菌株Bacillus sp.CLb芽孢漆酶對染料、模擬染料廢水脫色的研究

李凡姝，劉海洋，范麗莉，王天女，戴紹軍，趙 敏，汪春蕾*

(1.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150040;2.黑龍江省實驗中學(xué)，黑龍江哈爾濱 150001;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

菌株Bacillus sp.CLb芽孢漆酶對染料、模擬染料廢水脫色的研究

李凡姝1，劉海洋2，范麗莉3，王天女1，戴紹軍1，趙 敏1，汪春蕾1*

(1.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150040;2.黑龍江省實驗中學(xué)，黑龍江哈爾濱 150001;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

［目的］研究芽孢桿菌菌株CLb的芽孢漆酶在介體的互作下對不同類型的染料及模擬染料廢水的脫色效果。［方法］制備芽孢粗酶液，在介體的互作下，測定具有漆酶活性的粗酶液對活性亮藍(lán)、活性黑、靛紅和結(jié)晶紫的脫色效果，篩選出對染料脫色有促進(jìn)作用的漆酶介體，并且研究芽孢漆酶在不同pH條件下對染料和模擬染料廢水脫色的影響。［結(jié)果］菌株CLb的芽孢漆酶在無介體參與下只能使活性亮藍(lán)和結(jié)晶紫脫色。在介體乙酰丁香酮(ACE)的作用下，芽孢漆酶對4種染料的脫色率均超過70%。在pH 7.0條件下，芽孢漆酶濃度為44.74 U/L和介體ACE濃度為1 mmol/L時對模擬染料廢水的脫色效果最好，6 h脫色率超過80%。在介體乙酰丁香酮存在，pH 7.0的條件下，菌株CLb的芽孢漆酶對合成染料脫色效率高于pH 9.0時的脫色率。［結(jié)論］在介體乙酰丁香酮的存在下，芽孢漆酶對染料和模擬染料廢水均具有較好的脫色效果。

芽孢漆酶;模擬染料廢水;染料脫色

合成染料被廣泛應(yīng)用于紡織工業(yè)、醫(yī)藥、化妝品和食品等行業(yè)。全球每年生產(chǎn)100 000多種染料，并且數(shù)量超過800 000 t［1］。我國生產(chǎn)的染料占全球產(chǎn)量的40%，并且每年以高于30%的速率增長［2］。以顯色基團劃分的染料有偶氮、蒽醌和靛藍(lán)類，其中偶氮染料為染料的最大族群，70%的偶氮染料被應(yīng)用于紡織品加工［3］。合成染料的生產(chǎn)成本低，相比于天然染料它對各種顏色的配色有更好的穩(wěn)定性和有效性［4］。在染色過程中，高達(dá)15%的染料被排放到廢水中［5］，印染廢水中的染料不易分離，大量的染料被釋放到環(huán)境中，導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染［6］。

目前，治理印染廢水的方法有物理法、化學(xué)法和生物法［7-8］。物理法和化學(xué)法不僅成本高，效率低，而且產(chǎn)生許多不易降解的污染物以及有毒的副產(chǎn)物，造成二次污染，在工業(yè)應(yīng)用中受到一定程度的限制［9］。生物處理法主要是利用各種微生物轉(zhuǎn)化酶如漆酶通過吸附或降解的方式去除廢水中的染料［10］。白腐真菌和某些細(xì)菌對合成染料具有一定的脫色能力。因此，有效治理印染廢水，首要任務(wù)是篩選具有生物轉(zhuǎn)化酶的菌株，并且對其染料脫色能力進(jìn)行研究。雖然已發(fā)現(xiàn)一些細(xì)菌菌株能使蒽醌［11］、偶氮［12］和三苯甲烷［13］染料脫色，但能夠同時對3種染料脫色的細(xì)菌菌株鮮見報道。筆者以具有漆酶活性的芽孢桿菌Bacillussp.CLb為試驗材料，研究芽孢漆酶在介體存在時對偶氮、蒽醌、靛藍(lán)以及三苯甲烷類合成染料的脫色能力，發(fā)現(xiàn)它對靛紅、活性黑和結(jié)晶紫的脫色效果較顯著，6 h脫色率均高于90%。這為細(xì)菌漆酶應(yīng)用于染料廢水治理提供了一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌種。供試菌種為實驗室保藏的芽孢桿菌菌株Bacillussp.CLb。

1.1.2 培養(yǎng)基。LB培養(yǎng)基(1 L)組成為:酵母粉5 g、胰蛋白胨10 g、NaCl 10 g、瓊脂15 g，pH 7.0。

1.2 方法

1.2.1 芽孢粗酶液的制備。菌株Bacillussp.CLb的芽孢外壁上的蛋白具有漆酶活性，含有芽孢的酶液即為粗酶液。參照文獻(xiàn)［14］的方法制備芽孢粗酶液。

1.2.2 芽孢漆酶活性的測定。漆酶活性測定的體系為3 ml，含有0.2 mol/L 磷酸氫二鈉 -0.1 mol/L檸檬酸緩沖液、0.5 mol/L丁香醛連氮以及一定體積的粗酶液。反應(yīng)在37℃條件下進(jìn)行，3min后測定OD525。重復(fù)3次，取平均值。1個漆酶活力單位定義為在1 min內(nèi)氧化1μmol底物所需要的酶量［15］。

1.2.3 芽孢漆酶對染料的脫色以及介體的篩選。利用活性亮藍(lán)(RBBR)、活性黑(RB5)、靛紅(IC)以及結(jié)晶紫(CV)，研究菌株Bacillussp.CLb芽孢漆酶對染料的脫色情況。脫色體系中包含0.2 mol/L磷酸氫二鈉-0.1 mol/L檸檬酸緩沖液(pH 7.0)、染料(終濃度和最大吸收波長見表1)、芽孢粗酶液(終濃度為47.78 U/L)以及各種介體。選用乙酰丁香酮(ACE)、2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物(TE)、1- 羥基苯并三唑(HBT)、2，2′-聯(lián)氮-雙-(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸)(ABTS)、丁香醛(SYR)以及10-(3-二甲氨基丙)吩嗪(PZ)等介體。除ABTS的終濃度為0.01 mmol/L外，其余的介體濃度均為0.1mmol/L，同時設(shè)不加介體的芽孢粗酶液體系為空白對照。40℃水浴鍋中振蕩脫色，定時取樣，7 800 r/min，離心3 min后吸取上清。在各染料的最大吸收波長處，測定吸光值，計算脫色率。

脫色率=(A0-A)/A0×100%

式中，A0為初始染料吸光值;A為定期取樣測得的吸光值。重復(fù)測定3次，取平均值。

表1 染料類型、終濃度及最大吸收波長

1.2.4 不同pH對染料脫色的影響。選用ACE為介體，參照“1.2.3”的方法，研究 pH 7.0 和 pH 9.0 條件下芽孢漆酶對染料的脫色效果。每隔2 h取樣，測定染料的吸光值，計算脫色率。重復(fù)3次，取平均值。

1.2.5 模擬染料廢水脫色中芽孢漆酶濃度的優(yōu)化。參考模擬染料廢水的配制文獻(xiàn)［16］，按照比例加入4種染料以及100 mg/L(NH4)2SO4、100mg/LNa2CO3、25 mg/L CaCl2、25 mg/L KCl、25mg/LCaHPO4以及 25mg/LMgSO4，制成模擬染料廢水。通過全波長掃描，得出模擬染料廢水的最大吸收波長為600 nm。用模擬染料廢水取代染料加入到6ml脫色體系中，緩沖液pH 選用7.0和9.0，選取最適的介體ACE，其濃度為0.1 mmol/L，比較不同pH條件下不同芽孢漆酶濃度對模擬染料廢水脫色率的影響，芽孢漆酶的濃度分別為44.74、95.56 和143.34 U/L。每隔 2 h 取樣，測定OD600，計算其脫色率。重復(fù)3次，取平均值。

1.2.6 模擬染料廢水脫色中介體乙酰丁香酮濃度的優(yōu)化。在pH 7.0的條件下，參照“1.2.5”的模擬染料廢水的脫色體系，分別選用44.74、95.56 和 143.34 U/L 的粗酶液，研究介體ACE濃度分別為0.1、0.5和1.0 mmol/L時對模擬染料廢水脫色效果的影響。設(shè)不加介體的體系為空白對照。定時取樣，測定OD600，計算其脫色率。重復(fù)3次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 介體篩選 在不含介體的脫色體系中，菌株CLb的芽孢粗酶液對結(jié)晶紫的脫色效果好，在6 h內(nèi)脫色率為75.03%。由表2可知，6種介體在活性亮藍(lán)的脫色中均起促進(jìn)作用，其中ACE和SYR的影響較明顯。僅ACE在活性黑的脫色中有促進(jìn)作用。ACE和SYR在靛紅的脫色中有促進(jìn)作用，在SYR作用下對靛紅的脫色率可高達(dá)96.78%。除HBT外，其他5種介體對結(jié)晶紫的脫色均有一定的促進(jìn)作用，ACE的效果較好，對結(jié)晶紫的脫色率達(dá)到91.18%。由此可知，介體乙酰丁香酮對各染料的脫色效果均起到較好的促進(jìn)作用。

表2 在6種介體的作用下芽孢漆酶對染料的脫色率 %

2.2 不同pH對染料脫色的影響 由圖1可知，在脫色體系中加入0.1mmol/L ACE，緩沖液 pH 為7.0，菌株Bacillussp.CLb芽孢漆酶在4 h內(nèi)對活性黑以及在2 h內(nèi)對靛紅的脫色率均達(dá)到93%，在6 h內(nèi)對活性亮藍(lán)和結(jié)晶紫的脫色率分別為79.0%和92.5%。由圖2可知，當(dāng)緩沖液pH為9.0時，菌株Bacillussp.CLb芽孢漆酶同樣能使活性黑、靛紅和結(jié)晶紫脫色，在4 h內(nèi)它們的脫色率依次為 81.0%、85.3%和93.5%。在40℃條件下，芽孢漆酶在pH 7.0的條件下對活性黑和靛紅的脫色效果要比在pH 9.0的條件下好，pH對結(jié)晶紫的脫色效果影響差別不大。

圖1 ACE對各染料脫色率的影響(pH 7.0)

圖2 ACE對各染料脫色率的影響(pH 9.0)

2.3 芽孢漆酶濃度對模擬染料廢水脫色的影響 由圖3可知，緩沖液 pH 7.0，在0.1 mmol/L ACE 介導(dǎo)下，隨著芽孢漆酶濃度的增加，模擬染料廢水的脫色率也增加，2 h的脫色率均超過60%。經(jīng)過6 h脫色反應(yīng)，其脫色率依次可達(dá)到80.42%、80.24%和 84.34%。由圖 4 可知，緩沖液 pH 9.0，脫色2 h后，隨著酶濃度的提高，對模擬染料廢水的脫色率由49.82%提高至63.77%，隨著脫色反應(yīng)時間的延長，反應(yīng)6 h后脫色率均高于65%。可見，隨著酶濃度的增加，它對模擬染料廢水的脫色率也提高，芽孢漆酶在pH 7.0的條件下對模擬染料廢水的脫色效果比在pH 9.0時明顯。

圖3 芽孢漆酶對模擬染料廢水脫色率的影響(pH 7.0)

圖5 不同芽孢漆酶濃度下ACE濃度對模擬染料廢水脫色率的影響

圖4 芽孢漆酶對模擬染料脫色率的影響(pH 9.0)

2.4 乙酰丁香酮濃度對模擬染料廢水脫色的影響 由圖5可知，在pH 7.0，不含介體的條件下，當(dāng)芽孢漆酶濃度為44.74U/L時，對模擬染料脫色率僅為28.75%，隨著脫色時間的增加，脫色率呈上升的趨勢，但是脫色效果不明顯。當(dāng)脫色體系中加入不同濃度的ACE時，脫色率明顯提高，脫色6 h后脫色率均高于80%。當(dāng)芽孢漆酶濃度為95.56和143.34 U/L時，介體作用6 h后，對模擬染料廢水的脫色率同樣超過80%?？梢?，芽孢漆酶的最適脫色濃度為44.74 U/L，介體ACE的濃度達(dá)到1mmol/L時對模擬染料廢水的脫色效果最好。

3 討論

漆酶能催化氧化多酚類化合物，同時分子氧被還原為水。研究表明，非漆酶底物可以在小分子介體存在時被漆酶氧化。介體主要通過電子轉(zhuǎn)移的方式，形成陽離子自由基，促進(jìn)非漆酶底物型物質(zhì)的氧化分解［17］。有研究表明，小分子介體能促進(jìn)漆酶對染料的氧化反應(yīng)［18］。

介體按照來源可分為天然介體和人工合成介體。大多數(shù)人工介體穩(wěn)定性差、成本高且效率低，易于吸附在纖維表面，且具有一定的毒性［19-21］。因此，工業(yè)上推崇來自一些真菌次生代謝產(chǎn)物或木素降解產(chǎn)物的天然介體，對環(huán)境和生態(tài)有一定的保護(hù)作用。ACE是天然介體，其濃度在6～57 mmol/L時，不適合應(yīng)用于廢水處理，不僅成本高，而且會帶來額外的污染［22］。該研究選用的乙酰丁香酮濃度范圍為0～1mmol/L，促進(jìn)染料脫色的效果較好。介體乙酰丁香酮濃度對模擬染料廢水脫色具有一定的影響。當(dāng)介體濃度為0.1 mmol/L，pH 7.0時，脫色2 h后對模擬染料廢水的脫色率為66.13%。當(dāng)介體濃度提高為0.5 和1.0mmol/L 時，2 h 后的脫色率分別上升為75.54%和79.40%，提高的幅度不大。這可能是由于反應(yīng)體系中介體與漆酶的結(jié)合達(dá)到飽和，從而不能產(chǎn)生新的活性自由基。所以，在染料脫色過程中應(yīng)研究漆酶與介體的比例，從而做到既有利于提高其脫色率，又不浪費介體。Pathak等［23］把4種偶氮染料混合制成模擬染料廢水(100 mg/L)，在pH 7.0的條件下由叢毛單胞菌屬(Comamonassp.)VS-MH2作用，30 h后直至完全脫色，而該研究將偶氮、蒽醌、靛藍(lán)和三苯甲烷4種不同類型的染料混合(170 mg/L)，脫色6 h后脫色率達(dá)到80.42%。由此可知，菌株Bacillussp.CLb芽孢漆酶對這種混合染料的脫色能力很強。蒽醌型染料可直接由漆酶氧化，屬于漆酶底物型染料，而偶氮和靛藍(lán)2種染料則需要小分子代謝物介導(dǎo)染料和漆酶之間的相互作用，屬于非漆酶底物型染料［17］。研究中，在不含介體的情況下，菌株Bacillussp.CLb芽孢漆酶對100 mg/ml活性亮藍(lán)(蒽醌染料)2 h的脫色率為16.41%，對5 mg/ml結(jié)晶紫(三苯甲烷染料)2 h的脫色率為75.03%，而活性黑(偶氮染料)和靛紅(靛藍(lán)染料)則不能被脫色。漆酶底物型染料在工業(yè)廢水中能促進(jìn)某些非底物型染料的脫色［17］。因此，除了介體濃度和漆酶濃度影響模擬染料廢水的脫色效果，不同類型染料之間也可能相互作用。

靈芝Ganoderma lucidumU-281漆酶催化偶氮染料活性黑5，其脫色率在 pH 3.5 ～6.0 條件下明顯高于 pH 6.5 ～8.0條件，24 h脫色率可達(dá)到90%以上［24］。研究中，在 pH 7.0，介體ACE的作用下，菌株CLb芽孢漆酶4 h對活性黑的脫色率高于93%;在pH 9.0，其他條件相同的條件下，脫色率超過80%?？梢?，在堿性條件下，菌株CLb芽孢漆酶對活性黑的脫色效果優(yōu)于靈芝。紅酵母菌Rhodotorulasp.T-2對染料脫色的最適pH為3.0，偏酸性。在pH 3.0～7.0之間，隨著pH的增加，其脫色率呈下降趨勢［25］。相對于真菌漆酶，細(xì)菌Bacillussp.CLb的芽孢漆酶在中性和堿性條件下有較好的穩(wěn)定性。該研究優(yōu)化出的乙酰丁香酮是天然介體，價格低，效率高，而且用量少。菌株Bacillussp.CLb芽孢漆酶在介體的促進(jìn)下對染料、模擬染料廢水脫色效果的研究，為細(xì)菌漆酶應(yīng)用于工業(yè)廢水脫色提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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Decolorization of Dye and Simulated Dye Effluent by Spore Laccase from Bacillus sp.CLb

LIFan-shu，WANG Chun-lei et al(Northeast Forestry University，Harbin，Heilongjiang 150040)

［Objective］The aim of this study was to investigate the dye decolorization capacity of spore laccase fromBacillussp.CLb with the mediator interaction.［Method］Spore suspension with laccase activity was prepared and tested for its ability of decolorizing four synthetic dyes，including remazol brilliant blue R(RBBR)，reactive black 5，indigo carmine and crystal violet with the mediator interaction.And the mediator promoting the laccase activity was screened.The dye and simulated dye effluent decolorization capacity of spore laccase were researched under different pH conditions.［Result］The result showed that only RBBR and crystal violetwere decolorized in the absence ofmediator.The four dyeswere decolorizedmore than 70%by the spore laccase in the presence of acetosyringone(ACE).About80%of simulated dye effluentwas efficiently decolorized by 44.74 U/L spore laccase at pH 7.0 with 1 mmol/L acetosyringone asmediator after 6 h.In the presentofacetosyringone(ACE)asmediator and pH 7.0，the synthetic dyeswere decolorizedmore efficiently than under pH 9.0 condition by spore laccase.［Conclusion］In the present of acetosyringone(ACE)，the spore laccase fromBacillussp.CLb had an obvious dye and simulated dye effluent decolorization effect.

Laccase;Simulated dye effluent;Dye decolorization

S181.3

A

0517-6611(2014)15-04569-04

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(DL12CA08);國家林業(yè)局948項目(2012-4-03);國家自然科學(xué)基金(No.31170553，30671702，30170775)。

李凡姝(1989-)，女，山東掖縣人，碩士研究生，研究方向:環(huán)境微生物學(xué)。*通訊作者，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事微生物學(xué)的教學(xué)與科研工作。

2014-05-04