微生物對(duì)偶氮染料脫色降解的研究進(jìn)展

花 莉，解井坤，朱 超,馬宏瑞，彭香玉

(陜西科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710021)

微生物對(duì)偶氮染料脫色降解的研究進(jìn)展

花 莉，解井坤，朱 超,馬宏瑞，彭香玉

(陜西科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710021)

近年來(lái)，隨著印染與染料工業(yè)的發(fā)展，染料的數(shù)量和品種不斷增多，由染料廢水造成的污染呈增加的趨勢(shì)，開(kāi)發(fā)環(huán)境友好、高效、快速、低成本的染料廢水處理方法是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。目前利用微生物處理偶氮染料廢水的應(yīng)用和研究居于首位，許多研究者致力于高效脫色偶氮染料微生物的篩選、分離和馴化。文章詳細(xì)介紹了微生物對(duì)偶氮染料的脫色機(jī)制，并對(duì)目前研究所涉及的細(xì)菌、真菌、藻類(lèi)以及混合菌群脫色偶氮染料的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對(duì)今后的研究方向和重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行了展望，為偶氮染料廢水微生物處理技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

偶氮染料；脫色降解；細(xì)菌；真菌；混合菌群

目前，國(guó)內(nèi)外常用的偶氮染料廢水處理的方法可以分為物理法、化學(xué)法和生物法3類(lèi)，其中物理法主要包括吸附法、沉淀法、過(guò)濾法、氣浮法、膜分離法、超聲波氣振法和高能物理法等，化學(xué)法主要有化學(xué)混凝法、化學(xué)氧化法、光催化氧化法、電化學(xué)法和高溫深度氧化法等，因物理及化學(xué)法存在著比較嚴(yán)重的二次污染，處理成本也比較高，所以很難在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。生物法的本質(zhì)是利用微生物酶系實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的降解，在處理含偶氮染料廢水方面具有經(jīng)濟(jì)高效、環(huán)境友好、產(chǎn)泥量少、末端產(chǎn)物無(wú)毒害和耗水量小的優(yōu)勢(shì)，是國(guó)內(nèi)外處理印染廢水的主要方法。提高微生物脫色降解效率的關(guān)鍵在于高活性和高適應(yīng)性菌株的馴化和分離，本研究主要介紹了目前發(fā)現(xiàn)的能夠高效脫色和降解偶氮染料的微生物菌株和混合菌群，以及其各自的作用機(jī)制和影響因素，以期為偶氮染料廢水微生物處理技術(shù)的研究與應(yīng)用提供參考。

1 微生物對(duì)偶氮染料的脫色機(jī)制

1.1 吸附脫色

微生物對(duì)偶氮染料的脫色機(jī)制主要有吸附脫色、酶降解以及兩者的共同作用，目前用于偶氮染料吸附脫色的微生物主要有藻類(lèi)、酵母菌、絲狀真菌以及細(xì)菌等。微生物的吸附性能主要取決于菌體表面所含的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、糖類(lèi)等大分子物質(zhì)，以及分子上所含的多種功能基團(tuán)，如氨基、羧基、羥基、磷酸鹽及其他帶電荷基團(tuán)，這些基團(tuán)通過(guò)極性作用、氫鍵、靜電作用以及成鍵作用將偶氮染料吸附于細(xì)胞壁上[4]。適當(dāng)?shù)念A(yù)處理能夠優(yōu)化微生物的吸附性能，如對(duì)微生物進(jìn)行滅菌[5]，添加酸、甲醛、NaOH、NaHCO3或CaCl2等物質(zhì)[6]，能夠改變細(xì)胞的表面性能，增加吸附性能的結(jié)合位點(diǎn)。另外，以滅活微生物作為脫色偶氮染料的吸附劑具有明顯優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗兰?xì)胞不需要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，能夠長(zhǎng)期保存使用，而且可通過(guò)有機(jī)溶劑和表面活性劑再生。微生物的吸附效率受多種因素的影響，如pH、溫度、離子強(qiáng)度、接觸時(shí)間、吸附劑和染料的濃度、染料的結(jié)構(gòu)以及微生物的種類(lèi)等。

1.2 有氧條件下偶氮的降解

偶氮染料的微生物降解可分為好氧和厭氧2種機(jī)制。對(duì)于好氧條件下的偶氮還原，基本認(rèn)為是由特異性酶催化完成的，這些酶是非黃素依賴的偶氮還原酶。最早純化的偶氮還原酶是由羧基橙降解菌株K22產(chǎn)生的Orange Ⅰ偶氮還原酶和菌株KF46產(chǎn)生的Orange Ⅱ偶氮還原酶，這2個(gè)酶都是單體非黃素依賴還原酶[7]。目前在有氧條件下作用的偶氮還原酶有6種已被純化，這些酶都有1個(gè)NAD(P)H結(jié)合位點(diǎn)，即都以NAD(P)H作為輔酶。一些好氧微生物在偶氮還原酶和輔助因子存在的條件下，能夠還原偶氮化合物產(chǎn)生芳香胺類(lèi)物質(zhì)，然后芳香胺類(lèi)物質(zhì)在好氧條件下進(jìn)一步被微生物降解。Yan等[8]將類(lèi)球紅細(xì)菌的偶氮還原酶基因在大腸桿菌中進(jìn)行表達(dá)純化，發(fā)現(xiàn)在純化酶還原偶氮染料生成芳香胺的過(guò)程中有羥基化偶氮中間體存在，為偶氮染料還原必須通過(guò)一個(gè)非完全的還原過(guò)渡階段提供了依據(jù)。另外，單加氧和雙加氧酶能與還原偶氮染料形成的芳香胺類(lèi)物質(zhì)的芳香環(huán)結(jié)合，使芳香環(huán)開(kāi)裂繼而進(jìn)一步使偶氮染料降解礦化。

許多具有偶氮染料還原能力的外酶，如木質(zhì)素過(guò)氧化物酶(LiP)、錳過(guò)氧化物酶(MnP)以及漆酶也是從微生物中分離出來(lái)的[9]。LiP和MnP均為血紅素蛋白酶，具有相似的降解反應(yīng)機(jī)制：以H2O2為最初氧化底物，先將染料氧化形成高度活性的自由基中間體，繼而發(fā)生鏈反應(yīng)產(chǎn)生許多自由基促使底物氧化。此類(lèi)降解反應(yīng)在細(xì)胞外進(jìn)行，從而使得菌體對(duì)降解底物的毒性有較高耐受能力并表現(xiàn)出廣譜性。漆酶是一類(lèi)含銅的多酚氧化酶，其利用O2作為電子受體，催化多酚類(lèi)物質(zhì)經(jīng)4次單電子傳遞形成醌及自由基，不需要H2O2參與。這種自由基反應(yīng)是高度非特異性的和無(wú)立體選擇性的，因此在降解有機(jī)物時(shí)呈現(xiàn)廣譜有效的特性。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[12-13],將降噪后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)在數(shù)值分析軟件中進(jìn)行加權(quán)計(jì)算.主要為座椅處測(cè)點(diǎn)的x,y,z軸加速度值進(jìn)行加權(quán),其加權(quán)系數(shù)分別是1.4,1.4和1.0.得出座椅處的加權(quán)均方根值,如表2所示.

1.3 厭氧條件下偶氮染料的降解

厭氧條件下偶氮染料的降解是一種非特異性的還原過(guò)程，其中包括直接酶催化和依賴氧化還原中間體的偶氮還原過(guò)程。直接酶催化是指微生物體內(nèi)存在非特異性的偶氮還原酶可以直接催化偶氮染料接受電子被還原。例如在利用腸道菌Clostridiumperfringens厭氧脫色偶氮染料的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)菌體培養(yǎng)基的上清液仍然有偶氮還原活性，可能是菌體分泌了一種胞外的偶氮還原酶，且其活性與黃素?zé)o關(guān)[10]，但對(duì)于這種酶的存在目前仍沒(méi)有確鑿的證據(jù)，所以依賴輔助因子以及氧化還原中間體降解還原反應(yīng)可能是厭氧條件下去除偶氮染料的主要機(jī)理。目前，主要的氧化還原中間體有醌、2-萘醌硫磺酸酯(2-anthraquinonesulfonate AQS)、2-羥基-1,4-萘醌(law sone)、FAD、NAD(P)H等，其可以接受來(lái)自偶氮還原酶的電子而被還原，然后又將電子轉(zhuǎn)移給偶氮染料使偶氮鍵(-N=N-)斷裂，產(chǎn)生芳香胺類(lèi)物質(zhì)，從而使偶氮染料脫色。在偶氮染料與氧化還原中間體之間進(jìn)行的是自發(fā)非特異性的還原反應(yīng)，主要決定于兩者氧化還原電勢(shì)的大小。氧化還原電勢(shì)為-320～-50 mV的醌類(lèi)氧化還原中間體通常具有厭氧還原偶氮染料的能力，這是由氧化還原輔助因子NAD(P)H等的氧化還原電勢(shì)和偶氮復(fù)合物的氧化還原電勢(shì)共同決定的[11]。

目前已經(jīng)分離出了多種偶氮還原酶，其作用方式各有不同。其中一種酶是位于細(xì)胞質(zhì)中的黃素氧化還原酶，其對(duì)偶氮染料的降解速率取決于細(xì)胞對(duì)染料的透性，而且對(duì)于不同的染料具有選擇透過(guò)性，分子體積大的較難進(jìn)入細(xì)胞，如酸性染料的摩爾體積小于直接染料，從而比較容易進(jìn)入細(xì)胞中而被胞質(zhì)黃素氧化還原酶所還原，但染料分子的透性并不僅僅取決于分子大小，同時(shí)還取決于分子的極性[12]。由于細(xì)胞膜含有大量的脂質(zhì)及部分蛋白質(zhì)和糖類(lèi)，所以極性親水的偶氮染料不易進(jìn)入細(xì)胞，而且染料分子中的極性基團(tuán)能和細(xì)胞膜上的某些官能團(tuán)形成氫鍵從而更加不利于染料分子進(jìn)入細(xì)胞[13]。另外一種酶是位于細(xì)胞膜上與呼吸鏈有關(guān)的泛醌類(lèi)氧化還原酶，其不依賴于偶氮染料進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，對(duì)偶氮染料的還原集中于細(xì)胞膜上。泛醌類(lèi)偶氮還原酶接受來(lái)自呼吸鏈的電子并將其用于氧化還原中間體的還原，然后氧化還原中間體將電子轉(zhuǎn)移給偶氮染料從而使其還原。由于不依賴染料分子的透過(guò)性，因此泛醌類(lèi)氧化還原酶的還原速率大大提高，而且向反應(yīng)體系中加入氧化還原中間體也將有利于偶氮染料的還原[14]。另外，在利用大腸桿菌厭氧降解偶氮染料的過(guò)程中，前人在細(xì)胞質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了一種NADH依賴的law sone還原酶，而且發(fā)現(xiàn)law sone還原酶的活性幾乎完全存在于細(xì)胞質(zhì)部分，向反應(yīng)體系添加law sone能顯著提高還原速率，可能是law sone將還原力從胞內(nèi)帶到了胞外。law sone作為一個(gè)合適的氧化還原中間體，不僅僅因?yàn)槠渚哂醒趸€原電勢(shì)，而且因?yàn)槠渚哂辛己玫闹苄裕赏ㄟ^(guò)菌體細(xì)胞膜擴(kuò)散，取代了偶氮染料的跨膜擴(kuò)散，從而使還原速率增大[15]。

2 微生物對(duì)偶氮染料的脫色降解

目前，能夠脫色降解偶氮染料的微生物呈現(xiàn)出廣泛的多樣性，其中包括細(xì)菌、真菌、放線菌、藻類(lèi)等[16]。不同種類(lèi)微生物生長(zhǎng)環(huán)境和代謝機(jī)制的差異會(huì)影響偶氮染料的脫色效果，因此深入了解不同微生物的脫色降解機(jī)制，可以為微生物創(chuàng)造適宜的生存環(huán)境，以促進(jìn)偶氮染料的脫色降解。

2.1 細(xì)菌對(duì)偶氮染料的脫色降解

細(xì)菌由于易于培養(yǎng)，在好氧和厭氧條件下有較快的生長(zhǎng)速率，能產(chǎn)生多種氧化還原酶，并且適應(yīng)性強(qiáng)，在高鹽度和高溫等環(huán)境中生長(zhǎng)良好[17]，因此在染料廢水的生物處理中應(yīng)用最多。對(duì)于細(xì)菌的脫色作用，最早的報(bào)道見(jiàn)于1977年，Horitsu[18]首次分離出可以降解偶氮染料的細(xì)菌BacillossubrilisIF03002。Wong等[19]于1996年分離得到1株可以降解甲基紅的細(xì)菌KlebsiellapseumonineRS-12，研究發(fā)現(xiàn)，該菌無(wú)論在靜止條件還是在搖動(dòng)條件下均對(duì)甲基紅有非常好的降解效果,加入葡萄糖或(NH4)2SO4可以促進(jìn)降解,但加入乙醇無(wú)促進(jìn)效果。Nachiyar等[20]研究發(fā)現(xiàn)，以葡萄糖為碳源時(shí)Pseudomonasaeruginosa在有氧條件下對(duì)制革染料有很好的脫色效果，同時(shí)還對(duì)其他多種染料都有脫色效果。國(guó)內(nèi)對(duì)降解偶氮染料的菌株也進(jìn)行了大量研究。徐文東等[21]從處理毛紡廠染料廢水的活性污泥中分離得到1株高效降解菌，經(jīng)鑒定該菌為嗜熱鞘氨醇桿菌(Sphingobacteriumthalpopilum)，5 d內(nèi)其對(duì)派拉丁藍(lán)RRN的脫色率為34%。許玫英等[22]分離到1株具有染料降解能力的希瓦氏菌新菌種，命名為脫色希瓦氏菌ShewanelladecolorationisS12T，將該菌株在偶氮染料質(zhì)量濃度為50 mg/L的培養(yǎng)基中培養(yǎng)4 h后，染料脫色率達(dá)96%，其對(duì)偶氮染料最高脫色質(zhì)量濃度可以達(dá)到2 000 mg/L，此菌另外一個(gè)重要的特點(diǎn)就是具有很強(qiáng)的Fe(Ⅲ)還原活性。Han等[23]從臺(tái)灣海峽分離出2種能夠脫色偶氮染料廢水的新細(xì)菌菌種DX2b和SH7b，其PCR擴(kuò)增的16S rRNA序列分析表明，所得菌株的核酸序列與Rahnellaaquatilis、Axinetobacterguillouiae、Microvirgulaaerodenitrificans有99%的相似性。

細(xì)菌對(duì)偶氮染料的還原主要是在偶氮還原酶作用下完成的，在厭氧條件下偶氮還原反應(yīng)是在非特異還原酶作用下的電子傳遞過(guò)程，偶氮染料作為最終電子受體被氧化還原中間體傳來(lái)的電子還原，但好氧條件下氧會(huì)抑制細(xì)菌對(duì)偶氮染料的還原。而Olukanni等[24]研究發(fā)現(xiàn)，Micrococcussp.在厭氧條件下脫色活性染料需24 h，而在好氧條件下只需6 h。Oturkar等[25]利用Bacilluslentus對(duì)活性紅120進(jìn)行脫色，發(fā)現(xiàn)在自然靜置和供氧條件下的脫色率分別為98%和70%，而在無(wú)氧條件下不能脫色，說(shuō)明B.lentus的脫色過(guò)程需要一定量的氧參與。一些細(xì)菌脫色偶氮染料的相關(guān)研究結(jié)果如表1所示。

表1 細(xì)菌對(duì)不同偶氮染料的脫色率Table 1 Decolorization rates of different azo dyes by bacteria

2.2 真菌對(duì)偶氮染料的脫色降解

真菌對(duì)染料的脫色主要依靠吸附和酶降解，滅活的Cunninghamellaelegans、凍干的Trametesversicolor對(duì)染料的吸附能力均優(yōu)于活性炭，在pH 2～3時(shí)以上真菌的吸附性能較高，可能與染料分子表面的電荷與細(xì)胞表面電荷的吸引力有關(guān)[36]。真菌的吸附能力隨溫度的升高而增加，這是因?yàn)闇囟鹊纳咴龃罅思?xì)胞的表面活性和染料的動(dòng)能[37],然而溫度過(guò)高脫色率會(huì)有所下降，可能是因?yàn)楦邷貢?huì)導(dǎo)致真菌吸附表面失活或者是活性部位被破壞。

在真菌中，酵母菌由于生長(zhǎng)快、對(duì)染料和重金屬(如PbⅡ和CdⅡ)的累積量較高、比絲狀真菌脫色速率快、適應(yīng)不良環(huán)境能力較強(qiáng)而廣泛用于染料廢水的生物處理。與微藻類(lèi)相似，酵母菌的脫色機(jī)制包括吸附、酶降解以及兩者的共同作用。酵母菌在較低pH下有較高的吸附能力。例如Candidaalbicans在pH 2.5時(shí)對(duì)直接紫51吸附量最大，Candidatropicalis對(duì)直接紫3吸附量最大時(shí)的pH為4.0。同種酵母菌對(duì)不同染料會(huì)表現(xiàn)出不同的吸附性能，不同酵母菌對(duì)同種染料的吸附能力也不同。如C.tropicalis對(duì)雷馬素藍(lán)和活性紅的吸附率分別為94%和44%，然而Trichosporonakiyoshidainum對(duì)活性藍(lán)和活性紅的吸附率分別為63%和90%[38]。偶氮染料的降解脫色與酵母菌生長(zhǎng)和初級(jí)代謝密切相關(guān)，偶氮染料能夠誘導(dǎo)酵母菌產(chǎn)生多種氧化還原酶，如MnP、Tyr 以及NADH-DCIP，這些酶對(duì)偶氮染料都有不同程度的降解能力[39]。酵母菌對(duì)偶氮染料的酶降解機(jī)制與絲狀真菌類(lèi)似，其在厭氧和好氧條件下都有降解偶氮染料的特性。有研究表明，利用GalactomycesGeotrichum處理雷馬素紅、金黃HER、紅玉GFL、大紅RR、甲基紅、棕3REL以及亮藍(lán)組成的混合染料廢水，其在好氧條件下的脫色率及COD、TOC去除率均明顯優(yōu)于兼氧或厭氧環(huán)境[40]。而Candidarugopeeliculosa則在靜置條件下對(duì)活性藍(lán)有較好的脫色效果[41]。

真菌酶解偶氮染料的過(guò)程中受環(huán)境狀況和營(yíng)養(yǎng)水平的影響較大，尤其是碳源、氮源、時(shí)間、pH、溫度、添加劑、鹽度以及氧含量[42]。真菌在好氧條件下的脫色能力優(yōu)于厭氧條件，而且攪拌能促進(jìn)氧的傳遞亦能提高脫色效果。如用Trametesvesicorsanguineus脫色藍(lán)49、橙12、橙13、黑5和雷馬素艷藍(lán)R[43]，Aspergillusniger脫色剛果紅[44]，Aspergillusflavus、Alternatiasp.、Penicilliumsp.脫色酸性紅151和橙Ⅱ[45]，當(dāng)增加氧含量或提高攪拌速度時(shí)都能使脫色效果有明顯提升。Grinhut等[46]在研究Trametessp.脫色降解橙Ⅱ和艷藍(lán)R250的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)C∶N為53∶1時(shí)能促進(jìn)脫色，而當(dāng)C∶N為10∶1時(shí)脫色受阻。Phanerochaetechrysosporium[47]和Bjerkanderasp.[48]在氮限制培養(yǎng)條件下能取得最大脫色率，說(shuō)明碳源和氮源對(duì)脫色有很大影響。向培養(yǎng)基中加入添加劑亦能提高脫色效果，如琥珀酸能促進(jìn)P.chrysosporium產(chǎn)生MnP[49]；藜蘆醇能提升LiP的產(chǎn)量，從而促進(jìn)真菌對(duì)活性黑5和吐溫80的脫色[50]；Mn2+能提高M(jìn)nP的活性，從而提高脫色率[51]。由于成本低且具有將染料完全降解的可能性，關(guān)于真菌脫色偶氮染料的研究也取得了豐碩的成果，具體如表2所示。

表2 真菌對(duì)偶氮染料的脫色率Table 2 Decolorization rates of different azo dyes by fungi

2.3 藻類(lèi)對(duì)偶氮染料的脫色

許多偶氮染料對(duì)水體中的生物表現(xiàn)出高毒性，但對(duì)藻類(lèi)的生長(zhǎng)影響卻不明顯。因此，微藻類(lèi)是染料廢水生物處理的一個(gè)很好的選擇。與細(xì)菌和真菌不同，藻類(lèi)能夠從大氣和太陽(yáng)光中獲得碳源和能源，因此大量培養(yǎng)藻類(lèi)的費(fèi)用很低。藻類(lèi)脫色機(jī)制包括酶降解、吸附以及兩者的共同作用。同細(xì)菌相似，藻類(lèi)也能通過(guò)誘導(dǎo)偶氮還原酶使偶氮染料的偶氮鍵斷裂產(chǎn)生芳香胺類(lèi)物質(zhì),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)偶氮染料的脫色，此脫色過(guò)程也包含氧化酶的作用[61]。

藻類(lèi)的吸附性能受染料的結(jié)構(gòu)、藻類(lèi)種類(lèi)、環(huán)境pH影響較大。在較低的pH值下藻類(lèi)對(duì)偶氮染料有較高的吸附量，可能是由于帶負(fù)電荷的染料陰離子和藻類(lèi)帶正電的表面活性細(xì)胞之間的靜電吸引所致。如在pH=2時(shí)，利用Scenedesmusquadricauda[62]、Chlorellavulgaris[63]、Spirogyrasp.[63]處理偶氮染料廢水可以取得較好的脫色效果。藻類(lèi)對(duì)偶氮染料的酶解一部分用于自身的同化，一部分用于偶氮染料的礦化。許多藻類(lèi)能降解偶氮染料產(chǎn)生芳香胺類(lèi)物質(zhì)，進(jìn)而將芳香胺類(lèi)物質(zhì)降解為簡(jiǎn)單有機(jī)物或礦化為CO2[64]。藻類(lèi)一般先將偶氮染料吸附于表面然后通過(guò)誘導(dǎo)產(chǎn)生的偶氮還原酶對(duì)其進(jìn)行還原降解，所以固定化微藻是一個(gè)具有一定應(yīng)用價(jià)值的脫色方法。目前關(guān)于微藻類(lèi)脫色偶氮染料的相關(guān)研究如表3所示。

表3 微藻類(lèi)對(duì)不同偶氮染料的脫色率Table 3 Decolorization rates of different azo dyes by algae

2.4 混合菌群對(duì)偶氮染料的脫色降解

對(duì)于純培養(yǎng)的單一菌株而言，一般只是將發(fā)色基團(tuán)打開(kāi)，對(duì)中間產(chǎn)物如苯胺類(lèi)致癌物質(zhì)很難進(jìn)一步降解。微生物通常只對(duì)特定的染料有降解性能，很難適應(yīng)成分復(fù)雜的實(shí)際染料廢水，而且染料的完全降解需要多種酶的催化作用，這就確定了利用微生物混合菌群處理染料廢水的優(yōu)越性。混合菌群中的不同菌株會(huì)作用于染料分子的不同部分和基團(tuán)，有些菌株與其他菌株可以構(gòu)成共代謝機(jī)制，并能對(duì)其他菌株的代謝產(chǎn)物有降解作用。

Jadhav等[67]的研究表明，假單胞菌SUK1(Pseudomonassp.SUK1)能夠脫色染料，假單胞菌LBC2(Pseudomonassp.LBC2)和LBC3(Pseudomonassp.LBC3)則不能，但當(dāng)3種菌株混合時(shí)卻能得到良好的染料脫色效果。Enterobactercloacae和Enterococcuscasseliflavus培養(yǎng)15 min對(duì)橙Ⅱ的脫色率分別為10%和23%，但混合時(shí)能將橙Ⅱ完全脫色[68]。Yang 等[69]考察了真菌和細(xì)菌組成的混合菌群對(duì)偶氮染料的降解能力，其中真菌和細(xì)菌的比例為6.8∶1～51.8∶1時(shí)能取得良好脫色效果，36S rRNA序列分析表明，其中70%的真菌為念母菌屬的酵母菌。夏枯草(Prunellavulgaris)和Micrococcusglutamicus對(duì)猩紅R的完全脫色時(shí)間分別為14和20 h，而兩者混合脫色時(shí)僅需3 h[70]。Phugare SS混合菌群包括普羅維登藻(Providenciasp.)和綠膿桿菌(Pseudomonasaeruginosa)，二者培養(yǎng)1 h能將紅HE3B完全脫色，并能使97%的雷馬素黑脫色，而其各自單獨(dú)使用時(shí)的脫色時(shí)間為5 和48 h[71]。在培養(yǎng)72 h時(shí)，假單胞菌(Pseudomonassp.SUK1)和赭曲霉(Aspergillusochraceus)對(duì)活性藏青HE2R的脫色率分別為78%和61%，而兩者混合處理時(shí)對(duì)活性藏青HE2R的脫色率可達(dá)92%[72]。鑒于混合菌群在偶氮脫色處理中的優(yōu)越性，現(xiàn)已開(kāi)展了許多相關(guān)研究，具體如表4所示。

表4 微生物群落對(duì)不同偶氮染料的脫色率Table 4 Decolorization rate of different azo dyes by consortia

3 微生物脫色的影響因素

3.1 碳源和氮源

在微生物脫色偶氮染料過(guò)程中，以染料作為碳源和氮源往往不能滿足微生物生長(zhǎng)的需要，有些染料甚至對(duì)微生物會(huì)產(chǎn)生毒副作用，因此需要外源碳源和氮源通過(guò)共代謝機(jī)制實(shí)現(xiàn)染料的脫色或降解[83]。各種外源碳源在微生物的代謝過(guò)程中被氧化，產(chǎn)生的電子通過(guò)電子傳遞鏈傳遞給染料，使其偶氮鍵斷裂，從而促進(jìn)染料的脫色。但也有研究表明，外源碳源有時(shí)不能很好地促進(jìn)染料脫色，首先由于外源碳源的易降解性和微生物對(duì)碳源利用的偏好性導(dǎo)致其對(duì)染料的脫色率降低；其次在微生物代謝過(guò)程中產(chǎn)生的電子可能會(huì)傳遞給外源碳源或其中間代謝產(chǎn)物，從而使染料的降解受到限制[71]。然而外源氮源如蛋白胨、尿素等能夠促進(jìn)NADH的再生，加速偶氮染料的還原[84]。近年來(lái)，由于存在來(lái)源廣泛、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)，木質(zhì)素作為外源物質(zhì)在促進(jìn)微生物脫色偶氮染料的應(yīng)用中倍受關(guān)注。例如木質(zhì)素能誘導(dǎo)Comamonassp. UVS產(chǎn)生木質(zhì)素酶類(lèi)從而促進(jìn)直接藍(lán)GLL的脫色[85]。Saratale等[28]利用MicrococcusglutamicusNCIM-2168處理活性綠19A以及用細(xì)菌菌落GR處理猩紅R時(shí)，分別以甘蔗渣粉末、稻草、稻殼為外源物質(zhì)考察其對(duì)偶氮染料的脫色效果，結(jié)果表明以稻殼為外源物質(zhì)時(shí)其對(duì)脫色表現(xiàn)出較好的促進(jìn)效果。

3.2 溫度和pH

溫度對(duì)于生物化學(xué)反應(yīng)和酶活性來(lái)說(shuō)非常重要，其是影響微生物脫色偶氮染料的一個(gè)極為關(guān)鍵的因素。偶氮染料的脫色率在低溫度范圍內(nèi)隨著溫度的升高而升高，在最適溫度達(dá)到最大，之后隨著溫度的繼續(xù)升高脫色率下降，這可能是由于高溫下細(xì)胞活力的減弱以及酶活的降低所致。然而有些微生物制劑則具有一定的耐高溫能力，當(dāng)溫度上升到60 ℃ 時(shí)仍表現(xiàn)出一定脫色能力。另外，更高溫度能導(dǎo)致菌體細(xì)胞破裂，使細(xì)胞表面積增大，反而有助于偶氮染料的吸附脫色[86]。

pH值能影響微生物細(xì)胞膜對(duì)染料分子的透過(guò)性，因此pH也是影響微生物脫色的一個(gè)重要因素。實(shí)驗(yàn)室條件下微生物脫色的最適pH為6～10。但實(shí)際染料廢水由于其所含成分極為復(fù)雜，pH大都呈酸性或堿性而不利于微生物的生存，因此分離篩選極端適酸和極端適堿的脫色微生物具有重要的實(shí)際意義。如分離株Citrobactersp.CK3能夠在強(qiáng)酸(pH=4)和強(qiáng)堿(pH=12)條件下使活性紅190有效脫色[87]。

3.3 染料分子結(jié)構(gòu)

芳香環(huán)上相對(duì)于偶氮鍵的取代基分為兩大類(lèi)，即斥電子基和吸電子基，其中斥電子基主要有羥基、氨基等，而吸電子基主要包括磺酸基、羧基、硝基、羰基、鹵素原子等。偶氮鍵附近的電子云密度越高，偶氮鍵就越牢固，也就越難斷裂；相反，電子云密度越低，染料就越易被降解。目前，有關(guān)芳香環(huán)上取代基相對(duì)于偶氮鍵的取代位置對(duì)染料生物脫色影響的研究還較少，僅有的研究中以磺酸基和羥基取代位置對(duì)脫色影響作用的研究較多。較之對(duì)位取代而言，-SO3H 和-COOH的鄰位取代會(huì)在偶氮鍵附近產(chǎn)生更大的空間位阻，使得偶氮鍵較難斷裂；而-SO3H 的鄰位取代較其間位取代更易使偶氮鍵斷裂，這是由于間位取代產(chǎn)生的誘導(dǎo)效應(yīng)較弱，取代基吸附電子的能力降低，-SO3H取代位置的影響作用大小表現(xiàn)為對(duì)位>鄰位>間位[88]。另外，如果苯環(huán)上相對(duì)-OH的鄰位上有斥電子基取代，則可提高染料的生物降解率，若是換成具有負(fù)誘導(dǎo)效應(yīng)的吸電子基(如-F、-Cl、-NO3等)，則使染料難以被生物降解。

3.4 電子供體

自然界存在各種各樣的電子供體和電子受體，研究其在微生物還原脫色偶氮染料過(guò)程中的作用機(jī)制顯得尤為重要。在Bacillussp.脫色偶氮染料 C.I.Reactive Orange 16的過(guò)程中，添加醋酸鈉、甲酸鈉、琥珀酸鈉、檸檬酸鈉以及丙酮酸鈉等電子供體都能增強(qiáng)脫色效果[89]。Hong等[90]在用ShewanelladecolorationisS12 處理多種偶氮染料的過(guò)程中，添加電子供體也取得了類(lèi)似的增強(qiáng)脫色效果。在微生物的厭氧偶氮還原過(guò)程中，首先是電子供體被氧化，產(chǎn)生的電子通過(guò)一個(gè)復(fù)雜的電子傳遞鏈傳給電子受體(偶氮染料)，進(jìn)而完成對(duì)偶氮染料的降解。在這個(gè)過(guò)程中，脫氫酶、細(xì)胞色素和甲基萘醌都是極為重要的中間體，其能加速電子的傳遞。而有些電子供體的存在反而會(huì)阻礙偶氮的還原過(guò)程，這可能是由于電子供體之間的競(jìng)爭(zhēng)抑制了電子傳遞過(guò)程。由于不同電子供體在偶氮還原過(guò)程中的誘導(dǎo)還原機(jī)制以及酶促能力不同，因此針對(duì)不同染料廢水應(yīng)通過(guò)深入研究尋找其最適的電子供體。

4 展 望

伴隨著人們對(duì)時(shí)尚的追求，越來(lái)越多的染料被合成，人們?cè)趧?chuàng)造出絢麗世界的同時(shí)，也給環(huán)境造成了巨大污染。目前廣為應(yīng)用的生物處理方法已不能滿足染料廢水的處理要求，急需對(duì)此展開(kāi)更為深入、廣泛的研究，以提高染料廢水的處理效率。許多研究者已開(kāi)始將生物法與其他方法聯(lián)用，如生物法和高級(jí)氧化技術(shù)聯(lián)用處理高鹽度染料廢水，現(xiàn)已取得了良好的效果[91]。同時(shí)篩選、分離高效脫色降解偶氮染料菌株也尤為重要，近年來(lái)，許多人更是將研究重點(diǎn)放在混合菌株對(duì)偶氮染料廢水的處理上，并證實(shí)其處理效果優(yōu)于單一菌種。另外，微生物固定化技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)高效低耗、簡(jiǎn)化運(yùn)行管理的有效措施，其將微生物通過(guò)一定的技術(shù)手段鑲嵌或包埋于一定機(jī)械強(qiáng)度的載體內(nèi)，使微生物保持在反應(yīng)器中，以提高染料廢水的脫色降解效果。構(gòu)建基因工程菌治理環(huán)境污染是環(huán)境微生物工程高新技術(shù)中的前沿課題，其能定向有效地利用環(huán)境微生物細(xì)胞中的降解污染物基因去執(zhí)行凈化環(huán)境的功能。但是具有降解污染物基因的土著微生物菌株有時(shí)難以適應(yīng)處理環(huán)境，而且繁殖速度較慢，清除污染物的速度和效果達(dá)不到治理環(huán)境的要求。因此，有必要將降解偶氮染料的基因轉(zhuǎn)入繁殖能力強(qiáng)、適應(yīng)性能佳的受體菌中，構(gòu)建治理染料廢水污染的高效菌株。最近，微生物燃料電池(Microbial fuel cells，MFCs)作為一種發(fā)展迅速的新型能源技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于偶氮染料廢水的處理，其通過(guò)微生物脫色降解偶氮染料分子過(guò)程中的電子傳遞機(jī)制將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，是極具應(yīng)用前景的污水資源化處理技術(shù)，而該技術(shù)的核心便是微生物工程菌株的研究和開(kāi)發(fā)[92]。

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Advance in microbial decolorization and degradation of azo dyes

HUA Li,XIE Jing-kun,ZHU Chao,MA Hong-rui,PENG Xiang-yu

(CellegeofResourcesandEnvironment,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,Shaanxi710021,China)

With the development of textile printing and dying industry in recent years,synthetic dyestuffs are increasing in both number and variety and their improper discharges in aqueous ecosystems lead to severe water pollution.Developing eco-friendly,efficient,fast,and low-cost treatment methods is a hot research spot at present.Currently,the application and research of microorganisms for azo dyes wastewater treatment attract the most attention and many researches focus on the selection, isolation and domestication of potent species.This review introduces the mechanisms involving in the decolorization and degradation of azo dyes and related bacteria,fungi,algae and their consortium.This review also prospects the future application and research highlights to provide reference for the treatment of azo dye-containing wastewaters.

azo dyes;decolorization and degradation;bacteria;fungi;microbial consortium

時(shí)間:2015-09-09 15:41DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.10.014

2014-03-20

陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015JM4127)；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(2013JK072)；陜西科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(BJ12-29)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新項(xiàng)目(省科技廳)(2013KTCL14)

花 莉(1978-)，女，貴州貴陽(yáng)人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事環(huán)境生物技術(shù)研究。 E-mail:106910730@qq.com

X172；X791

A

1671-9387(2015)10-0103-11

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150909.1541.028.html