。此外，死亡真菌生物质在成本、能耗、耐毒性、可重复使用性和速度方面比活真菌生物质更具优势，同时还具有多种官能团和结合位点（Ayele等人，2021年；Hussien，2021年）。为了可持续地利用铀资源并确保环境安全，需要采用高效的铀回收和分离方法（Helal等人，2025年）。 因此，本研究旨在评估所选死亡真菌生物质在含有多种阴离子和阳离子的废水中去除铀和重金属的能力，确定控制吸附过程的最佳实验条件，并探索其在可持续有害金属去除系统中的潜在可重复使用性和应用前景。

材料

六水合硝酸铀酰（uranyl nitrate hexahydrate）购自美国SPI Supplies公司，用于制备铀溶液。CuSO?•5H?O（99.9%）、ZnSO?•7H?O（99%）、NiSO?•6H?O（99.9%）和FeSO?•7H?O（99%）购自德国达姆施塔特的Merck KGaA公司。所有用于真菌菌株分离和培养的培养基成分均来自德国Sigma-Aldrich公司。

真菌菌株的分离与鉴定

从埃及Gharbia省的一个重金属污染地点采集了受污染的土壤样本...

最高吸附能力的真菌菌株的分离、鉴定与筛选

环保地去除环境污染物（如重金属、染料、稀土元素和其他污染物）仍然是一个重大挑战。结合使用微生物和植物等生物实体为解决这一问题提供了可持续的方法。其中，生物吸附是一种有前景的环保方法，利用细菌、真菌、酵母、放线菌和植物来吸附或吸收这些污染物...

结论

本研究证实Penicillium chrysogenum Eg5的死亡生物质是一种高效、环保且选择性强的一种生物吸附剂，可用于从受污染的废水中去除六价铀（U(VI)及共存的重金属。在优化条件下，该生物质对六价铀的去除效率达到了91.3%，并且表现出对pH值、温度、搅拌速度、投加量和离子强度变化的良好稳定性。动力学和平衡分析结果表明吸附过程遵循伪一级反应机制...

CRediT作者贡献声明

向标音（Xiangbiao Yin）： 数据可视化、验证、资源整理。 艾哈迈德·G·易卜拉欣（Ahmed G. Ibrahim）： 文章撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件使用、数据分析。 魏月洲（Yuezhou Wei）： 数据可视化、项目管理、资金筹集。 艾哈迈德·M·埃德（Ahmed M. Eid）： 文章撰写——审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、方法论设计、数据分析。 穆罕默德·F·哈姆扎（Mohammed F. Hamza）： 文章撰写——审稿与编辑、验证、软件使用。 穆罕默德·阿里·阿卜杜勒-拉赫曼（Mohammed Ali Abdel-Rahman）： 文章撰写——审稿与编辑、验证、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：22350710186、U23B20167、22206073）对本研究的支持和资助。