染料廢水真菌和細菌聯(lián)合處理技術(shù)

染料是一類(lèi)重要的精細化工產(chǎn)品，廣泛應用于印染、造紙、制革、塑料加工等行業(yè)。人工合成染料具有種類(lèi)繁多、結構復雜的特點(diǎn)，按化學(xué)結構，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(lèi)型〔1〕。在染料的生產(chǎn)及使用過(guò)程中，會(huì )產(chǎn)生大量的含染料工業(yè)廢水，此類(lèi)廢水具有水量大、水質(zhì)復雜、有機物濃度高、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(lèi)健康構成嚴重的威脅。

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

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

1 真菌對有機污染物的降解機理及其降解酶系
 
目前，應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用最為廣泛。真菌對污染物的降解機理非常復雜，通常是生物學(xué)機制和化學(xué)過(guò)程的有機結合。以白腐真菌為例，其降解機理主要包括細胞內和細胞外兩過(guò)程，但主要的氧化過(guò)程發(fā)生在細胞外〔7〕。

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

在白腐真菌的細胞外降解過(guò)程中，LiP 能夠作為高效催化劑催化多種反應。LiP 具有較高的催化活性，它可利用電子傳遞過(guò)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(lèi)芳香族化合物的降解主要依賴(lài)于LiP 的催化。而酚類(lèi)、胺類(lèi)及染料等有機物的降解則主要依賴(lài)于MnP。這是一個(gè)以生成的自由基為基礎的鏈反應過(guò)程，具有高度非特異性和無(wú)立體選擇性，使得白腐真菌與降解目標物之間并不像酶與底物那樣一一對應，故對污染物的降解呈現廣譜特征。

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(lèi)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)一步擴大。漆酶催化底物的機制表現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)催化氧化機制如圖 1 所示〔8〕。研究發(fā)現，漆酶在一些難降解有機物的降解過(guò)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 真菌和細菌聯(lián)合降解有機物的機理
 
細菌對有機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(zhuān)一性，因此，細菌將一個(gè)有機物大分子逐步降解直至礦化的過(guò)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的酶，一旦缺乏某中間產(chǎn)物降解所需要的酶，降解反應就要中止，進(jìn)而影響后續降解過(guò)程。例如，在偶氮染料的生物降解過(guò)程中，人們發(fā)現利用細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，這是因為許多細菌可以在特定環(huán)境中誘導出偶氮還原酶，卻很難誘導出對對應中間產(chǎn)物進(jìn)行開(kāi)環(huán)或裂解的酶〔2, 10〕。也是基于這樣的原因，在組成相對復雜的廢水中，單一細菌或組成簡(jiǎn)單的菌群往往不能滿(mǎn)足處理的需要。而如前所述，真菌對有機物的降解機理實(shí)際上是生物催化過(guò)程與化學(xué)氧化過(guò)程的結合，降解過(guò)程實(shí)質(zhì)上是通過(guò)自由基過(guò)程實(shí)現的化學(xué)轉化，具有較強的氧化能力和較低的選擇性，同時(shí)，反應多發(fā)生在細胞外，避免了有毒底物對細胞的毒害，使真菌能夠適應復雜的底物環(huán)境，表現出高效、低耗、廣譜、適用性強等特點(diǎn)。然而，真菌對環(huán)境條件的變化較為敏感，增殖速度較慢。而細菌則具有較強的環(huán)境適應能力，對于小分子化合物往往具有較高的降解效率，且生長(cháng)速度快。

由上述分析可見(jiàn)，真菌對難降解有機物的適應及降解能力強，能夠同時(shí)降解多種大分子有機物的混合物，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。殘余的有機物則可以被細菌繼續分解甚至利用，消除污染的同時(shí)，也為微生物的生長(cháng)提供了碳源和能源。

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

3.1 串聯(lián)工藝
 
在串聯(lián)工藝中，真菌處理單元和細菌處理單元的相對位置往往是根據實(shí)際廢水的情況進(jìn)行設定。由于真菌對大分子有機污染物的分解能力較強，但對COD 的去除效果較差，因此，當廢水中含有較高濃度的難降解有機物時(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污染物分解，形成小分子有機物，進(jìn)而提高廢水的可生化性，再利用細菌單元去除COD，以達到凈化污水的目的。

寇曉芳等〔11〕對利用白腐真菌-活性污泥系統處理染料廢水進(jìn)行了研究，設計了白腐真菌-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、結晶紫、亞甲基藍和蕃紅花紅的模擬混合染料廢水進(jìn)行處理，結果顯示，當真菌和活性污泥（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 去除率分別達到了99.6%和93.0%，出水COD 低于100 mg/L。在此基礎上，考察了該工藝對一股實(shí)際染料廢水的處理效果，結果表明，在進(jìn)水COD 高達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99.0%和 94.4%。C. Novotny 等〔12〕對利用白腐真菌-混合細菌菌群串聯(lián)工藝處理不同類(lèi)型的染料廢水進(jìn)行了研究，包括活性橙RO16（單偶氮類(lèi)）、雷馬素艷藍R 和分散藍3（蒽醌類(lèi)）、溴酚藍（三苯基甲烷類(lèi)）、亞甲基藍（噻嗪類(lèi)）以及銅（Ⅱ）酞菁（酞菁類(lèi)）。結果顯示，當混合細菌菌群?jiǎn)卧獮橐患壧幚韱卧獣r(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； 而出水繼續經(jīng)過(guò)后續的白腐真菌生物單元處理后，脫色率均可達96%以上。而當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99.3%（溴酚藍），而且，作為二級處理單元的混合細菌菌群?jiǎn)卧獙�TOC 也有很好的去除效果，總TOC 去除率均超過(guò)了92%�；�于上述結果，研究了白腐真菌-混合細菌菌群串聯(lián)工藝對3 種不同實(shí)際廢水的脫色處理效果，結果表明，該工藝對成分相對復雜的實(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(lèi)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。結果顯示，處理后的活性橙16 和分散藍3 的致突變性分別比處理前降低了95.2%和77.8%�？梢�(jiàn)，該工藝不僅對染料分子具有較強的分解作用，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(lèi)健康的威脅。

3.2 共培養工藝
 
不難看出，真菌和細菌的分置式串聯(lián)工藝對染料具有良好的降解效果，且將真菌和細菌分開(kāi)培養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)際應用中，無(wú)法在反應器內部實(shí)現無(wú)菌狀態(tài)，真菌單元在運行一定時(shí)間后也會(huì )滋生大量細菌。實(shí)際上，真菌與細菌的共生體系在自然界中廣泛存在，而該現象為真菌和細菌共培養工藝的建立提供了生態(tài)依據〔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，結果顯示，共生體系的脫色效率優(yōu)于任一菌種單獨作用時(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 和細菌Exiguobacterium sp. TL 的共生體系在厭氧條件下對活性深藍 K-R 進(jìn)行脫色研究，并利用表面響應法（RSM）對脫色條件進(jìn)行了優(yōu)化。結果顯示，在最優(yōu)條件下，共生體系對200 mg/L 活性深藍K-R 的脫色率高達97% （24 h），同樣優(yōu)于任一菌種單獨作用時(shí)的脫色效果。

在微生物降解脫色過(guò)程中，有時(shí)會(huì )伴隨明顯的細胞吸附作用。李蒙英等〔18〕發(fā)現，青霉菌Penicillium sp. G -1 與細菌Enterobacter sp. L -1 和Pseudomonas sp. L-2 的混合培養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，該混合培養體系能夠在1 h 到3 d 不等的時(shí)間內使12 種不同的染料完全脫色，表現出脫色的廣譜性。此外，共培養體系還可連續對8 種不同染料進(jìn)行脫色。倪建國等〔19〕研究發(fā)現，綠曲霉（Aspergillus sp.）對活性黃 M-3RE 具有良好的吸附性，在5 h 內對100 mg/L 活性黃M-3RE 的脫色率達到95.3%，再經(jīng)與細菌Enterobacter sp. L-1 和Pseudomonas sp. L-2 共培養處理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。

真菌和細菌的共培養體系除了能夠對染料廢水進(jìn)行有效脫色外，還能夠進(jìn)一步降解脫色中間產(chǎn)物，從而達到更加徹底的處理效果。張金平等〔20〕利用4 株細菌和4 株絲狀真菌組建了一個(gè)真菌-細菌混合物培養體系，在真菌和細菌的接種比例為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 降解率分別達到 97.03%和74.03%。同樣是張金平等〔21〕利用該混合培養體系對來(lái)自某印染廠(chǎng)的2 股實(shí)際染料廢水（深藍廢水和深紅廢水）進(jìn)行了處理，結果顯示，在調節廢水pH 至6.0 時(shí)，可達到最佳處理效果，且對深藍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，共培養工藝將分開(kāi)的2 個(gè)單元合二為一，不僅節省了空間，而且由于真菌和細菌形成了穩定的共生體系，可以有效避免獨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，文獻報道更多的是通過(guò)共培養的方式實(shí)現真菌和細菌的聯(lián)合處理。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

4 展望
 
真菌和細菌聯(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(guò)程中也有成功應用的實(shí)例，如用來(lái)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(wèn)題有待深入研究，如真菌和細菌對不同有機化合物的協(xié)同降解途徑研究，真菌-細菌共生體系穩定性的影響因素及提高穩定性的方法等。若上述問(wèn)題能得以很好的解釋和解決，該項技術(shù)的全面應用將指日可待。