刚果红作为一种偶氮染料，被广泛应用于纺织、制革、造纸等行业^[1]，然而，其毒性、过敏性及对环境的潜在影响不可忽视。过量摄入刚果红可能有致癌风险，并引发过敏反应，其排放也会对水体和土壤生态系统造成不利的影响。刚果红染料废水常用的处理技术有吸附、离子交换、混凝、高级氧化、电化学和膜分离技术^[2]。其中，吸附法因工艺简单、成本低、高效等优势得到了广泛应用。在种类丰富的吸附剂中，生物质基吸附剂如甲壳素纤维、废弃茶叶和核桃壳^[3-5]等因具有高效、绿色、可再生等特点，在染料废水的处理中展现出独特的优势。

菌丝体是一种由大量菌丝细胞交织而成的三维纤维网络结构，是许多真菌的主要生长形态。菌丝体不仅能在自然环境中快速生长，如今还能通过发酵工艺实现批量化生产，同时，菌丝体还具有优异的生物降解性能，这些特性使其在生物质材料领域展现出巨大的潜力。几丁质是菌丝体细胞壁的主要组成成分，含有大量的官能团，如乙酰氨基和羟基等^[6]。经热碱处理后，乙酰氨基转变为氨基，为后续的结构调控与功能化改性提供了基础条件^[7]。由上述可知，菌丝体集来源广泛、可生物降解、结构疏松多孔、功能基团丰富且便于改性等诸多特点于一体，使其在染料废水处理中具备了良好的应用潜力。胡波等^[8]直接采用菌丝体做水处理剂，可用于吸附废水中的重金属离子，但饱和吸附量相对较低。屠娟等^[9]对菌丝体进行简单的碱预处理，发现预处理后菌丝体对重金属离子吸附容量有所提高，但提高的幅度有限(< 25%)。夏远涛等^[10]以废弃黑曲霉菌丝体、壳聚糖为原料，用环氧氯丙烷进行交联，三聚磷酸钠进行固化，制备成黑曲霉菌丝体-壳聚糖，对水中Cr (VI) 表现出优良的吸附性能。总体而言，作为一种新兴生物质资源，迄今为止，菌丝体在污染物吸附领域的研究仍较为少见，其在染料废水等工业污水中的应用潜力还需要挖掘，实现吸附染料分子高效吸附的改性方法仍需加以探索。

刚果红分子结构中包含2个偶氮键和多个苯环，偶氮键两端的磺酸基团赋予其负电性^[11]。针对此特性，以灵芝(Ganoderma lucidum) 菌丝体为原料，通过热碱处理脱乙酰化使氨基暴露，进而在氨基上接枝聚乙酰亚胺(polyethyleneimine，PEI)。菌丝体纤维网络中接枝的PEI分子链为负电性的水体污染物提供了高密度吸附位点^[12-13]，有助于提高改性材料对刚果红的吸附性能，本研究结果可为发展一种来源广泛、环境友好、可再生的染料废水吸附材料提供技术参考。

1 材料与方法 1.1 试验材料

灵芝菌种购自武汉市洪山区周玉麟食用菌研究所；刚果红(Congo red, CR)、盐酸(HCl)、马铃薯葡萄糖琼脂培养基(potato dextrose agar，PDA) 及马铃薯葡萄糖培养液(potato dextrose broth，PDB) 购自中国医药化学试剂有限公司；蛋白胨、酵母膏、磷酸二氢钾(KH₂PO₄)、七水硫酸镁(MgSO₄ · 7H₂O) 及PEI购自福州汇一科技有限公司；氢氧化钠(NaOH) 和戊二醛(C₅H₈O₂) 购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；以上试剂均为分析纯。试验过程均使用去离子水。

1.2 菌丝体吸附剂的制备

菌丝体的制备：用灭菌的接种铲铲取小块市售灵芝斜面菌种接种于PDA培养基中心，放置于25 ℃培养箱中，恒温培养7~9 d，使培养基表面长满菌丝。

菌丝球的制备：用灭菌的接种铲将上层菌丝轻轻刮入到液体培养基，在25 ℃，100 r · min^-1的恒温摇床上恒温培养直至产生菌丝球^[14]。

菌丝体吸附剂制备：取一定量菌丝球(培养4~6 d) 过滤、洗涤，冷冻干燥后便可得到菌丝体(mycelium，MC)；将MC用2 mol · L^-1的NaOH溶液浸泡2 h^[15]，浸泡温度为50 ℃，冷冻干燥后便可得到热碱菌丝体(thermal alkaline mycelium，TAMC)；将TAMC洗涤后置于质量分数为1%的PEI溶液中20 min，再置于质量分数为0. 1%的戊二醛溶液中交联20 min，取出、洗涤并冷冻干燥后，得到PEI改性菌丝体(polyethyleneimine mycelium，PMC) 吸附剂。

1.3 菌丝体吸附剂的结构表征

采用德国布鲁克公司的TENSOR27傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer，FTIR) 测定样品化学结构，用KBr压片，测试波长为400~4 000 cm^-1，分辨率为0. 4 cm^-1。采用日本Hitachi公司的Regulus 8230扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)，在15 kV的加速电压下测试，观察吸附剂的形貌特征。采用瑞士Mettler公司的热重分析仪(thermogravimetric analyzer，TG)，升温速率为10 ℃ · min^-1，在氮气氛围下检测材料的热稳定性。

1.4 菌丝体吸附剂对刚果红的吸附性能分析 1.4.1 pH值对吸附性能的影响

取菌丝体10 mg，加入20 mg · L^-1的刚果红溶液20 mL，使用1 mol · L^-1HCl或1 mol · L^-1的NaOH溶液调节刚果红溶液的pH值，分别调pH值为3、4、5、6、7、8、9、10、11、12在30 ℃、120 r · min^-1的恒温摇床中振荡24 h，在波长497 nm下测定刚果红的吸光度，并计算染料平衡浓度。菌丝体对刚果红的吸附容量(Q) 和去除率(R) 计算公式如下：

$ Q=\left(C_0-C_{\mathrm{e}}\right) \mathit{V} / \mathit{m} $

(1)

$ R / \%=\left(C_0-C_{\mathrm{e}}\right) / C_0 \times 100 $

(2)

式中：Q是染料的吸附容量(mg · g^-1)；C₀是染料的初始浓度(mg · L^-1)；C_e是染料的平衡浓度(mg · L^-1)；V是染料溶液的体积(L)；m是吸附剂的质量(g)。

1.4.2 吸附剂用量对吸附性能的影响

分别取2、10、20、30、40 mg菌丝体，加入20 mg · L^-1的刚果红溶液20 mL，pH值为5，温度为30 ℃，在120 r · min^-1的恒温摇床中振荡24 h。吸附后，在波长497 nm处测定刚果红的吸光度，计算吸附容量和去除率。

1.4.3 吸附等温线模型

取10 mg菌丝体，分别加入不同浓度的刚果红溶液(5、10、20、50、100、200、300、500 mg · L^-1) 20 mL，调pH值为5，然后将各组样品分别置于15、30、45 ℃的恒温摇床中，在120 r · min^-1的转速下振荡24 h，并在波长497 nm下测其吸光度，计算吸附容量和去除率。

采用Langmuir、Freundlich和Temkin等模型对吸附等温线进行拟合。

Langmuir等温线模型^[16]方程如下：

$ \frac{C_{\mathrm{e}}}{q_{\mathrm{e}}}=\frac{1}{q_{\mathrm{m}} k_{\mathrm{L}}}+\frac{C_{\mathrm{e}}}{q_{\mathrm{m}}} $

(3)

式中：q_e是平衡吸附容量(mg · g^-1)；q_m是最大吸附容量(mg · g^-1)；k_L是平衡吸附的Langmuir等温线模型常数(L · mg^-1)。

R_L是Langmuir等温线模型中的无量纲平衡参数，可通过以下公式得出：

$ R_{\mathrm{L}}=\frac{1}{1+k_{\mathrm{L}} C_0} $

(4)

Freundlich等温线模型^[17]如下：

$ \ln q_{\mathrm{e}}=\ln k_F+1 / n \ln C_{\mathrm{e}} $

(5)

式中：k_F是Freundlich等温线模型常数[(mg · g^-1) (L · mg^-1)^1/n]; n是与吸附能力和吸附作用力有关的常数。

Temkin等温线模型^[18]如下：

$ \frac{q_{\mathrm{e}}}{q_{\mathrm{m}}}=B_{\mathrm{T}} \ln A_{\mathrm{T}}+B_{\mathrm{T}} \ln C_{\mathrm{e}} $

(6)

式中：B_T是与吸附热相关的Temkin等温线模型常数(J · mol^-1)；A_T是与最大结合能相关的平衡结合常数(L · mg^-1)。

1.4.4 吸附动力学模型

取10 mg菌丝体，加入20 mg · L^-1的刚果红溶液20 mL，pH值为5，分别放入30 ℃、120 r · min^-1的恒温摇床中振荡吸附1、3、5、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120、150、180、210、240、270、300 min后在波长497 nm下测其吸光度，计算吸附容量和去除率。

采用准一级动力学模型、准二级动力学模型^[16]和颗粒内扩散动力学模型^[19]对吸附速率进行分析。

准一级动力学模型：

$ \ln \left(q_{\mathrm{e}}-q_t\right)=\ln q_{\mathrm{e}}-k_1 t $

(7)

准二级动力学模型：

$ \frac{t}{q_t}=\frac{1}{k_2 q_{\mathrm{e}}^2}+\frac{t}{q_{\mathrm{e}}} $

(8)

颗粒内扩散动力学模型由以下方程描述：

$ q_t=k_3 t^{1 / 2}+D $

(9)

式中：q_t是t时的去除率(%)；k₁是准一级动力学速率常数(min^-1)；k₂是准二级动力学速率常数(g · mg^-1 · min^-1)；k₃是颗粒内扩散速率常数(mg · g^-1 · min^-1/2)；D为截距(mg · g^-1)。

1.4.5 吸附热力学模型

基于Langmuir常数(k_L) 和范特霍夫方程计算焓变(ΔH) 和熵变(ΔS) ^[19]。

$ \ln k_{\mathrm{L}}=\frac{\Delta S}{R_0}-\frac{\Delta H}{R_0 T} $

(10)

式中：ΔS是熵变(J · mol^-1 · K^-1)；R₀是普适气体常数(8. 314 J · mol^-1 · K^-1)；ΔH是焓变(kJ · mol^-1)；T是热力学温度(K)。

吸附过程的吉布斯自由能变化(ΔG) 根据以下公式计算：

$ \Delta G=\Delta H-T \Delta \mathrm{~S} $

(11)

式中：ΔG是自由能变化(kJ · mol^-1)。

1.4.6 菌丝体吸附剂的可重复使用性

每次吸附完成后，将吸附剂(10 mg) 浸泡在10 mL，浓度为1 mol · L^-1的HCl溶液中24 h，再用蒸馏水洗涤吸附剂，然后在40 ℃的真空烘箱中干燥10 h，测量吸收剂的吸附容量。

2 结果与分析 2.1 菌丝体吸附剂的结构

用SEM观察菌丝体吸附剂的微观结构(图 1)。从图 1A和图 1B可见，改性前MC是由大量微米级的丝状物质组成的，丝状物质在空间上呈“十”字形且分布不规则，整体呈现出丝状网络结构。在高放大倍率下，可观察到MC的丝状枝体是光滑的。从图 1C和图 1D可以看出，热碱处理后，脱乙酰化的TAMC表面粗糙度增大，这是由于氨基被暴露在菌丝体表面所致。从图 1E和图 1F可以看出，经过两次改性之后，PMC丝状网络结构整体完好，并无出现断裂的情况。相对于图 1D，图 1F的表面更粗糙，表明PEI接枝成功，吸附剂表面正电荷增多，从而增强对阴离子染料的吸附能力。

图 2显示了MC、TAMC和PMC的FTIR光谱，3种菌丝体吸附剂均在波长3 299 cm^-1处显示出宽吸收带，归因于几丁质和壳聚糖部分多糖片段的O—H伸缩振动^[20]。位于波长2 924 cm^-1和2 853 cm^-1处相对较弱的吸收带归因于乙酰化和脱乙酰化分子片段中蛋白质和碳水化合物部分的C—H伸缩。菌丝体热碱处理后，几丁质分子链段内的乙酰基转化为胺基。因此，乙酰胺中的C $=$O官能团随着乙酰胺中脱乙酰化程度的加剧而减少^[15]。也就是说，中心在波长1 644 cm^-1处C$=$O吸收带的强度随着脱乙酰度的加剧而降低，这证实了热碱处理后脱乙酰化的成功。经PEI修饰后，C—H键振动峰出现在波长2 924 cm^-1和2 853 cm^-1处。在波长1 407 cm^-1和1 569 cm^-1处的振动吸收也证实了PEI对MC的成功改性，归因于C—N—H的伸缩振动^[21]，相对于MC，PMC的吸收峰在此处有增强，也可以证实PEI的成功接枝。

不同吸附剂的热重曲线和微分热重曲线如图 3所示。从图 3 (a) 可以看出，样品的失重过程可以分为两个步骤：在100 ℃之前的第一次重量损失(约10%)，归因于物理吸附水的释放；第二次重量损失(约60%) 大致位于200~500 ℃之间，主要由含氧基团的分解引起^[22]。从图 3 (b) 中可以得到，最大分解率对应的温度(T_max)，所有样品集中在200~500 ℃范围内降解。壳聚糖的分解温度为180 ℃，MC、TAMC和PMC的降解温度依次是292. 6、253. 3、308. 3 ℃。改性后的PMC热稳定性得到明显提高，印证了所接枝的PEI与菌丝体之间产生了强烈的相互作用。

2.2 pH值和吸附剂用量对刚果红吸附效果的影响

图 4 (a) 展示了初始pH值下菌丝体改性材料对刚果红的吸附去除率。当溶液初始pH值从3增大到5时，MC对刚果红的吸附去除率由76. 62%降到52. 63%，TAMC对刚果红的吸附去除率由82. 64%提升到86. 39%，PMC对刚果红的吸附去除率由90. 15%提升到97. 29%。当pH值大于5时，热碱处理和PEI改性处理的菌丝体材料其染料去除率均随着pH值增大而下降，MC也在酸性条件下吸附性能最好。因此，PMC对刚果红吸附效果最佳时的pH值为5。将富含氨基的PEI嫁接在菌丝体表面。当体系的pH值较大时，PMC中的氨基电离程度减弱，其正电荷不足，导致其对阴离子染料的去除率下降。而当pH值较小时，虽然PMC中的氨基电离程度增强，但刚果红分子中的磺酸基团电离程度同时发生下降，同样导致去除率下降。因此，在pH值为5的条件下，PMC对刚果红的吸附效果最佳，这是由于在该pH值下，PMC的氨基与刚果红的磺酸基团的电离程度达到了一个平衡点，从而实现了最佳的吸附效果。

图 4 (b) 展示的是不同吸附剂用量下刚果红吸附去除率的变化情况。随着吸附剂用量的增加，刚果红的去除率显著升高。当PMC由1 mg增至30 mg时，去除率由60%提升至98%，这是由于吸附活性位点数量随着吸附剂用量的增加而增多。随着吸附剂用量的增加，吸附容量有所下降，PMC吸附容量由241 mg · g^-1降至13 mg · g^-1，这是由于过量的活性位不能被刚果红占据所致。

2.3 改性材料的吸附等温线

吸附等温线表明在恒定温度下单位质量吸附剂吸附的染料质量与液相中的平衡染料浓度之间的关系^[23]。图 5展示了3种吸附剂在288、303、318 K温度条件下对刚果红的吸附等温线，通过Langmuir等温线模型拟合揭示了吸附容量随初始浓度的变化规律。从图 5可以看出，随着刚果红初始浓度的增大，吸附容量逐渐升高，最终趋于饱和。在相同初始浓度下，303 K下的吸附容量高于288 K，说明升高温度增强了吸附剂对刚果红的吸附能力。同时，还使用Langmuir、Freundlichh和Temkin模型进行拟合，其主要参数如表 1所示。

在Langmuir等温线模型中，当R_L=0时，反应是不可逆的；当0 < R_L≤1时，反应是有利的，表 1的数据显示，所有R_L均在0~1之间，表明吸附剂对刚果红的吸附是有利的。Freundlich等温线模型假设吸附发生在非均质表面上，并允许多层吸附溶质分子间力的存在。3种吸附剂的n均大于1，表明吸附易于发生^[24]，这与通过Langmuir等温线模型获得的结论一致。从R²可以看出，试验数据更符合Langmuir等温线模型，而非Freundlich等温线模型。此外，Langmuir等温线模型预测的q_m值与试验q_e值相比，试验数据更符合Langmuir等温线模型^[19]。Temkin等温线模型考虑了吸附质相互作用对吸附等温线的影响，用Temkin等温线模型确定的A_T值提供了关于吸附亲和力的信息。A_T值越大，亲和力越大^{[19, 25]}。因此，吸附剂亲和力由大到小依次为PMC、TAMC、MC。随着温度的升高，吸附亲和力增大。

在温度为318 K时，吸附能力有所下降，这是由于高温可能破坏菌丝体吸附剂的物理结构，导致其吸附位点减少或改变^[10]。在温度为303 K时，用Langmuir等温线模型预测的MC、TAMC和PMC的最大吸附容量分别为91. 743、215. 983、258. 398 mg · g^-1，显著高于部分吸附材料，如改性氧化石墨烯/壳聚糖功能材料(graphene oxide/chitosan composite with disodium ethylenediaminetetraacetate, GEC) ^[26]和甲基纤维素/有机蒙脱土纳米复合材料(carboxymethyl cellulose/organic montmorillonite, CMC/OMMT) ^[27]，其在室温下对刚果红的最大吸附量分别为175. 43 mg · g^-1和156. 64 mg · g^-1，表明菌丝体的脱乙酰化有效提高了其吸附容量，PEI接枝改性则可进一步提升其吸附性能。

2.4 改性材料的吸附动力学与吸附热力学分析

改性材料的吸附动力学分析结果如图 6所示，从图 6 (a) 和(b) 可以看出，3种吸附剂均在200 min左右达到吸附平衡，但PMC的去除率可高达97. 3%，MC和TAMC的去除率则分别为52. 1%和55. 8%，可见改性后的菌丝体吸附剂提高了对刚果红的吸附能力。图 6 (c) 显示吸附过程分为两个阶段。在第一阶段，吸附剂表面有大量的活性位点可供刚果红分子利用，导致高效吸附。第二阶段的吸附逐渐减少直至平衡，表明刚果红分子进入吸附剂的内部过程成为控制吸附速率的主要因素。

吸附数据分别采用准一级和准二级动力学模型进行拟合，得到的相关参数见表 2。通过R²值来看，准二级动力学模型更适合描述刚果红在MC、TAMC和PMC上的吸附动力学。为了研究刚果红在吸附剂上的扩散机制，引入了颗粒内扩散动力学模型。当MC、TAMC和PMC的表面达到饱和时，染料逐渐进入MC、TAMC和PMC的内部。随着刚果红扩散，扩散阻力增大，导致第二阶段的扩散速率降低，最后达到平衡期。D值随吸附剂的正电荷密度增大而增大，表明增加正电荷密度促进了边界层扩散效应^[28]。

计算后得到的热力学参数见表 3。一般而言，ΔH值小于40 kJ · mol^-1, 表明吸附过程是物理吸附^[29]。表 3中MC、TAMC和PMC的ΔH均为正值，说明吸附为吸热过程。3种吸附剂的ΔS都是正值，反映了吸附剂对刚果红的亲和力^[30]。对于3种吸附剂，ΔG均为负值，表明刚果红在3种吸附剂上的吸附是自发的。

2.5 菌丝体吸附剂的可重复使用性

图 7是PMC经历5次循环吸附后的柱状图。吸附5次后，去除率依旧可达到90. 3%，证明了其良好的循环利用能力。图 8A、图 8B是PMC吸附1次后的SEM图，吸附刚果红后的菌丝体吸附剂孔隙变小，吸附位点被刚果红分子占据。图 8C、图 8D是5次吸附-脱附后的SEM图，多次吸附-脱附后菌丝体的整体三维网络结构未被破坏，进一步证明了PMC吸附刚果红的可重复使用性。

3 结论

以灵芝MC为原料，先用NaOH对其进行热碱处理得到TAMC，再接枝聚乙烯亚胺，最后成功制得菌丝体吸附材料PMC。在PMC用量为10 mg、温度为30 ℃、pH值为5的条件下，对浓度为20 mg · L^-1的刚果红溶液吸附效果较好，去除率为97. 3%，远高于未改性MC的去除率(56. 6%)。

吸附等温线符合Langmuir等温线模型，在温度为303 K时，PMC对刚果红的最大吸附容量为258. 398 mg · g^-1，显著高于纯MC的吸附容量(91. 743 mg · g^-1)。吸附动力学符合准二级速率方程，PMC有效提高了对刚果红的吸附能力。吸附热力学显示，ΔG为负值而ΔH为正值，表明吸附是一个自发的吸热过程。PMC连续循环吸附5次后，对刚果红的去除率仍可达到90. 3%，展现了其良好的循环使用性能。改性菌丝体吸附材料不仅可以有效处理染料废水，也有望用于处理含有重金属离子、微塑料、抗生素等污染物的复杂废水体系。当然，在复杂废水体系中，各污染组分在改性菌丝体吸附过程中的竞合关系需要加以深入研究，同时，菌丝体材料在高剪切力条件下的结构稳定性在未来的工作中也需要加以改善。总之，将菌丝体改性成为吸附材料不仅有助于缓解环境污染问题，也能推动菌丝体这类新型生物质材料的可持续发展，本研究结果可为染料废水吸附材料的创新发展提供一条高效、低成本、绿色的新途径。