白腐真菌處理有機廢水的研究進展

劉依林，殷茹，王劍橋，肖唐付

(廣州大學 環(huán)境科學與工程學院 珠江三角洲水質安全與保護教育部重點實驗室，廣東 廣州 510006)

白腐真菌是一類引起木材呈白色腐爛的絲狀真菌[1]。通過分泌胞外氧化酶實現(xiàn)對木質素的強降解能力，使木材呈現(xiàn)淺白色腐爛狀態(tài)[2]。從1971年Sarkenen和Ludwig發(fā)現(xiàn)木質素的結構開始，科學家們對能夠降解木質素的白腐真菌產生了極大的研究熱情[3-4]。1985年Bumpus等發(fā)現(xiàn)白腐真菌黃孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)能夠降解滴滴涕、二惡英等有機污染物[5]。隨后，環(huán)境學家們開始探索白腐真菌在環(huán)境修復領域中的應用。研究發(fā)現(xiàn)白腐真菌對于多種難降解有機污染物，如芳烴、鹵代芳烴、酚類、聯(lián)苯等都有很強的降解能力，這些發(fā)現(xiàn)為白腐真菌研究開辟了新的發(fā)展方向[6]。

20世紀90年代開始，科學家們在研究幾種經典白腐真菌的同時，還著力開發(fā)其他有效菌種。伴隨著研究的不斷深入，現(xiàn)代白腐真菌修復技術多采用與其他成熟修復方法的聯(lián)用以提高處理效果。例如陳興建立了電芬頓技術協(xié)同白腐真菌Coriolusversicolor降解木質素的反應體系，結果顯示不僅C.versicolor的生長速度和生物量得到顯著提高，分泌的胞外酶活性也得到增強，木質素的降解率大大提高[7]。另外，對白腐真菌的研究從對單一污染物的降解逐漸擴大到污水處理、污染土壤治理和大氣污染治理等應用領域，如李振偉等通過改變土壤理化性質改善了白腐真菌降解石油烴的常規(guī)技術，處理35 d后，降解率達42%[8]。王娟等將白腐真菌與其他細菌共同投加到生物滴濾器中處理苯、甲苯和二甲苯等苯系污染氣體，結果顯示苯和甲苯可被完全降解，證明了白腐真菌在大氣污染防治領域的應用潛力[9]。白腐真菌應用于各類廢水處理更為廣泛，已經成為國內外的研究熱點，本文將對白腐真菌應用于各主要行業(yè)有機廢水處理的研究進展進行詳細介紹。

1 白腐真菌對有機污染物的降解

研究發(fā)現(xiàn)，白腐真菌在降解木質素時產生過氧化物酶(PODs)和漆酶(laccase)兩類胞外酶，而PODs主要包含木質素過氧化物酶(LiP)、錳過氧化物酶(MnP)和多功能過氧化物酶(VP)等[10]。在白腐真菌對污染物的降解過程中，LiP、MnP和laccase等各種胞外酶起到關鍵作用。這些胞外酶利用外部環(huán)境提供的氧氣啟動胞外降解反應，將有機污染物的基團轉化為氧自由基，從而促進鏈式反應的進行，產生更多的自由基，最終將污染物徹底氧化[11]。

白腐真菌具有一些其他微生物并不具備的獨特優(yōu)勢：①生存條件要求較低。白腐真菌對于營養(yǎng)物質濃度較低的環(huán)境依然有良好的適應性，所處環(huán)境中的污染物濃度對它的影響也較小。②對污染物降解完全。白腐真菌對污染物的降解過程具有不可逆的特點，污染物通?？梢员煌耆到?。③對污染物的非特異選擇性。白腐真菌處理方法具有廣譜性，對于多種單一污染物及多種污染物的復合體都具有良好的處理效果。④在體系中通常是優(yōu)勢菌種。白腐真菌會干擾體系中其他微生物的生長，從而減少對營養(yǎng)物質的競爭[12]。

2 白腐真菌處理有機廢水的研究現(xiàn)狀

近年來，我國已經建立了2 500多個國家級和省級的經濟開發(fā)區(qū)[13]。這些工業(yè)集中化的開發(fā)區(qū)為我國經濟的增長注入了新的動力，但與此同時帶來的污染也不容小覷。研究發(fā)現(xiàn)白腐真菌能夠有效處理印染廢水、造紙廢水、農藥廢水和醫(yī)療廢水以及其他如火炸藥行業(yè)、石油行業(yè)、橄欖油制造行業(yè)和焦化工業(yè)等行業(yè)產生的廢水。

2.1 印染廢水

印染行業(yè)產生的廢水具有水量大、堿性大、可生化性差、色度深且多變等特點[14]。據統(tǒng)計，印染行業(yè)每加工1 t紡織品需要消耗100～200 t水資源，而其中80%～90%將會成為廢水[15]。印染廢水的化學需氧量(COD)較高且其中含有多種難降解化合物，主要包括生產原料中的有機污染物、脂類以及生產過程中添加的各類染料和活性劑等。

由于白腐真菌分泌的胞外降解酶非特異性結合能力較強，因此對不同種類的染料均具有良好的脫色能力[16]。研究者們篩選出了多種脫色能力較強的白腐真菌(表1)，如Andrés等研究了在固態(tài)發(fā)酵(SSF)條件下8種白腐真菌對玉米芯上吸附的亮藍FCF和誘惑紅AC進行脫色，結果發(fā)現(xiàn)其中的Trametesversicolor、BjerkanderaadustaBOS55和Irpexlacteus對混合染料的脫色效果最好，脫色率分別可達81%，83%和86%，其中三種白腐真菌在脫色過程中酶的活性與脫色動力學之間顯著相關，I.lacteus和B.adusta僅存在MnP的活性，T.versicolor則同時具有MnP和laccase的活性[17]。Barbora等發(fā)現(xiàn)T.versicolor產生的laccase對偶氮染料橙色2和酸性橙6的脫色率分別可達73%和45%[18]。司靜等在42種白腐真菌中進行篩選，最終得到絨毛栓孔菌(Trametespubescens)能夠高效降解偶氮染料剛果紅并且將其代謝成聯(lián)苯、聯(lián)苯胺等產物，在脫色過程中l(wèi)accase起到了至關重要的作用[19]。Wang等在腐爛的桑樹枝中分離得到一種白腐真菌ZJSY，在pH=8和30 ℃的條件下對100 mg/L剛果紅的降解率可達90%，但是其代謝產物(聯(lián)苯胺和萘胺等)比剛果紅的毒性更強，因此應該提高處理時間或尋找其他的無毒化處理方法[20]。根據已發(fā)表的研究成果，白腐真菌處理印染廢水的具體過程為：首先，白腐真菌將染料吸附在其表面，有少量的染料可以進入菌體的內部；白腐真菌分泌胞外酶來破壞染料分子的結構，從而達到脫色的效果；最后，產生的代謝產物被徹底分解為CO2、水和其它白腐真菌自身代謝所需要的營養(yǎng)物質[21-25]。

表1 印染行業(yè)廢水中典型污染物的白腐真菌降解效果Table 1 Degradation of typical pollutants in printing and dyeing wastewater by white-rot fungi

2.2 造紙廢水

根據國家統(tǒng)計局2014年統(tǒng)計數(shù)據顯示，造紙行業(yè)年排水量為27.6億t，占全國工業(yè)排水量的15%；COD年排放量為47.8萬t，占全國COD總排放量的17%，因此造紙廢水具有水量大、COD含量高、可生化性能差的特點，成為污水處理的一大難點[26]。造紙廢水的主要來源是其生產過程中的制漿和洗滌步驟，其中含有大量的木質素、染料和無機填料等。

造紙廢水的COD和色度都比較高的主要原因是其中含有大量木質素，而白腐真菌是現(xiàn)階段降解木質素最有效的微生物，利用其來處理造紙廢水具有良好效果(表2)。最早利用白腐真菌對造紙廢水進行脫色處理的研究要追溯到1980年，Eaton等報道了P.chrysosporium和Tinctopotiasp.對含有木質素的造紙廢水有良好的脫色效果[27]，自此展開了利用白腐真菌對各類有機廢水的生物脫色研究。Kulshreshtha等利用P.chrysosporium在添加外源營養(yǎng)和非營養(yǎng)修正的條件下處理手工造紙廢水，結果顯示在兩種條件下都能使大型手工造紙工業(yè)(LS-HMP)和小規(guī)模手工造紙工業(yè)(SS-HMP)所產生的廢水達到行業(yè)排放標準，此外還可以降低廢水的COD、色度以及其對哺乳動物的致突變性[28]。Wu等發(fā)現(xiàn)P.chrysosporium和Pleurotusostreatus在添加1 g/L葡萄糖和0.2 g/L酒石酸銨，pH=8.0～10.0的條件下對黑液中木質素和COD的降解效果最明顯[29]。此外，徐俊霞等通過白腐真菌來強化活性炭處理造紙廢水技術，結果顯示P.chrysosporium可增強活性炭對于造紙廢水的脫色率和COD的去除率[30]。

表2 造紙行業(yè)廢水中典型污染物的白腐真菌降解效果Table 2 Degradation of typical pollutants in papermaking wastewater by white-rot fungi

2.3 農藥廢水

隨著農業(yè)機械化的快速發(fā)展，殺蟲劑和除草劑等被廣泛應用于農業(yè)生產中。不僅如此，殺蟲劑也在城市中被用來除掉室內的蚊蟲。研究表明農藥在農村的河流和城市中的地表徑流以及地下水中均有檢出，并且由于其在自然環(huán)境中降解速度較慢，因此將會對環(huán)境造成持久性危害。

農藥多為人工合成的復雜有機物，主要分為有機氯農藥、有機磷農藥、氨基甲酸酯類和擬除蟲菊酯類農藥等。白腐真菌對于這些農藥都有良好降解效果(表3)。白腐真菌PhlebiabrevisporaTMIC34596對有機氯農藥林丹的降解率達86%[31]。唐瑩等利用P.chrysosporium和T.versicolor處理有機磷農藥毒死蜱時，降解率分別可達96%和70%[32]。吳賀軍等將白腐真菌Irpexlacteus固定在秸稈上處理農藥克百威，結果顯示在30 ℃，pH=6，克百威初始濃度為80 mg/kg，白腐真菌量為1.0 g的最優(yōu)降解條件下的降解率可達72%[33]。Mir-Tutusaus等在擬除蟲菊酯類農藥炔咪菊酯和氯氰菊酯混合物中加入白腐真菌T.versicolor，2 d后發(fā)現(xiàn)90%的炔咪菊酯被降解，15 d后90%的氯氰菊酯被降解，且其環(huán)境毒性顯著降低[34]。

表3 農藥廢水中典型污染物的白腐真菌降解效果Table 3 Degradation of typical pollutants in pesticide wastewater by white-rot fungi

2.4 醫(yī)療廢水

醫(yī)院產生的廢水成分復雜，不僅含有病人的生活污水、血液和身體組織等，也含有大量的病毒和細菌，更重要的是其中含有大量的藥物殘留和其他有毒物質[35]，同時一些特種醫(yī)院如傳染病醫(yī)院產生的廢水則更加危險，如若直接排放，不僅會對生態(tài)環(huán)境造成污染，而且會嚴重危害人類健康。醫(yī)療廢水成分復雜導致其處理難度較高，需要考慮多方面因素，經過多級處理才可達到排放標準。

白腐真菌生物技術在近幾十年發(fā)展迅猛，利用其處理醫(yī)療廢水的案例也有很多(表4)。多項數(shù)據證明白腐真菌T.versicolor對多種藥物都具有強降解能力[36]，Gros等將T.versicolor接種到10 L的生物反應器中來處理含有碘溴X射線造影劑(IOP)和氟喹諾酮類抗生素氧氟沙星(OFLOX)的模擬醫(yī)院廢水，結果顯示兩種抗菌藥物在未滅菌條件的反應器中均被完全降解[37]。Laura等在此研究基礎上建立了接種T.versicolor的流化床生物反應器來處理含有高濃度抗癌藥的廢水，其中包括鹽酸環(huán)丙沙星、環(huán)磷酰胺、多西他賽和異環(huán)磷酰胺等數(shù)10種抗癌藥物，結果顯示通過8 d的處理，除環(huán)磷酰胺和異環(huán)磷酰胺之外的其它8種藥物均能夠被完全降解[38]。Carles等利用接種T.versicolor的流化床生物反應器在滅菌和非滅菌的條件下處理51種藥物活性化合物(PhACs)和內分泌化合物(EDCs)，兩種條件下的去除率分別可達83%和53%，并且廢水對水生生物的毒性也有較為顯著的降低[39]。Ledys等利用哥倫比亞的一種原生白腐真菌Leptosphaerulinasp.處理含有奧沙西林(OXA)、氯西林(CLX)和雙氯西林(DCX)3種典型的異惡唑基-青霉素抗生素的廢水，結果顯示Leptosphaerulinasp.可以將OXA、CLX和DCX完全降解。進一步研究發(fā)現(xiàn)，laccase和VP在3種抗生素降解過程中發(fā)揮著關鍵作用，而MnP對于CLX和DCX的降解同樣重要[40]。

表4 醫(yī)療廢水典型污染物及利用白腐真菌降解效果Table 4 Degradation of typical pollutants in medical wastewater by white-rot fungi

2.5 其他廢水

除印染廢水、造紙廢水、農藥廢水和醫(yī)療廢水等典型有機廢水以外，其他行業(yè)如火炸藥行業(yè)、石油行業(yè)、橄欖油制造行業(yè)和焦化工業(yè)等產生的廢水在近年來均有利用白腐真菌處理的報道。

TNT炸藥廢水中COD和毒性都極高，我國對于TNT的一級排放標準為2.0 mg/L[41]。殷琴利用P.chrysosporium聯(lián)用微電解技術處理含有高濃度硝基苯的廢水，出水中硝基苯去除率可達96.9%，達到了我國的一級排放標準[42]。石油行業(yè)產生的廢水成分復雜，處理難度極大。Laura等在無菌條件下由2種白腐真菌B.adusta和P.ostreatus來處理石油廢水中的2-萘磺酸聚合物(NSAP)，結果顯示70%的NSAP 可被去除[43]。橄欖廠廢水(OMW)具有有機負荷高、多酚含量高、有機酸和鹽類高等特點，Spyridon等在39種白腐真菌中篩選對OMW處理效果較好的菌種，發(fā)現(xiàn)多種白腐真菌如Agrocybecylindracea、Inonotusandersonii、P.ostreatus和T.versicolor等都對OMW有良好的處理效果，進一步的研究顯示白腐真菌分泌的laccase和PODs主要參與OMW的降解[44]。焦化廢水成分復雜，含有上百種有機污染物，并且包含酚化物、氰化物等多種有毒物質，水質變化幅度較大，因此焦化廢水是一類難處理的高毒性廢水[45]。Lu等以鋸木屑固定P.chrysosporium對焦化廢水進行生物降解，發(fā)現(xiàn)在pH=5.0，35 ℃的最優(yōu)條件下對其中的酚類化合物的降解率達84%以上，COD去除率可達80%[46]。

3 結語與展望

綜上所述，白腐真菌因其分泌獨特的胞外酶而對多種有機廢水有著顯著的處理效果，并且其營養(yǎng)條件要求低、對污染物有廣譜結合性、設備結構簡單，符合構建“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”社會的發(fā)展理念，是一種有機廢水處理的理想微生物資源。但是自白腐真菌被發(fā)現(xiàn)以來，利用其進行廢水處理的研究多停留在實驗室平臺上，缺乏中試處理過程以及實際應用，并且存在培養(yǎng)周期較長導致處理時間久等不足。

在未來的研究中需要多關注以下幾點：①白腐真菌生物技術與其它如物理法、化學法以及物理化學法等既有成熟技術的聯(lián)用。②尋找新的有效菌種或采用多種菌種的聯(lián)用來提高廢水的處理效果。③非滅菌條件下的廢水處理更具有實際應用價值和意義，需要投入更多的精力來研究。④加大對復合污染的處理研究。⑤掌握白腐真菌生物反應器的啟動與運行條件并開發(fā)更有效的新型反應器。⑥積極將實驗室研究成果放到中試過渡階段，并且綜合考慮實際運行條件，加快其轉化為實際生產中的處理技術?？傊瑢Π赘婢M行合理開發(fā)和利用，其應用于有機廢水處理領域的發(fā)展空間和潛力將是十分巨大的。