染料廢水真菌和細(xì)菌聯(lián)合處理技術(shù)

染料是一類重要的精細(xì)化工產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于印染、造紙、制革、塑料加工等行業(yè)。人工合成染料具有種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，按化學(xué)結(jié)構(gòu)，可分為偶氮染料、蒽醌染料、靛族染料、芳甲烷染料、酞氰染料、硝基及亞硝基染料等多種類型〔1〕。在染料的生產(chǎn)及使用過程中，會產(chǎn)生大量的含染料工業(yè)廢水，此類廢水具有水量大、水質(zhì)復(fù)雜、有機(jī)物濃度高、色度深、生物毒性大等特點(diǎn)，屬于難降解工業(yè)廢水〔2〕。若不經(jīng)妥善處理便進(jìn)行排放，將對環(huán)境及人類健康構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

生物法是目前最常用的一類污水處理技術(shù)，具有成本低、效率高、易操作、無二次污染等特點(diǎn)〔3〕。多年來，圍繞生物法中所用微生物的研究多集中在細(xì)菌、真菌等單一類型。隨著染料合成工業(yè)的飛速發(fā)展，許多結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、性質(zhì)更穩(wěn)定的新型染料被合成并應(yīng)用，對傳統(tǒng)生物處理技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。利用真菌和細(xì)菌聯(lián)合處理有機(jī)污染物是近幾年來新興的一項(xiàng)生物處理方法，該方法將真菌及細(xì)菌在降解有機(jī)污染物方面的優(yōu)勢進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，在處理多種類型工業(yè)廢水的研究及應(yīng)用中已被證實(shí)優(yōu)于單一的真菌或細(xì)菌工藝〔4, 5, 6〕。

筆者通過真菌降解有機(jī)物的機(jī)理，分析了其與細(xì)菌聯(lián)合處理技術(shù)的原理、可行性和優(yōu)勢，在此基礎(chǔ)上綜述了真菌和細(xì)菌聯(lián)合處理染料廢水的研究進(jìn)展，并指出該項(xiàng)技術(shù)存在的不足與未來發(fā)展趨勢。

1 真菌對有機(jī)污染物的降解機(jī)理及其降解酶系
 
目前，應(yīng)用于生物降解的真菌主要有白腐真菌、霉菌和酵母菌等，而其中以白腐真菌的應(yīng)用最為廣泛。真菌對污染物的降解機(jī)理非常復(fù)雜，通常是生物學(xué)機(jī)制和化學(xué)過程的有機(jī)結(jié)合。以白腐真菌為例，其降解機(jī)理主要包括細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外兩過程，但主要的氧化過程發(fā)生在細(xì)胞外〔7〕。

在白腐真菌降解有機(jī)污染物的細(xì)胞內(nèi)過程中，主要是合成降解有機(jī)污染物需要的一系列酶。首先，是細(xì)胞內(nèi)的葡萄糖酶和細(xì)胞外的乙二醛氧化酶在分子氧參與下氧化有機(jī)污染物并形成H2O2，進(jìn)而激活過氧化物酶而啟動酶的催化循環(huán)，與此同時(shí)，合成重要的木質(zhì)素過氧化酶（LiP）和錳過氧化氫酶（MnP）等并釋放到細(xì)胞外。

在白腐真菌的細(xì)胞外降解過程中，LiP 能夠作為高效催化劑催化多種反應(yīng)。LiP 具有較高的催化活性，它可利用電子傳遞過程將底物由酶的表面遷移至酶的活性中心，使底物與酶活性中心部位的血紅素輔基發(fā)生作用，因此，LiP 可將酶表面的高分子底物直接氧化。其中，非酚類芳香族化合物的降解主要依賴于LiP 的催化。而酚類、胺類及染料等有機(jī)物的降解則主要依賴于MnP。這是一個(gè)以生成的自由基為基礎(chǔ)的鏈反應(yīng)過程，具有高度非特異性和無立體選擇性，使得白腐真菌與降解目標(biāo)物之間并不像酶與底物那樣一一對應(yīng)，故對污染物的降解呈現(xiàn)廣譜特征。

此外，漆酶也是真菌中重要的降解酶。漆酶是自然界中一種分布廣泛的含銅多酚氧化酶，可催化大量酚類及芳香胺化合物的降解，且在還原介質(zhì)存在的條件下，其底物范圍可進(jìn)一步擴(kuò)大。漆酶催化底物的機(jī)制表現(xiàn)在底物自由基的形成和漆酶分子中 4 個(gè)銅離子的相互協(xié)同作用，其活性位點(diǎn)催化氧化機(jī)制如圖 1 所示〔8〕。研究發(fā)現(xiàn)，漆酶在一些難降解有機(jī)物的降解過程中發(fā)揮了重要的催化作用〔9〕。

圖 1 漆酶活性位點(diǎn)催化氧化 

2 真菌和細(xì)菌聯(lián)合降解有機(jī)物的機(jī)理
 
細(xì)菌對有機(jī)污染物的降解主要是依靠酶的催化作用，且這些酶又具有較高的專一性，因此，細(xì)菌將一個(gè)有機(jī)物大分子逐步降解直至礦化的過程需要一系列具有不同催化功能的酶參與。這種催化降解的特點(diǎn)在于微生物需要在不同階段的底物條件下合成相應(yīng)的酶，一旦缺乏某中間產(chǎn)物降解所需要的酶，降解反應(yīng)就要中止，進(jìn)而影響后續(xù)降解過程。例如，在偶氮染料的生物降解過程中，人們發(fā)現(xiàn)利用細(xì)菌將其還原脫色較容易，但卻很難將脫色后生成的中間產(chǎn)物進(jìn)一步分解，這是因?yàn)樵S多細(xì)菌可以在特定環(huán)境中誘導(dǎo)出偶氮還原酶，卻很難誘導(dǎo)出對對應(yīng)中間產(chǎn)物進(jìn)行開環(huán)或裂解的酶〔2, 10〕。也是基于這樣的原因，在組成相對復(fù)雜的廢水中，單一細(xì)菌或組成簡單的菌群往往不能滿足處理的需要。而如前所述，真菌對有機(jī)物的降解機(jī)理實(shí)際上是生物催化過程與化學(xué)氧化過程的結(jié)合，降解過程實(shí)質(zhì)上是通過自由基過程實(shí)現(xiàn)的化學(xué)轉(zhuǎn)化，具有較強(qiáng)的氧化能力和較低的選擇性，同時(shí)，反應(yīng)多發(fā)生在細(xì)胞外，避免了有毒底物對細(xì)胞的毒害，使真菌能夠適應(yīng)復(fù)雜的底物環(huán)境，表現(xiàn)出高效、低耗、廣譜、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。然而，真菌對環(huán)境條件的變化較為敏感，增殖速度較慢。而細(xì)菌則具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，對于小分子化合物往往具有較高的降解效率，且生長速度快。

由上述分析可見，真菌對難降解有機(jī)物的適應(yīng)及降解能力強(qiáng)，能夠同時(shí)降解多種大分子有機(jī)物的混合物，生成生物毒性較低的小分子物質(zhì)，從而提高了廢水的可生化性。殘余的有機(jī)物則可以被細(xì)菌繼續(xù)分解甚至利用，消除污染的同時(shí)，也為微生物的生長提供了碳源和能源。

3 真菌和細(xì)菌聯(lián)合處理染料廢水的研究進(jìn)展
 
根據(jù)真菌和細(xì)菌在聯(lián)合處理工藝中所處空間的不同，該類方法大致可分為2 種，即真菌和細(xì)菌分別位于2 個(gè)獨(dú)立生物單元的串聯(lián)工藝，以及二者位于同一個(gè)生物處理單元的共培養(yǎng)工藝。目前，對這2 種工藝在處理染料廢水方面的應(yīng)用均有報(bào)道。

3.1 串聯(lián)工藝
 
在串聯(lián)工藝中，真菌處理單元和細(xì)菌處理單元的相對位置往往是根據(jù)實(shí)際廢水的情況進(jìn)行設(shè)定。由于真菌對大分子有機(jī)污染物的分解能力較強(qiáng)，但對COD 的去除效果較差，因此，當(dāng)廢水中含有較高濃度的難降解有機(jī)物時(shí)，往往將真菌單元放置在前，首先將難生物降解的大分子有機(jī)污染物分解，形成小分子有機(jī)物，進(jìn)而提高廢水的可生化性，再利用細(xì)菌單元去除COD，以達(dá)到凈化污水的目的。

寇曉芳等〔11〕對利用白腐真菌-活性污泥系統(tǒng)處理染料廢水進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了白腐真菌-兼氧活性污泥-好氧活性污泥工藝，對含質(zhì)量濃度均為40 mg/L 的酸性品紅、結(jié)晶紫、亞甲基藍(lán)和蕃紅花紅的模擬混合染料廢水進(jìn)行處理，結(jié)果顯示，當(dāng)真菌和活性污泥（包括兼氧和好氧）單元的溫度分別為37、 25~30 ℃，各階段停留時(shí)間分別為72、12~16、10~14 h 時(shí)，處理效果最佳，脫色率和COD 去除率分別達(dá)到了99.6%和93.0%，出水COD 低于100 mg/L。在此基礎(chǔ)上，考察了該工藝對一股實(shí)際染料廢水的處理效果，結(jié)果表明，在進(jìn)水COD 高達(dá)1 689 mg/L，色度為 2 500 倍，各階段水力停留時(shí)間分別為72 、16 、14 h 的條件下，脫色率和COD 去除率分別高達(dá)99.0%和 94.4%。C. Novotny 等〔12〕對利用白腐真菌-混合細(xì)菌菌群串聯(lián)工藝處理不同類型的染料廢水進(jìn)行了研究，包括活性橙RO16（單偶氮類）、雷馬素艷藍(lán)R 和分散藍(lán)3（蒽醌類）、溴酚藍(lán)（三苯基甲烷類）、亞甲基藍(lán)（噻嗪類）以及銅（Ⅱ）酞菁（酞菁類）。結(jié)果顯示，當(dāng)混合細(xì)菌菌群單元為一級處理單元時(shí)，該單元僅對單偶氮染料活性橙RO16（質(zhì)量濃度為100 mg/L 和 500 mg/L）有明顯的脫色效果，對其他5 種染料的脫色效果不明顯； 而出水繼續(xù)經(jīng)過后續(xù)的白腐真菌生物單元處理后，脫色率均可達(dá)96%以上。而當(dāng)白腐真菌生物單元為一級處理單元時(shí)，該單元對所有染料（質(zhì)量濃度均為150 mg/L）的脫色率均在91%以上，最高可高達(dá)99.3%（溴酚藍(lán)），而且，作為二級處理單元的混合細(xì)菌菌群單元對TOC 也有很好的去除效果，總TOC 去除率均超過了92%�；�于上述結(jié)果，研究了白腐真菌-混合細(xì)菌菌群串聯(lián)工藝對3 種不同實(shí)際廢水的脫色處理效果，結(jié)果表明，該工藝對成分相對復(fù)雜的實(shí)際廢水也有較好的脫色效果和 TOC 去除效率。

此外，K. Malachová 等〔13〕研究了不同類型染料經(jīng)活性污泥-白腐真菌串聯(lián)工藝處理后其致突變性的變化。結(jié)果顯示，處理后的活性橙16 和分散藍(lán)3 的致突變性分別比處理前降低了95.2%和77.8%�？梢�，該工藝不僅對染料分子具有較強(qiáng)的分解作用，更主要的是能夠降低廢水的生物毒性（致突變性），大大降低了對人類健康的威脅。

3.2 共培養(yǎng)工藝
 
不難看出，真菌和細(xì)菌的分置式串聯(lián)工藝對染料具有良好的降解效果，且將真菌和細(xì)菌分開培養(yǎng)可以避免二者由于競爭而可能產(chǎn)生的抑制作用。但在實(shí)際應(yīng)用中，無法在反應(yīng)器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)無菌狀態(tài)，真菌單元在運(yùn)行一定時(shí)間后也會滋生大量細(xì)菌。實(shí)際上，真菌與細(xì)菌的共生體系在自然界中廣泛存在，而該現(xiàn)象為真菌和細(xì)菌共培養(yǎng)工藝的建立提供了生態(tài)依據(jù)〔14, 15〕。

脫色是染料廢水生物降解的關(guān)鍵步驟。Min Gou 等〔16〕利用青霉菌Penicillium sp. QQ 與細(xì)菌Sphingomonas xenophaga QYY 的共生體系在厭氧條件下對偶氮染料活性紅B 和活性艷紅X-3B 進(jìn)行脫色研究，結(jié)果顯示，共生體系的脫色效率優(yōu)于任一菌種單獨(dú)作用時(shí)的脫色效率，且弱酸性環(huán)境及少量表面活性劑的加入對脫色有促進(jìn)作用。Yuanyuan Qu 等〔17〕 利用青霉菌Penicillium sp. QQ 和細(xì)菌Exiguobacterium sp. TL 的共生體系在厭氧條件下對活性深藍(lán) K-R 進(jìn)行脫色研究，并利用表面響應(yīng)法（RSM）對脫色條件進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果顯示，在最優(yōu)條件下，共生體系對200 mg/L 活性深藍(lán)K-R 的脫色率高達(dá)97% （24 h），同樣優(yōu)于任一菌種單獨(dú)作用時(shí)的脫色效果。

在微生物降解脫色過程中，有時(shí)會伴隨明顯的細(xì)胞吸附作用。李蒙英等〔18〕發(fā)現(xiàn)，青霉菌Penicillium sp. G -1 與細(xì)菌Enterobacter sp. L -1 和Pseudomonas sp. L-2 的混合培養(yǎng)物能夠吸附并降解多種染料，其中起吸附作用的主要是青霉菌G-1，該混合培養(yǎng)體系能夠在1 h 到3 d 不等的時(shí)間內(nèi)使12 種不同的染料完全脫色，表現(xiàn)出脫色的廣譜性。此外，共培養(yǎng)體系還可連續(xù)對8 種不同染料進(jìn)行脫色。倪建國等〔19〕研究發(fā)現(xiàn)，綠曲霉（Aspergillus sp.）對活性黃 M-3RE 具有良好的吸附性，在5 h 內(nèi)對100 mg/L 活性黃M-3RE 的脫色率達(dá)到95.3%，再經(jīng)與細(xì)菌Enterobacter sp. L-1 和Pseudomonas sp. L-2 共培養(yǎng)處理16 h 后，被菌絲球吸附的染料可完全脫色。利用該方法對一股實(shí)際染料廢水的脫色處理結(jié)果表明，總脫色率和COD 去除率分別為85.8%和56.1%，且 BOD/COD 從處理前的0.238 提升至了0.652，大大提高了廢水的生化性。

真菌和細(xì)菌的共培養(yǎng)體系除了能夠?qū)θ玖蠌U水進(jìn)行有效脫色外，還能夠進(jìn)一步降解脫色中間產(chǎn)物，從而達(dá)到更加徹底的處理效果。張金平等〔20〕利用4 株細(xì)菌和4 株絲狀真菌組建了一個(gè)真菌-細(xì)菌混合物培養(yǎng)體系，在真菌和細(xì)菌的接種比例為2∶1 且同時(shí)進(jìn)行接種的條件下，其對質(zhì)量濃度為320 mg/L 的混合染料廢水的脫色率和TOC 降解率分別達(dá)到 97.03%和74.03%。同樣是張金平等〔21〕利用該混合培養(yǎng)體系對來自某印染廠的2 股實(shí)際染料廢水（深藍(lán)廢水和深紅廢水）進(jìn)行了處理，結(jié)果顯示，在調(diào)節(jié)廢水pH 至6.0 時(shí)，可達(dá)到最佳處理效果，且對深藍(lán)廢水的脫色和降解效果較好，12 h 的脫色率和TOC 降解率分別為98.38%和92.70%； 而對深紅廢水則需24 h 才能達(dá)到最佳處理效果，脫色率和TOC 去除率分別為87.22%和82.98%。

相比于串聯(lián)的方式，共培養(yǎng)工藝將分開的2 個(gè)單元合二為一，不僅節(jié)省了空間，而且由于真菌和細(xì)菌形成了穩(wěn)定的共生體系，可以有效避免獨(dú)立的真菌單元由于染菌而受到抑制。因此，在該領(lǐng)域的相關(guān)研究中，文獻(xiàn)報(bào)道更多的是通過共培養(yǎng)的方式實(shí)現(xiàn)真菌和細(xì)菌的聯(lián)合處理。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

4 展望
 
真菌和細(xì)菌聯(lián)合處理方式不僅在染料廢水處理中被證實(shí)是有效的，在其他工業(yè)廢水的生物處理過程中也有成功應(yīng)用的實(shí)例，如用來處理苯并（a）芘、棉漿黑液、石油廢水等〔22, 23, 24〕。盡管該研究已取得一定的進(jìn)展，但仍存在一些問題有待深入研究，如真菌和細(xì)菌對不同有機(jī)化合物的協(xié)同降解途徑研究，真菌-細(xì)菌共生體系穩(wěn)定性的影響因素及提高穩(wěn)定性的方法等。若上述問題能得以很好的解釋和解決，該項(xiàng)技術(shù)的全面應(yīng)用將指日可待。