1、1微生物降解纺织染料研究进展摘要：纺织染料由于具有毒性、致癌性、致突变、致畸性，其释放必然造成水体和土壤的污染，从而对人类健康和生态系统造成威胁。在过去的三十年里，人类已经意识并注意到纺织染料废水对环境和健康的危害，环境法和各国政府立法已经严格要求这些污染物从工业废水中排出。与物理法和化学法相比较，微生物降解纺织染料具有低成本、高效率、生物友好性和环境兼容性等特点，有可能成为处理染料废液去除染料的唯一有效的方法。本文在总结降解染料微生物种类基础上，说明降解染料的影响因素，进而提出展望，为纺织染料的生物降解提供参考。 Abstract： Textile dyes relesed into the
2、 environment cause considerable water and soil pollution because they may be toxic， carcinogenic， mutagenic and clastogenic， which is a hazard to human health and ecological system. Over the last three decades， awareness and concern about the environmental and health hazards of textile dyes are incr
3、easing in the global community. The environmental and government legislations are becoming more and more tight regarding the removal of these pollutants from industrial wastewaters. Compared with physical and chemical methods， the microbial degradation is a cost-effective， efficient， biofriendly， an
4、d enviromentally benign 2method， and may be emerging as a unique effetctive method to deal with the removal of textile dyes. In this work， based on the summarization of the microbes degrading the textile dyes， the factors affecting biodegradation of dyes was explained， and then the future perspectiv
5、es was suggested， which provided the reference for the microbial degradation of textile dyes. 关键词：微生物；纺织染料；降解 Key words： microbe；textile dyes；degradation 中图分类号：X791 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）18-0217-05 0 引言 在上个世纪，人口的持续增长和工业化发展造成了生物体赖以生存的生态系统多样性的破坏。其中海水和河水的生态系统的污染主要是由没有充分处理的工业废水排放导致的。许多工业，例如染料业、纺织业
6、、塑料制品、造纸、食品、化妆品以及药品等行业广泛使用染料染色同时消耗大量水，结果产生大量染色废液。自 1856 年开始，世界范围内共有100000 多种染料，每年的产量超过 7105t，在纺织染色处理过程中，没有结合到纤维上的染料进入到废水中，据估计，纺织品染色加工过程中 5-10%甚至 50%的活性染料释放到废水中1。染料依据发色基团的化学结构分为偶氮类（azo） 、蒽醌类（anthraquinone） 、三苯甲烷类（triphenylmethane） 、杂环类（heterocyclic） 、聚合体类（polymeric） ，其中偶氮类和三苯甲烷类染料主要应用于纺织业2。据3估计世界范围内纺
7、织工业每年排放 2.8105t 纺织印染废液。许多染料在水中 1mg/L 浓度时就能看见水体变色，而在纺织染料废水中，偶氮类染料浓度在 5-1500mg/L，使水体颜色浓重，造成水体透明度下降，降低光合作用、溶解氧水平和水体质量，对水生动植物造成急性毒性作用，对水体的 TOC 和 COD 造成不利影响。同时，许多染料及其代谢产物具有毒性、致癌性和致变性，对人类产生潜在的健康危害并破坏生态系统1。因此，纺织染料废水是工业废水治理的重点和难点。 目前处理染料废水的方法有物理法、化学法和生物法。其中物理法包括吸附法、膜分离法和磁分离法等，化学法包括电化学法和氧化法等3。物理法和化学法由于成本高昂，使
8、用规模受限同时废液处理不彻底具有污染性和操作上的局限性。与物理法和化学法比较，微生物降解法具有高效、低能耗、投资省、环境友好的特点，可以将染料分子降解或转化成无色、低毒甚至无毒的化合物，受到了学者们的极大关注4-6。许多细菌、丝状真菌、酵母菌以及藻类等均具有吸收和（或）降解纺织染料的功能。 1 纺织染料的微生物降解 1.1 丝状真菌对染料的生物降解 丝状真菌通过 2 种方式进行染料废液的脱色和降解，即生物体的吸附作用和细胞的生物降解作用。利用生物体进行染料废液的吸附有其优势所在，尤其是排放的染料废液具有毒性时以及废液处理条件不利于微生物生长和繁殖的情况下。目前已经用于染料吸附的霉菌有臭曲霉（A
9、spergillus foetidus） 、黑曲霉（Aspergillus niger）7、变色栓4菌（Trametes versicolor）8、黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）9等。生物吸附是由于真菌菌丝细胞壁的纤维素成分提供了结合位点，例如羟基和羧基基团10，因此真菌菌丝无论是否具有生命力均能具有生物吸附作用。在黑曲霉吸附去除偶氮类染料废水研究中发现，该霉菌菌丝能够有效地吸附偶氮类染料，去除率高于 95%，在pH3-7 之间，达到 100%的脱色效率，即使在 pH12，去除率达到 60%，并且对酸性、碱性、直接、活性和分散性染料种类均能够在几小时内
10、吸附去除11。然而，生物吸附后的染料结构仍然是完整的没有降解，含有染料的霉菌菌丝仍具有污染性需要进一步处理。可见，生物吸附可能不是一个处理大量染料工业废液的有效方法12，但菌体的生物吸附机制对于染料的生物降解起到重要作用。此外，有研究者将吸附染料的菌丝一方面采用合适的溶剂洗脱并回收染料13，一方面进行固体发酵彻底将染料分子分解14，如果上述方法科学可行，将为染料生物吸附的后处理提供了新的解决方案。 微生物中最有效降解纺织染料的菌是白腐真菌（white-rot fungi） ，它们在好氧条件下产生能够高效降解染料的酶类，即降解木质素及其相关芳香族化合物的氧化还原酶类。能够裂解木质素的真菌由于分泌
11、的胞外酶具有非底物专一性和非立体结构专一性，因此能够氧化多种有机污染物包括纺织染料，这些酶包括木质素过氧化酶（lignin peroxidases，LiP） 、锰过氧化物酶（manganese peroxidases，MnP）和漆酶（laccases） 。利用白腐真菌进行染料脱色研究的报道起始于 1983 年，Glenn and Gold 研究测定黄孢原毛平革菌木质素酶活性方法发现的，随后利用白腐真菌进行染料生物降解研究快速发5展。1990 年文献中第一次报告了利用黄孢原毛平革菌进行磺化类偶氮类染料降解研究同时阐明了该菌株的降解途径，该菌株在染料脱色和降解方面是研究最为广泛的菌种，同时还有变色
12、栓菌、烟管菌（Bjerkandera adusta） 、侧耳属（Pleurotus） 、脉射菌属（Phlebia）种类进行了广泛研究。除此以外，用于降解纺织染料的真菌还有 Acremonium kiliense、黄曲霉（Aspergillus flavus） 、番茄早疫病菌（Alternaria solani） 、杂色云芝（Coriolus versicolor） 、硬毛栓孔菌（Funalia trogii） 、腐皮镰刀菌（Fusarium solani） 、耙齿菌（Irpex lacteus） 、Lentinus polychrous、赭绿青霉（Penicillium ochrochloro
13、n） 、血红密孔菌（Pycnoporus sanguineus） 、干巴菌（Thelephora） 、栓菌（Trametes）等13。其中某种菌对某些染料在 4-7d 内能够 100%降解15。但是，由于染料分子固有结构的复杂性以及白腐真菌酶类降解机制的繁杂性，关于白腐真菌（除黄孢原毛平革菌外）降解染料途径仍未研究清楚。有研究表明，除了前面涉及的酶类在染料代谢过程中起到关键作用外，还存在其它的染料代谢机制。例如细胞膜氧化还原反应介导机制、多功能过氧化物酶（Versatile peroxidase，VP） 、染料脱色过氧化物酶（Dye decolorizing peroxidase，DyP） 、
14、酪氨酸酶（Tyrosinases） 、RBBR 氧化酶（Remazol Brilliant Blue R oxygenase）等16。 1.2 细菌类 能够降解纺织染料的细菌有嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila） 、芽孢菌（Bacillus sp.） 、柠檬酸杆菌属（Citrobacter sp.） 、阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacae） 、耶尔森菌属（Yersinia） 、沙雷氏菌属6（Serratia） 、鹑鸡肠球菌（Enterococcus gallinarum） 、玫瑰考克氏菌（Kocuria rosea） 、产谷氨酸小球菌（Micrococcus
15、 glutamicus） 、珊瑚诺卡氏菌（Nocardia corallina） 、普通变形杆菌（Proteus vulgaris） 、恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida） 、脱色希瓦氏菌（Shewanella decolorationis） 、腐败希瓦氏菌（Shewanella putrefaciens）等，其中某些细菌在 6-8h 内对某些偶氮染料降解率达到 100%17。与真菌生物降解比较，细菌降解速率快于真菌。细菌在厌氧条件下可将偶氮类染料还原为无色的芳香胺类物质，而偶氮类染料的致癌性是由于偶氮染料本身或者还原过程产生的芳香胺类衍生物导致的，可见，细菌厌氧降解染料产生的
16、芳香胺由于对人类和动物具有毒性、致畸性和致癌性需要进一步降解处理。厌氧形成的芳香胺可以进一步在好氧条件进行降解，因此对于含有偶氮类染料的废水，完全去除偶氮染料，需要将厌氧和好氧处理工艺相结合，厌氧条件下的还原反应将偶氮染料从水相中去除，接着在好氧条件下进行氧化反应降解芳香胺类。 不仅芳香胺类物质能被氧化分解，染料本身也能够被细菌氧化分解。该氧化反应是由能够产生胞外过氧化物酶的放线菌进行的，尤其是链霉菌属种。三个团队首先对放线菌降解纺织染料进行了研究。1989 年，Ball et al.团队筛选了 20 株放线菌，只发现其中 3 株能够对 Poly R 多聚染料具有脱色作用，菌株分别为栗褐链霉菌
17、 252（Streptomyces badius 252） ，链霉菌 EC22（Streptomyces sp. EC22）和嗜热放线菌 MT800（Thermomonospora fusca MT800.）18，随后 Zhou and Zimmermann 扩大了筛选量，研究了 159 株放线菌脱色能力，该研究的特7色在于用实际纺织染料废液进行脱色实验，使用的染料从偶氮类到酞菁染料，其中 83 株具有脱色效果并且效果显著19。最后，Don Crawford团队比较了链霉菌和白腐真菌降解纺织染料的能力，研究表明链霉菌胞外分泌酶类中除了具有底物专一性的过氧化物酶外，还存在其它降解染料的过氧化物酶
18、类20。除放线菌外，黄杆菌属（Flavobacterium）菌也能释放降解偶氮类染料的胞外过氧化物酶。此外，枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis） 、类鼻疽假单胞菌（Pseudomonas pseudomallei） 、棒状杆菌属（Corynebacterium） 、分枝杆菌属（Mycobacterium）和红球菌属（ Rhodococcus）的菌种均能降解三苯基甲烷类染料。因此，原则上染料只通过微生物的好氧发酵就能实现降解21。 1.3 酵母菌类 目前关于酵母降解染料的研究较少。与细菌和丝状真菌比较，酵母菌具有许多优点，一方面是酵母菌与细菌一样，生长速度较快；一方面是酵母菌能够耐
19、受不良环境。近来，有研究表明酵母菌由于其能够吸收更高浓度的染料有望成为具有发展前景的吸附剂，例如溶磷白地霉（Galactomyces geotrichum） 、酿酒酵母（ Saccharomyces cerevisiae） 、白吉利毛孢子菌（Trichosporon beigelii）等22。据报道克鲁斯假丝酵母（Candida krusei）能够在 24h 内去除 9 种染料（包括活性染料和酸性染料） ，去除率在 62-98%之间23；溶磷白地霉可降解 5 种染料，对于甲基红（1h）和 ScarletRR（18h）降解率高达100%，对 Malachite green、Orange HE 4
20、B、 Amido black 10B 的降解率分别是 97%（9h） 、75%（18h） 、92%（18h）24。而 Pseudozyma 8rugulosa 和白吉利毛孢子菌可分别降解 8 中纺织染料，前者对 Reactive brilliant red K-2BP、Weak acid brilliant red B、Reactive black KN-B、Acid mordant yellow 的降解率均在 94%（24h）以上，对 Acid mordant red S-80 的降解率只有 22%23；后者对 Navy blue HER、Malachite green、Red HE7B 的
21、降解率达到 85%（24h）以上，对Golden yellow 4BD、Green HE 4BD、Orange HE2R、结晶紫、甲基红的降解率在 50-73%之间25。 1.4 藻类 关于藻类进行染料脱色的研究目前不够全面。例如蓝细菌虽然分别广泛，但是其在生态系统中对染料降解的作用研究较少。近来有研究发现藻类可被诱导产生偶氮还原酶能够降解偶氮类染料，研究认为藻类以还原反应降解染料与染料的分子结构和藻的种类有关。藻类以固有的三种不同的机制脱除降解染料，即同化利用发色基团生成生物量、带色分子的生物转化和藻体对发色基团的吸附。小球藻属和 Oscillitoria 属的藻类能够分解偶氮类染料生成芳香
22、胺类物质，并能进一步代谢将芳香胺类物质转化为结构更简单的有机化合物或者二氧化碳。目前已经有 30 多种偶氮类化合物能够被蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa） 、普通小球藻（Chrorella vulgaris）和 Oscillateria tenius 降解为芳香胺类物质26。此外，还有双对栅藻（Scenedesmus bijugatus） 、鼓藻 （ Cosmarium sp. ） 、微小色球藻（Chroococcus minutus） 、Gloeocapsa pleurocapsoides、Phormidium ceylanicum 等藻类均能够降解纺织染料。鼓藻细胞
23、浓度在 4.5106 个/mL 时，对 Malachite green 的去除率明显增加并达到 87.1%，可见，藻类对氧化池中偶氮染料和芳香胺类物质的去9除起到关键作用，并且由于藻类细胞种类繁多、分布广泛，能够利用阳光和二氧化碳生长繁殖同时具有生物吸附性，因此藻类作为废液脱色处理方法备受关注，并且有可能成为染料废液脱色处理的低成本高效率的方法之一，具有可行性1。 对于脱色微生物的应用，除了纯培养体外，还有复合菌群应用。菌株的复合化可以解决单一菌株降解的不彻底性，整合多株菌株的特性能够增加降解效率、对环境的适应能力以及降解染料类型的多样性。可以将细菌和真菌混合培养形成群落，真菌首先降解结构复杂
24、的细菌不能降解的部分，然后细菌彻底降解剩余部分，完成总有机碳的去除。群落内微生物通过利用废水中的碳源、能源以及氮源而相互配合得以生长繁殖，从而使染料废水的处理具有经济上的可操作性。Dafale et al.27将假单胞菌、芽孢菌和一些未鉴定的菌种复合用于偶氮类染料脱色研究，接种 48h 后，该复合体对浓度为 100mg/L 和 1000mg/L 的 Reactive Black 5 的降解率分别为 90%和 70%，对浓度为 100mg/L 的 Reactive Red 11， Reactive Red 141，Reactive Violet 13， Reactive Orange 16，Di
25、rect Green6，Acid Orange 7 和 Acid Yellow 36 的降解率分别为84%， 86%， 90，%，88%， 60%， 65%和 41%。此外，采用固定化细胞28和微生物燃料细胞29进行染料脱色也有研究。 2 影响微生物降解染料的因素 2.1 pH 一般情况下，真菌和酵母菌在酸性或者中性 pH 条件下具有较好的脱色和降解活性而细菌在中性或碱性 pH 条件下具有较好的降解效果。微生10物在最适 pH 条件下降解染料活性更高，而在强酸或强碱条件下快速下降。pH 可能通过影响染料分子细胞膜运输而影响降解染料的活性，该步骤被认为染料脱色的限速步骤。各类型微生物降解染料的最
26、适 pH 如表 1 所示13。然而有些微生物可以在广泛的 pH 范围内进行染料脱色和降解。例如双酶梭状芽孢杆菌（Clostridium bifermentans）在接种 48h 后可在pH6-12 范围内将 Reactive Red 3B-A 完全脱色去除30。柠檬酸杆菌属菌株 CK3（Citrobacter sp. CK3）可在强酸性（pH4）和强碱性（pH12）条件下脱色去除 Reactive Red 190 染料31。 2.2 温度 温度是影响微生物脱色降解染料活性的重要因素，因为温度影响微生物的生长繁殖以及相关酶的活性，因此降解染料的最适温度往往是微生物生长的最适生长繁殖温度和降解染料酶的最适作用温度。在最适作用温度范围内，酶活力随温度提高而增加，微生物的降解染料的效率相应地成比例增加32，但高于最适温度，微生物的生长速度、繁殖速率会下降，降解酶由于变性结构改变而活力降低。各种微生物脱色降解染料的温度如表 2 所示，通过表 213可知，不同类型的微生物降解染料的最适温度范围在 25-37之间。 2.3 染料浓度 废液中染料浓度对微生物的染料降解率有重要影响，其降解率随染料浓度的增加而降低，这主要是由于高浓度的染料对微生物细胞具有毒性，抑制微生物生长繁殖，微生物生物量降低，进而降低染料的降解率。例如，利用芽孢杆菌处理刚果红染料时，当染料浓度在 1500mg/L 和
