一种由壳聚糖与枯草芽孢杆菌外多糖组成的新型复合材料用于从水溶液中去除亚甲蓝

为什么清理有色水体很重要

从我们穿的牛仔裤到我们打印的纸张，现代生活依赖合成染料。但当残留染料被冲入工厂排水口时，它们会使河流染上鲜艳的颜色，阻挡阳光，危害水生生物，甚至对人类健康构成风险。处理这种“有色水”代价高昂，尤其在本已面临水资源短缺的地区更是难以承受。本研究探索了一种由天然高分子制成的低成本、可生物降解材料——一种来源于贝类废弃物，另一种来源于有益细菌——用于快速高效地从水中吸附常见的蓝色染料。

用于净化污水的天然组合

研究者重点去除的是亚甲蓝，这是一种广泛使用且一旦进入环境难以分解的蓝色染料。他们通过将壳聚糖——一种从甲壳类外壳中提取的糖基化合物——与外多糖（由枯草芽孢杆菌产生的长链糖）相结合，构建了一种新材料。两种成分都可生物降解并已知能与污染物结合。思路是将它们融合成单一的“复合材料”，以产生比任一单独材料更多且更有效的结合位点，同时还可回收通常被丢弃的细菌副产物。

新型过滤材料的表现

为了评估这种天然复合材料的性能，团队首先使用红外光谱和电子显微镜考察了其化学成分与结构。这些工具证实材料具有许多活性化学基团——如羟基、氨基、羧基和磷酸基等——可以与染料分子发生结合。在显微镜下，纯壳聚糖表面平滑且相对致密，孔隙较少。相比之下，壳聚糖–细菌多糖复合材料表面更粗糙、更多孔，呈海绵状结构。更开放、不规则的表面为蓝色染料分子进入并附着提供了额外空间。

寻找最佳净化条件

科学家随后测试了不同水环境条件对染料去除的影响。他们改变了酸碱度（pH）、接触时间和初始染料浓度。复合材料在约6的弱酸到接近中性的pH下去除效果最佳，而纯壳聚糖在pH 7时效果最佳。随着pH从强酸向中性增加，材料表面带负电的程度增强，从而强烈吸引带正电的亚甲蓝分子。两种材料在大约30分钟内去除了大部分染料，但复合材料始终表现更好，能去除大约72%的颜色，而纯壳聚糖约为61%。当初始染料浓度非常高时，去除效率下降，主要因为有限的结合位点趋于饱和。

在分子尺度上发生了什么

为深入了解染料的吸附机制，团队分析了材料的吸附量及吸附速率。他们的测量符合一种模型，即染料在表面形成单层有序覆盖，这表明存在明确的结合位点。与纯壳聚糖相比，复合材料每克可储存略多的染料且结合更牢固。动力学实验显示该过程遵循“二级”动力学模式，简单来说即速率受染料分子与特定位点形成键合的速度控制。这里复合材料的速率常数显著更高，约比纯壳聚糖高一个数量级。去除染料前后额外的红外测量显示关键化学信号发生了细微但有意义的位移，表明含氧、含氮和含磷的基团直接参与其中。综合证据指向电荷间的静电吸引、氢键以及环状染料分子与复合材料糖骨架之间的层叠相互作用共同发挥作用。

处理有色废水的更绿色途径

总体而言，该研究表明将壳聚糖与细菌外多糖混合可制成一种完全可生物降解的材料，能比纯壳聚糖更有效且更快速地从水中去除亚甲蓝。尽管一些高性能合成材料能够吸附更多染料，但它们通常在制备时需要使用苛刻化学品且作用时间更长。相比之下，这种天然复合材料由可再生原料制成，包括本会被废弃的细菌副产物，并且在与实际工业废水相似的条件下也能良好工作。速度、性能与可持续性的结合表明，该材料有望被开发成适用于使用鲜艳染料的工厂的实用过滤器——在不引入新污染物的前提下帮助使河流更清澈。

引用: Abd-Alla, M.H., Hassan, E.A., Mohammed, E.A. et al. A novel composite of chitosan and Bacillus subtilis exopolysaccharide for the removal of methylene blue from aqueous solutions. Sci Rep 16, 6349 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36875-7

关键词: 废水处理, 可生物降解吸附剂, 亚甲蓝去除, 壳聚糖复合材料, 细菌外多糖