絲狀真菌在廢水處理中的應用研究進展*

陳義琴，周 丹，孫大亮，吳 昊

(1 貴州師范學院,貴州 貴陽 550018；2 貴州省計量測試院,貴州 貴陽 550001)

廢水包括生活污水和工業(yè)廢水兩大類，自2010年以來，中國的城市污水排放總量已經(jīng)遠超過了1050億m3，但污水總的處理率不足50%[1]。其中污染物主要有重金屬、酚類、蛋白質(zhì)、氨氮、及大量的病原微生物等，城市污水匯入湖泊、河流和海灣等水域中，使其受到嚴重污染，導致水體惡化，進一步加劇水資源的危機，最終危害人類健康[2]。

傳統(tǒng)的廢水處理方法有物理、化學方法，這些方法對某些污染物具有較高的去除效率，但是存在操作成本高和二次污染等諸多方面的缺陷，使其在應用時受到了限制[3-4]。相比于傳統(tǒng)的方法，生物處理法是更加經(jīng)濟、安全的處理方式，除了比較粗獷的活性污泥處理方法以外，還有一些較為精細的生物方法也受到了重視[5]，如利用白腐真菌處理制革廢水[6]，研究好氧反硝化菌對尾水中常規(guī)污染物的去除效果[7]等，這使得微生物成為生物處理的主體。其中真菌被應用于廢水處理中，主要是由于在真菌的細胞壁上有許多的功能基團(磷?；土蛩狨セ?，使真菌對廢水中的污染物具有強大的吸附功能[8]。同時，真菌還可以產(chǎn)生對污染物具有催化作用的漆酶。除了應用于傳統(tǒng)的工業(yè)廢水外，真菌漆酶還用于處理許多含有新興污染物的廢水[9-10]，如隋明[11]分析真菌處理造紙廢水的案例時有說明漆酶降解廢水的作用方式。因此，利用真菌特別是絲狀真菌(Filamentousfungi)對廢水進行生物脫除，在國內(nèi)得到廣泛研究。

本文主要綜述絲狀真菌的生物學特征、對廢水的作用機理及其應用研究。

1 絲狀真菌的生物學特征

1.1 應用在廢水中的絲狀真菌

絲狀真菌常指霉菌，是一種呈絲狀，廣泛分布于土壤、水域、空氣及動植物體內(nèi)外等自然環(huán)境中無光合作用的微生物[12-13]，因其結(jié)構(gòu)特點越來越多,不同來源的霉菌分離后被應用于廢水處理中。如由陳碧娥等[14]在含油的表層海水中所分離曲霉菌(Aspergillus.spp)、青霉菌(Penicillium.sp)和木霉菌(Trichodezma.sp)對石油烴有較好的生物吸咐及生物降解作用；葉晨松等[15]從生活污水中所分離青霉菌(Penicillium)作為球藻的載體協(xié)同應用于廢水的凈化；張穎慧等[16]總結(jié)發(fā)現(xiàn)黃曲霉(Aspergillusflavus)、醬油曲霉(Aspergillussojae)、米曲霉(Aspergillusaryzae)、黑曲霉(Aspergillusniger)、里氏木霉(Trichodermareesei)、綠色木霉菌(Trichodermaviride)、擬康寧木霉(Trichodermakoningiopsis)等霉菌對廢水中重金屬有較好的吸附作用；王惠娥等[17]利用白腐真菌結(jié)合泥炭處理高含氮的有機廢水時取得有效的降解效果。

1.2 絲狀真菌的生物結(jié)構(gòu)特性

真菌的形態(tài)及其強大的生長代謝能力，促使絲狀真菌具有較強的生態(tài)適應能力[18]，使其在廢水處理中展現(xiàn)出較好的吸附特性和較大的吸附量。一方面是由于絲狀真菌的菌絲粗而長，且具有巨大的表面積使其更好的與污染物接觸[12-13]；其次是基于真菌表面和內(nèi)部都具有十分豐富的化學官能團(如磷酸鹽和脂質(zhì)成分等官能團)；再者是因為真菌細胞壁由多糖(幾丁質(zhì)或纖維素等)與蛋白質(zhì)結(jié)合呈多層網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使其存在著大量的小孔等生物結(jié)構(gòu)特性[19-20]。

2 絲狀真菌對廢水的作用機理

2.1 絲狀真菌對廢水中污染物的吸附機理

廢水中的污染物多種多樣，尤其所含的重金屬是一種典型的難處理物質(zhì)，自1949年Ruchhoft[21]提出生物吸附法處理廢水中的重金屬以來，眾多的研究者們聚焦于微生物對各類廢水污染物的去除機理研究[22]。

目前普遍認同的微生物吸附污染物的機理主要有：表面絡合機理、離子交換機理、氧化還原機理、靜電吸附機理、酶促機理、無機微沉淀作用，這些機理既可單獨作用，也可以協(xié)同作用[23-24]。而絲狀真菌對廢水中污染物的去除，主要由于其菌絲粗而長、巨大的表面積、十分豐富的化學官能團和多層網(wǎng)結(jié)構(gòu)等獨特的生物特性，以及其真菌細胞代謝類型及作用方式的不同，使其對污染物所展現(xiàn)的生物吸附機理也有所不同[25]，因而近年來絲狀真菌在污水處理中的應用備受關(guān)注。

2.1.1 細胞新陳代謝關(guān)聯(lián)機理

越來越多的研究表明，絲狀真菌對污染物的吸附作用，不僅表現(xiàn)于活菌體，無活性的滅活菌體也對污染物同樣有較好的吸附作用，有研究者將這一現(xiàn)象解釋為生物吸附與細胞新陳代謝相關(guān)聯(lián)。因此將其分為依賴新陳代謝型和不依賴新陳代謝型[19]。一方面活體絲狀真菌對污染物的吸附作用機制較為復雜，主要屬于依賴新陳代謝型，其是一個主動吸附且需要能量的過程。由于細胞在代謝過程中，對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、呼吸轉(zhuǎn)化和代謝物的排放等屬于一個主動過程，而這一主動過程可能會改變被吸附的微環(huán)境，因而這一過程同時存在被動吸附。另一方面對于滅活菌體而言，屬于不依賴新陳代謝，其吸附過程可能是由于污染物直接與真菌的細胞壁上具有絡合、配位等能力的官能團結(jié)合，因而具有了絡合、離子交換、沉淀、配位、物理吸附(如范德華力、靜電作用)等作用，是一個被動吸附且不需要能量的過程[19-25]。

2.1.2 細胞的結(jié)合位點機理

污染物與絲狀真菌的結(jié)合方式主要為細胞表面、胞內(nèi)和胞外結(jié)合，因而將根據(jù)結(jié)合方式的不同，其機理分為三類：胞外富集或沉淀、細胞表面吸附或沉淀、胞內(nèi)富集。細胞表面吸附或沉淀的機理包括離子交換、絡合作用、物理吸附和沉淀[25]，這一機理對活菌體和死菌體都存在。細胞壁主要由可提供豐富官能團的蛋白質(zhì)、幾丁質(zhì)、多糖類物質(zhì)、脂質(zhì)、肽聚糖等成分構(gòu)成[23-26]，如提供-SH、-COOH、-OH、C=O等官能團，因而成為絲狀真菌吸附和富集廢水中污染物的主要場所，且無論是活體還是死體絲狀真菌因擁有這些官能團進而對污染物都具有較強的吸附能力[27]。除此之外，絲狀真菌與污染物接觸時，會分泌易與污染物質(zhì)結(jié)合后發(fā)生絡合或沉淀的胞外代謝物，如多糖、脂類、草酸和檸檬酸等[26]。雖然絲狀真菌在胞外可以吸附或沉淀污染物，但吸附的部分污染物與特定的酶結(jié)合仍可以進入菌體內(nèi)部，污染物離子與細胞內(nèi)的化學基團結(jié)合后在胞內(nèi)沉淀，從而將廢水中的污染物去除[28]。

2.2 絲狀真菌對廢水中污染物的降解機理

絲狀真菌除了吸附廢水中的污染物外，對其還具有降解作用?；罹w或死菌體都可以進行生物吸附，但是生物降解只能由活菌體完成。因為生物降解完全依賴絲狀真菌分泌的胞外酶[19]，如漆酶、木素過氧化酶等。其中漆酶是對污染物具有催化氧化作用的酶之一。

漆酶是1883年由日本學者Yoshida從紫膠漆樹的分泌物中發(fā)現(xiàn)的一種糖蛋白[29]，后來被報道還是一種能由真菌產(chǎn)生的藍色胞外含銅多酚氧化酶[30]。漆酶具有較強的催化氧化能力，且可催化的底物種類較多，尤其是在催化底物時不需要啟動劑的參與，因而被廣泛應用于降解廢水中的污染物，如催化氧化廢水中的氯酚類污染物、染料脫色、紙漿漂白[31-33]，任大軍等[34]報道了白腐菌所分泌的漆酶可有效的降解焦化廢水中的喹啉。漆酶的降解機理主要是利用了漆酶能夠還原反應體系中的一些小分子使其重新進入催化體系，從而通過離子氧化、電子轉(zhuǎn)移、自由基氫轉(zhuǎn)移等方式，進而促進漆酶與大分子作用，實現(xiàn)大分子物質(zhì)的降解。由于漆酶是利用氧氣完成催化氧化的過程，不同漆酶和不同底物的作用機理有所差異，因而可總結(jié)為漆酶直接催化氧化底物的同時將氧氣還原成水[11，35-36]。

3 絲狀真菌在廢水處理方面的應用

3.1 重金屬廢水處理

水體重金屬污染，大部分是人為原因(如開采礦山、冶煉金屬)，少部分是自然原因(如侵蝕，風化)。重金屬(如 Cr、Mn和Pb) 具有毒性大、可在生物體內(nèi)蓄積、在水體環(huán)境中無法被降解等特點[2]，匯入水域，造成水體污染，導致水質(zhì)惡化，不僅對微生物的生長和豐富度造成影響，還可能通過食物鏈危害人體健康[37-38]。

絲狀真菌細胞壁的表面具有許多可以與重金屬離子相結(jié)合的官能團(如-SH、-COOH)，使其被吸附后富集在真菌的細胞壁上；同時真菌會分泌一些胞外代謝物，使其與重金屬發(fā)生絡合或沉淀，并且許多真菌具有耐受重金屬的能力，從而將重金屬離子更好的從水中去除[39-40]。目前在重金屬治理上應用的絲狀真菌有白腐菌(Phanerochaetechrysosporium)、黑跟根霉菌(Rhicopusnigricans)、米曲霉(Aspergillusoryzae)、綠色木霉(Trichodermaviride)、黑曲霉(Aspergillusniger)、硬田頭菇(Agrocybedura)、青霉菌(Penicillium)等。這些絲狀真菌都可以用于吸附重金屬離子，但不同的絲狀真菌吸附重金屬離子的種類和能力都有所不同，例如綠色木霉對Zn2+、Pb2+的富集量分別達到23.6 mg·mL-1、31.7 mg·mL-1[41]；青霉菌(Penicillium)對Ni2+、Pb2+的富集量分別達到82.5 mg·mg-1、116 mg·mg-1[27]。

3.2 印染廢水處理

印染廢水包括預處理、染色、印花、整理四個階段排出的綜合廢水，其組成成分復雜，具有難降解、脫色難度大、廢水量大等特點[42]。印染廢水每年排出量約6.5億噸[43]，匯入水體導致溶氧減少，抑制水體生物生存與繁殖，對環(huán)境和人類健康造成威脅。

處理印染廢水的關(guān)鍵是對染料的脫色，目前主要處理方法包括物理法、化學法、生物法[36]。相對物理和化學的方法，生物法因經(jīng)濟、高效且無二次污染等特點，被廣泛應用在印染廢水的處理。生物法降解印染廢水主要依靠真菌的吸附或降解作用。絲狀真菌細胞壁上存在豐富的官能團(如羧基、磷酸鹽、氨基等官能團)，使其具有吸附染料分子的能力[44]。在處理印染廢水過程中，絲狀真菌還會分泌一些對污染物具有脫色作用的酶(如木質(zhì)素過氧化物酶、錳過氧化物酶、漆酶等)。其中漆酶起主導作用，將廢水中的污染物降解為低毒或者無毒、無害的物質(zhì)[36]，從而達到降解效果。

漆酶不僅對印染廢水具有脫色作用，還能氧化一些有害的物質(zhì)，如廢水中的雙酚A、氯酚等，因而真菌在印染廢水中得到廣泛的應用[36，43，45]。如賀曉凌[46]研究固定化真菌對工廠印染廢水作用效果時，其結(jié)果表明真菌的脫色率可達到90%左右；黃新華的研究表明，在最佳降解條件下游離漆酶對印染廢水的脫色率為58.63%，固定化漆酶的脫色率為81.09%[43]。

4 結(jié) 語

絲狀真菌具有強大的吸附作用，且多數(shù)真菌自身也會產(chǎn)生一些具有降解作用的酶，使絲狀真菌對多種污染物都具有吸附和降解作用。而大量研究也表明絲狀真菌對廢水水質(zhì)有良好的調(diào)控效果，但目前仍然存在一些未解的難題，如針對特定的廢水絲狀真菌不能將其中污染物完全降解，且大多數(shù)研究僅限于實驗條件下。為此，我們還需要進一步對廢水的治理進行研究。