染料废水真菌和细菌联合处理技术

Posted 2023-01-15 真菌

篇首语：大多数人想要改造这个世界，但却罕有人想改造自己。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了染料废水真菌和细菌联合处理技术相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

染料是一类重要的精细化工产品，广泛应用于印染、造纸、制革、塑料加工等行业。人工合成染料具有种类繁多、结构复杂的特点，按化学结构，可分为偶氮染料、蒽醌染料、靛族染料、芳甲烷染料、酞氰染料、硝基及亚硝基染料等多种类型〔1〕。在染料的生产及使用过程中，会产生大量的含染料工业废水，此类废水具有水量大、水质复杂、有机物浓度高、色度深、生物毒性大等特点，属于难降解工业废水〔2〕。若不经妥善处理便进行排放，将对环境及人类健康构成严重的威胁。

生物法是目前最常用的一类污水处理技术，具有成本低、效率高、易操作、无二次污染等特点〔3〕。多年来，围绕生物法中所用微生物的研究多集中在细菌、真菌等单一类型。随着染料合成工业的飞速发展，许多结构更复杂、性质更稳定的新型染料被合成并应用，对传统生物处理技术提出了新的挑战。利用真菌和细菌联合处理有机污染物是近几年来新兴的一项生物处理方法，该方法将真菌及细菌在降解有机污染物方面的优势进行了有机结合，在处理多种类型工业废水的研究及应用中已被证实优于单一的真菌或细菌工艺〔4, 5, 6〕。

笔者通过真菌降解有机物的机理，分析了其与细菌联合处理技术的原理、可行性和优势，在此基础上综述了真菌和细菌联合处理染料废水的研究进展，并指出该项技术存在的不足与未来发展趋势。

1 真菌对有机污染物的降解机理及其降解酶系

目前，应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应用最为广泛。真菌对污染物的降解机理非常复杂，通常是生物学机制和化学过程的有机结合。以白腐真菌为例，其降解机理主要包括细胞内和细胞外两过程，但主要的氧化过程发生在细胞外〔7〕。

在白腐真菌降解有机污染物的细胞内过程中，主要是合成降解有机污染物需要的一系列酶。首先，是细胞内的葡萄糖酶和细胞外的乙二醛氧化酶在分子氧参与下氧化有机污染物并形成H2O2，进而激活过氧化物酶而启动酶的催化循环，与此同时，合成重要的木质素过氧化酶（LiP）和锰过氧化氢酶（MnP）等并释放到细胞外。

在白腐真菌的细胞外降解过程中，LiP 能够作为高效催化剂催化多种反应。LiP 具有较高的催化活性，它可利用电子传递过程将底物由酶的表面迁移至酶的活性中心，使底物与酶活性中心部位的血红素辅基发生作用，因此，LiP 可将酶表面的高分子底物直接氧化。其中，非酚类芳香族化合物的降解主要依赖于LiP 的催化。而酚类、胺类及染料等有机物的降解则主要依赖于MnP。这是一个以生成的自由基为基础的链反应过程，具有高度非特异性和无立体选择性，使得白腐真菌与降解目标物之间并不像酶与底物那样一一对应，故对污染物的降解呈现广谱特征。

此外，漆酶也是真菌中重要的降解酶。漆酶是自然界中一种分布广泛的含铜多酚氧化酶，可催化大量酚类及芳香胺化合物的降解，且在还原介质存在的条件下，其底物范围可进一步扩大。漆酶催化底物的机制表现在底物自由基的形成和漆酶分子中 4 个铜离子的相互协同作用，其活性位点催化氧化机制如图 1 所示〔8〕。研究发现，漆酶在一些难降解有机物的降解过程中发挥了重要的催化作用〔9〕。

图 1 漆酶活性位点催化氧化

2 真菌和细菌联合降解有机物的机理

细菌对有机污染物的降解主要是依靠酶的催化作用，且这些酶又具有较高的专一性，因此，细菌将一个有机物大分子逐步降解直至矿化的过程需要一系列具有不同催化功能的酶参与。这种催化降解的特点在于微生物需要在不同阶段的底物条件下合成相应的酶，一旦缺乏某中间产物降解所需要的酶，降解反应就要中止，进而影响后续降解过程。例如，在偶氮染料的生物降解过程中，人们发现利用细菌将其还原脱色较容易，但却很难将脱色后生成的中间产物进一步分解，这是因为许多细菌可以在特定环境中诱导出偶氮还原酶，却很难诱导出对对应中间产物进行开环或裂解的酶〔2, 10〕。也是基于这样的原因，在组成相对复杂的废水中，单一细菌或组成简单的菌群往往不能满足处理的需要。而如前所述，真菌对有机物的降解机理实际上是生物催化过程与化学氧化过程的结合，降解过程实质上是通过自由基过程实现的化学转化，具有较强的氧化能力和较低的选择性，同时，反应多发生在细胞外，避免了有毒底物对细胞的毒害，使真菌能够适应复杂的底物环境，表现出高效、低耗、广谱、适用性强等特点。然而，真菌对环境条件的变化较为敏感，增殖速度较慢。而细菌则具有较强的环境适应能力，对于小分子化合物往往具有较高的降解效率，且生长速度快。

由上述分析可见，真菌对难降解有机物的适应及降解能力强，能够同时降解多种大分子有机物的混合物，生成生物毒性较低的小分子物质，从而提高了废水的可生化性。残余的有机物则可以被细菌继续分解甚至利用，消除污染的同时，也为微生物的生长提供了碳源和能源。

3 真菌和细菌联合处理染料废水的研究进展

根据真菌和细菌在联合处理工艺中所处空间的不同，该类方法大致可分为2 种，即真菌和细菌分别位于2 个独立生物单元的串联工艺，以及二者位于同一个生物处理单元的共培养工艺。目前，对这2 种工艺在处理染料废水方面的应用均有报道。

3.1 串联工艺

在串联工艺中，真菌处理单元和细菌处理单元的相对位置往往是根据实际废水的情况进行设定。由于真菌对大分子有机污染物的分解能力较强，但对COD 的去除效果较差，因此，当废水中含有较高浓度的难降解有机物时，往往将真菌单元放置在前，首先将难生物降解的大分子有机污染物分解，形成小分子有机物，进而提高废水的可生化性，再利用细菌单元去除COD，以达到净化污水的目的。

寇晓芳等〔11〕对利用白腐真菌-活性污泥系统处理染料废水进行了研究，设计了白腐真菌-兼氧活性污泥-好氧活性污泥工艺，对含质量浓度均为40 mg/L 的酸性品红、结晶紫、亚甲基蓝和蕃红花红的模拟混合染料废水进行处理，结果显示，当真菌和活性污泥（包括兼氧和好氧）单元的温度分别为37、 25～30 ℃，各阶段停留时间分别为72、12～16、10～14 h 时，处理效果最佳，脱色率和COD 去除率分别达到了99.6%和93.0%，出水COD 低于100 mg/L。在此基础上，考察了该工艺对一股实际染料废水的处理效果，结果表明，在进水COD 高达1 689 mg/L，色度为 2 500 倍，各阶段水力停留时间分别为72 、16 、14 h 的条件下，脱色率和COD 去除率分别高达99.0%和 94.4%。C. Novotny 等〔12〕对利用白腐真菌-混合细菌菌群串联工艺处理不同类型的染料废水进行了研究，包括活性橙RO16（单偶氮类）、雷马素艳蓝R 和分散蓝3（蒽醌类）、溴酚蓝（三苯基甲烷类）、亚甲基蓝（噻嗪类）以及铜（Ⅱ）酞菁（酞菁类）。结果显示，当混合细菌菌群单元为一级处理单元时，该单元仅对单偶氮染料活性橙RO16（质量浓度为100 mg/L 和 500 mg/L）有明显的脱色效果，对其他5 种染料的脱色效果不明显；而出水继续经过后续的白腐真菌生物单元处理后，脱色率均可达96%以上。而当白腐真菌生物单元为一级处理单元时，该单元对所有染料（质量浓度均为150 mg/L）的脱色率均在91%以上，最高可高达99.3%（溴酚蓝），而且，作为二级处理单元的混合细菌菌群单元对TOC 也有很好的去除效果，总TOC 去除率均超过了92%。基于上述结果，研究了白腐真菌-混合细菌菌群串联工艺对3 种不同实际废水的脱色处理效果，结果表明，该工艺对成分相对复杂的实际废水也有较好的脱色效果和 TOC 去除效率。

此外，K. Malachová 等〔13〕研究了不同类型染料经活性污泥-白腐真菌串联工艺处理后其致突变性的变化。结果显示，处理后的活性橙16 和分散蓝3 的致突变性分别比处理前降低了95.2%和77.8%。可见，该工艺不仅对染料分子具有较强的分解作用，更主要的是能够降低废水的生物毒性（致突变性），大大降低了对人类健康的威胁。

3.2 共培养工艺

不难看出，真菌和细菌的分置式串联工艺对染料具有良好的降解效果，且将真菌和细菌分开培养可以避免二者由于竞争而可能产生的抑制作用。但在实际应用中，无法在反应器内部实现无菌状态，真菌单元在运行一定时间后也会滋生大量细菌。实际上，真菌与细菌的共生体系在自然界中广泛存在，而该现象为真菌和细菌共培养工艺的建立提供了生态依据〔14, 15〕。

脱色是染料废水生物降解的关键步骤。Min Gou 等〔16〕利用青霉菌Penicillium sp. QQ 与细菌Sphingomonas xenophaga QYY 的共生体系在厌氧条件下对偶氮染料活性红B 和活性艳红X-3B 进行脱色研究，结果显示，共生体系的脱色效率优于任一菌种单独作用时的脱色效率，且弱酸性环境及少量表面活性剂的加入对脱色有促进作用。Yuanyuan Qu 等〔17〕利用青霉菌Penicillium sp. QQ 和细菌Exiguobacterium sp. TL 的共生体系在厌氧条件下对活性深蓝 K-R 进行脱色研究，并利用表面响应法（RSM）对脱色条件进行了优化。结果显示，在最优条件下，共生体系对200 mg/L 活性深蓝K-R 的脱色率高达97% （24 h），同样优于任一菌种单独作用时的脱色效果。

在微生物降解脱色过程中，有时会伴随明显的细胞吸附作用。李蒙英等〔18〕发现，青霉菌Penicillium sp. G -1 与细菌Enterobacter sp. L -1 和Pseudomonas sp. L-2 的混合培养物能够吸附并降解多种染料，其中起吸附作用的主要是青霉菌G-1，该混合培养体系能够在1 h 到3 d 不等的时间内使12 种不同的染料完全脱色，表现出脱色的广谱性。此外，共培养体系还可连续对8 种不同染料进行脱色。倪建国等〔19〕研究发现，绿曲霉（Aspergillus sp.）对活性黄 M-3RE 具有良好的吸附性，在5 h 内对100 mg/L 活性黄M-3RE 的脱色率达到95.3%，再经与细菌Enterobacter sp. L-1 和Pseudomonas sp. L-2 共培养处理16 h 后，被菌丝球吸附的染料可完全脱色。利用该方法对一股实际染料废水的脱色处理结果表明，总脱色率和COD 去除率分别为85.8%和56.1%，且 BOD/COD 从处理前的0.238 提升至了0.652，大大提高了废水的生化性。

真菌和细菌的共培养体系除了能够对染料废水进行有效脱色外，还能够进一步降解脱色中间产物，从而达到更加彻底的处理效果。张金平等〔20〕利用4 株细菌和4 株丝状真菌组建了一个真菌-细菌混合物培养体系，在真菌和细菌的接种比例为2∶1 且同时进行接种的条件下，其对质量浓度为320 mg/L 的混合染料废水的脱色率和TOC 降解率分别达到 97.03%和74.03%。同样是张金平等〔21〕利用该混合培养体系对来自某印染厂的2 股实际染料废水（深蓝废水和深红废水）进行了处理，结果显示，在调节废水pH 至6.0 时，可达到最佳处理效果，且对深蓝废水的脱色和降解效果较好，12 h 的脱色率和TOC 降解率分别为98.38%和92.70%；而对深红废水则需24 h 才能达到最佳处理效果，脱色率和TOC 去除率分别为87.22%和82.98%。

相比于串联的方式，共培养工艺将分开的2 个单元合二为一，不仅节省了空间，而且由于真菌和细菌形成了稳定的共生体系，可以有效避免独立的真菌单元由于染菌而受到抑制。因此，在该领域的相关研究中，文献报道更多的是通过共培养的方式实现真菌和细菌的联合处理。。

4 展望

真菌和细菌联合处理方式不仅在染料废水处理中被证实是有效的，在其他工业废水的生物处理过程中也有成功应用的实例，如用来处理苯并（a）芘、棉浆黑液、石油废水等〔22, 23, 24〕。尽管该研究已取得一定的进展，但仍存在一些问题有待深入研究，如真菌和细菌对不同有机化合物的协同降解途径研究，真菌-细菌共生体系稳定性的影响因素及提高稳定性的方法等。若上述问题能得以很好的解释和解决，该项技术的全面应用将指日可待。