江南大学团队在《Journal of Cleaner Production》发表高效生物合成黑色素用于重金属吸附的研究

作者及机构
本研究的通讯作者为江南大学工业生物技术教育部重点实验室的张娟（Juan Zhang）教授，第一作者为彭政（Zheng Peng），合作者包括罗帅（Shuai Luo）和赵丹丹（Dandan Zhao）。研究团队来自江南大学生物技术学院及未来食品科学中心。成果于2022年12月19日在线发表于《Journal of Cleaner Production》（2023年卷385期，文章编号135655）。

学术背景
工业废水中的重金属（如Cd²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺）对环境和人类健康构成严重威胁。传统吸附材料（如活性炭）存在制备成本高、吸附效率受限等问题。黑色素（Melanin）因其丰富的官能团（如=O、–OH、–NH、–COOH）可通过配位或螯合作用高效吸附重金属，但天然来源有限，化学合成工艺复杂且不环保。本研究旨在通过微生物发酵优化高产黑色素，并验证其在重金属吸附、环境稳定性及生物活性方面的应用潜力。

研究流程
1. 菌株筛选与鉴定
- 从无锡葡萄园土壤中分离出丝状真菌 Stachybotrys sp. HSS-1，通过酪氨酸培养基验证其产黑色素能力（产量1.91 g/L）。
- 通过ITS序列分析和系统发育树构建（NCBI BLAST比对）确认菌种，并测定其生长曲线（48–120 h为对数生长期）。

1. 发酵优化

   • 参数优化：确定最佳发酵条件为pH 6.5、31°C、8%接种量、30 mL培养基体积，黑色素产量提升至11.56 g/L（较初始提高6.05倍）。
     
   • 碳氮源筛选：淀粉（2 g/L）和蛋白胨（3 g/L）为最优碳氮源，L-酪氨酸（2 g/L）为关键前体。
     

2. 黑色素提取与表征

   • 提取纯化：发酵液酸化沉淀后，经NaOH溶解、盐酸酸化、有机溶剂脱脂，最终冻干获得纯化黑色素M1。
     
   • 结构鉴定：
     
     • 紫外光谱：214 nm处特征吸收峰，符合真黑色素（Eumelanin）特性。
       
     • 元素分析：C（59.72%）、N（5.94%）、S（0.572%），低硫含量表明M1以真黑色素为主。
       
     • 红外光谱：3411.99 cm⁻¹（O–H伸缩振动）、1612.3 cm⁻¹（C=O振动），证实含羧基取代的吲哚醌结构。
       
     • 核磁共振：δH 2.2–2.5 ppm（吲哚-CH₃）、δH 8.2–8.5 ppm（吡咯-CH），进一步支持结构解析。
       

3. 重金属吸附性能

   • 吸附能力：M1纳米材料对Pb²⁺吸附上限达45 mg/g（pH 7.5），10分钟内吸附量接近20 mg/g，符合准二级动力学模型（R²=0.985）。
     
   • pH影响：pH 8时Pb²⁺去除率近100%，但碱性环境易形成Pb(OH)₂沉淀，故推荐pH 7.5为最佳吸附条件。
     

4. 稳定性与生物活性

   • 热稳定性：100°C处理2小时后残留率96.46%。
     
   • 辐射抗性：UV照射60分钟或日光暴露5天后残留率>98%。
     
   • 抗菌性：3 mg/mL M1对Bacillus megaterium和Salmonella抑制率分别达100倍和1000倍。
     
   • 抗氧化性：1 g/L M1对超氧自由基（97.33%）和羟基自由基（98.59%）的清除率优于维生素C。
     

主要结果与逻辑关联
- 发酵优化显著提升产量（11.56 g/L），为后续应用提供足量材料。
- 结构表征确认M1为真黑色素，其多官能团特性解释了重金属吸附机制。
- 吸附实验表明M1对Pb²⁺的高效吸附能力，动力学模型支持化学吸附主导过程。
- 稳定性与生物活性结果证明M1适用于复杂自然环境下的废水处理。

结论与价值
本研究通过微生物发酵规模化生产黑色素M1，其兼具重金属吸附、环境稳定性和抗菌抗氧化功能，为水处理提供了新型生物材料。科学价值在于阐明了M1的结构-功能关系，应用价值体现在低成本、高效吸附及环境适应性。

研究亮点
1. 高产菌株：Stachybotrys sp. HSS-1的黑色素产量（11.56 g/L）为目前报道的较高水平。
2. 多功能材料：首次系统验证黑色素在重金属吸附、抗菌、抗辐射等方面的综合性能。
3. 绿色工艺：微生物发酵法避免了化学合成的环境污染问题。

其他价值
- M1的抗氧化性能可拓展至医药或化妆品领域。
- 研究数据可通过请求获取，支持后续应用开发。