印染廢水處理功能菌研究進展

謝學輝，朱玲玉，劉娜，姜鴻，楊芳，柳建設

（東華大學環境科學與工程學院，國家環境保護紡織工業污染防治工程技術中心，上海 201620）

近年來，大量人工合成的色度高、難降解染料生產及應用于紡織業、化妝品、造紙等行業，其過量的使用及排放已造成嚴重的環境污染，由于其生物毒性和三致性對人類健康造成了嚴重的威脅，引起了人們的關注[1]。

印染廢水是指纖維織物在預處理、染色、印花和整理四段工序中產生的廢水，其主要產生于染整工段，包括前處理、染色、印花、整理等。印染廢水中含有的合成染料、助劑、聚乙烯醇（PVA）漿料等使其具有色度大、COD高、堿性大、可生化性差等特點[2]。

利用微生物處理印染廢水中難降解污染物被認為是較為經濟有效的方法。鑒于微生物種類繁多、繁殖速度快、成本低廉且具有變異性等特點，許多學者致力于分離選育對染料有較高降解活性的菌株[3]。不同種類微生物對難降解污染物有不同的降解能力，包括細菌、真菌、酵母、放線菌、藻類以及植物等[4-5]。然而與絲狀真菌和酵母菌相比，細菌有著操作簡便、生長迅速、適應性強等特點，目前已成為研究熱點[6]。本文主要從細菌降解印染廢水中污染物方面進行評述。

1 功能菌對染料的降解

染料通常按照化學分子結構及應用性能來分類，如圖1所示。其中偶氮染料是使用最為廣泛的一類染料，占所有染料的60%～70%。近年來蒽醌染料由于其鮮艷的顏色、高的固色率和較強的堅牢度也變得越來越重要，較偶氮和蒽醌染料使用較少的三苯基甲烷類染料也受到了人們的關注。三苯基甲烷類染料屬于芳香甲烷染料，其典型代表有結晶紫、孔雀石綠[7]。偶氮染料、蒽醌染料、三苯基甲烷染料為其中較具代表性且應用較廣的3類染料。

1.1 功能菌對偶氮染料的降解

Wu等[10]證實，生物法處理印染廢水主要分為兩個階段：第一階段主要是水處理工藝的吸附、絮凝和沉淀作用的結果；第二階段為生物降解階段，主要是生物體內的酶或分泌到細胞外的酶作用結果。參與染料降解的酶主要有偶氮還原酶、胞外過氧化物酶系和鏈霉菌過氧化物酶[9]。細菌可以在厭氧、缺氧、好氧的條件下對偶氮染料進行降解。厭氧條件下的脫色主要是厭氧菌對偶氮染料的還原脫色，然而在厭氧條件下，往往不能實現染料的完全礦化，通常會生成有毒、可生化性能差的芳香胺物質，此時通常采用厭氧好氧相結合的方式來實現染料的無機化。

目前，國內外許多學者致力于高效脫色菌株篩選和分離的研究，已分離到的偶氮脫色菌主要包括芽孢桿菌、黃單胞菌、克雷伯氏菌等十幾個菌屬[11]。Liao等[12]從被偶氮染料污染河流的底泥中分離出芽孢桿菌屬HJ-1，在25℃、pH8的條件下靜置對活性黑B染料脫色率達到最大，并證實分離出的HJ-1在被污染河流的底泥中培養12天后仍然存活，可見該菌株具有良好的工程應用前景。Ma等[13]分離出耐堿、耐鹽兼性厭氧Planococcussp.MC01菌株，可以在堿性和厭氧條件下對染料Orange I脫色率到達大于96%。Khehra等[14]從紡織廠廢料的土壤中分離出4株可對偶氮染料進行脫色的功能菌株，將其組成功能菌群HM-4，可以在24h內對AR-88進行完全脫色。Coughlin等[15]把從RDBR反應器中篩選出的1CX菌株和SAD4I菌株又重新接種到滅菌之后的RDBR反應器中，兩種菌株對酸性黃7以及其降解副產物磺胺酸具有很好的脫色降解效果；除此之外，又將SAD4I菌株接種到對酸性黃7有降解能力但對磺胺酸沒有降解能力的的RDBR反應器，實驗證明，接種的SAD4I菌株與反應器自身存在的菌株協同降解酸性黃7及其降解副產物磺胺酸。結果表明，將功能菌制成藥劑接種到反應器中，可以發揮功能菌自身的特性，對今后的染料廢水的降解提供了理論支撐。

圖1 染料的分類

本文作者也曾從厭氧反應器活性污泥中，篩選出對雙偶氮染料活性黑5有良好脫色效果的混合菌群FF，并針對染料脫色性能、脫色機理及菌群結構進行了一系列的研究[16]。研究表明混合菌群FF可在35℃、pH8的條件下24h對活性黑5降解率達到94.8%。DGGE和RFLP結果表明，混合菌群FF中優勢菌群主要為Gamma-proteobacteria（變形菌綱）的Proteus（變形桿菌屬）細菌和Clostridia（梭菌綱）的Clostridium（梭菌屬）細菌。同時利用純培養技術從混合菌群FF中隨機分離篩選了21株對活性黑5具有不同脫色效率的單菌株，經16S rDNA分子生物學鑒定發現這21株全部為Gamma-proteobacteria綱細菌，其中71.4%屬于Klebsiella（克雷伯氏菌屬），28.6%屬于Proteus（變形桿菌屬）[17]。表1列舉了部分偶氮染料降解功能微生物。

由表1可以看出，單一的高效脫色菌株具有較好的染料脫色率，但對于染料脫色的中間產物芳香胺等物質很難進一步降解，而混合功能菌群在這方面有明顯的優勢。多種菌株相互協同作用，提高了脫色效果和脫色強度，減少了脫色時間[9]。可見混合功能菌群降解染料在未來工藝中的應用要比單一功能菌株降解染料應用要廣，但單一菌株對染料脫色的可重復性也是復合菌株所望塵莫及的。目前本實驗室將研究方向關注在針對不同結構染料篩選功能菌群及單菌建立功能菌庫，然后根據染料廢水所含染料結構種類，將與其對應的功能菌種或菌群接種在實驗室小型反應器中培養，效果穩定后將其制成功能菌劑，以期應用于工業廢水的處理中，達到有的放矢的目的。

除上述從自然環境、污染環境中分離篩選出的高效功能菌外，還有部分針對基因工程菌的研究，主要是將已確定的多種降解性的目的基因分離出來，通過基因操作獲得的可降解多種有機物的新型功能微生物[2]。金玉潔[27]構建了降解偶氮染料基因工程菌pGEX-AZR/E.coliJM-109，其在pH7.5、溫度為35℃時對偶氮染料的脫色效果達到最大，其最佳碳源、氮源為葡萄糖、淀粉。Jin等[28]對pGEX-AZR/E.coliJM-109進行了進一步的研究，通過C.I.Direct Blue 71（DB 71）染料強化基因工程菌，在對其進行降解條件研究時發現，當pH值為5.0左右時，反應器的降解能力不是很好；當pH值為9.0、DB71染料濃度為150mg/L時，其可在12h之內把染料降解到27.4mg/L；研究還發現，鹽度在1%～3% 對其降解能力幾乎沒有影響。基因工程菌降解染料的功能是毋庸置疑的，但是基因工程菌的成功率不是很高，且成本高，而且安全問題也需要加以考慮。

表1 菌株及菌群對偶氮染料的降解

1.2 功能菌對蒽醌染料的降解

蒽醌染料分子結構中含有蒽醌基，大部分為芳香族高分子化合物。含有蒽醌染料的廢水具有有機成分含量高、不易被氧化、生化性差、有毒等特點。蒽醌染料主要有還原藍RSN、中性艷藍GL、酸性蒽醌藍、活性艷藍X-BR、分散藍2BLN等[29]。用微生物法降解蒽醌染料較傳統物理、化學法成本低，且產生較少降解副產物。

我國跨境電商的普及是現在發展的趨勢，作為世界上的制造大國與消費大國，這為中國跨境電商物流的更快發展帶來機遇。但值得注意的是起步較晚大大制約了我國跨境電商物流的發展，加上沒有完善的體系支撐其正常運作，沒有良好的體系支撐其正常的發展，跨境電商物流存在著各種各樣的問題，比如：基礎設施建設落后、配送成本高、技術水平較差、管理水平偏低。由此可見，我國跨境電商物流面對的挑戰還很多。

染料降解主要是染料分子中發色基團的消失、復雜多環芳烴分解為單環或簡單多環芳烴，最后被代謝。細菌降解蒽醌染料時，主要是蒽醌染料分子共軛鍵被還原酶催化裂解，使其脫色基團消失，從而達到脫色降解染料的目的。目前，對蒽醌類染料有降解能力的細菌種類很多，主要分布在假單胞菌屬、克雷伯氏菌屬、氣單胞菌屬、芽孢桿菌屬，大多為好氧菌，但在厭氧條件也可以對染料進行降 解[30]。目前已有很多學者在篩選馴化功能菌群方面進行了研究。

Wang等[31]好氧-水解反應器系統對蒽醌染料活性藍19的脫色率達到95.6%，COD去除率達到83.7%，經16S rDNA分析，在不同的反應器中降解活性藍19的主要功能微生物種群結構是發生變化的。分析表明，變形菌門和厚壁菌門是降解蒽醌染料的主要功能菌株，同時，希瓦氏菌屬在降解活性藍19時也起了一定作用。Dong等[32]從印染廢水中分離出XL-1菌株在蛋白胨存在，在溫度為30℃、pH值為7.0的條件下對活性艷藍KN-R的降解率達到93%，但是如果以染料作為唯一碳源的條件下，菌XL-1對活性艷藍KN-R沒有降解能力，金屬混合物如AgNO3、HgCl2、ZnSO4、CuSO4對菌株降解染料具有抑制作用，但MgSO4、MnSO4對菌株降解染料具有促進作用。

國內外有關蒽醌染料的生物處理方法研究較少，有關生物法處理活性艷藍KN-R的研究中，只研究了其優化條件及濃度的降解，對于機理性研究甚少，今后可以從降解副產物成分分析著手，深入了解生物降解蒽醌染料的機理。另外，蒽醌染料的種類繁多，但目前大多是關于活性艷藍KN-R的研究，對于其他種類蒽醌染料的研究較少，在今后的研究中可以加強。

1.3 功能菌對三苯基甲烷類染料的降解

隨著三苯基甲烷類染料廣泛應用于紡織印染行業，其產生的染料廢水越來越受人們的關注。三苯基甲烷類染料分子結構中心碳原子連有3個苯環，不同染料的苯環上側鏈基團不同。三苯基甲烷類染料主要有結晶紫和孔雀石綠。早在20世紀80年代，已有人證實假單胞菌桿菌對三苯基甲烷類染料的結晶紫和孔雀綠有脫色降解能力[1]。近年來也有許多學者針對生物法處理三苯基甲烷類染料進行研究。

He等[7]從印染廢水的活性污泥中發現了對染料有普遍降解能力的DN322菌株。它可以降解偶氮、蒽醌、三苯基甲烷類染料，在10h內、pH值為5.0～10.0、溫度為25～37℃、厭氧條件下，使染料濃度為50mg/L的三苯基甲烷類染料中結晶紫、堿性品紅、亮綠、孔雀綠脫色降解率達到90%以上。并且DN322可以在降解的過程中把結晶紫用作唯一的碳源和能量，該菌株已經投入到工程中應用。Arunarani等[6]研究了Pseudomonas putidaMTCC 4910菌株降解結晶紫和酸性藍93的降解條件，發現pH值、鹽度對其降解染料的脫色效果沒有太大影響，且吸附平衡復合二級動力學模型。

有關于三苯基甲烷類染料的降解副產物的分析起源于20世紀80年代，至今分別通過薄層層析（TLC）、氣質聯用（GC-MS）等方法檢測到米氏酮、二甲氨基苯酚的存在，即使微生物的種類不同，但是降解副產物的種類相近，可見微生物降解三苯基甲烷類染料可能有著相近的機理[1]。

2 功能菌對漿料（PVA）的降解

聚乙烯醇（PVA）是一種水溶性高分子聚合物，具有較大的表面活性，能在水中形成大量泡沫，影響水中溶解氧，對水生生物的呼吸具有抑制甚至破壞作用。PVA由于其較好的黏附性、漿膜強韌性和耐磨性等取代天然的漿料用來做經紗漿料、印花漿料，被廣泛應用于紡織、化纖、印染的行業[33-34]。

張惠珍等[35]證實生物降解PVA主要過程是，微生物首先黏附在高分子材料表面，分泌相應的酶將高分子鍵水解和氧化，使之形成相對分子質量低的碎片，最后微生物將其在體內代謝吸收生成CO2、CH4、H2O、N2、無機鹽和礦物質等。PVA降解過程中需要多種降解酶的參與，單一菌株雖然能產生PVA降解酶，但卻不能實現PVA的有效降解，為了達到徹底降解PVA的目的，通常采用高效功能菌協同作用，從而改善和提高印染廢水中PVA的處理效率[36]。篩選和分離純化PVA降解菌是目前研究的 熱點。

王銀善等[37]參照Finley法測定PVA的原理建立了一種快速篩選PVA降解菌的方法并成功篩選出共生細菌SB1菌群，包括假單胞菌（Pseudomonassp.）和產堿桿菌（Alcaligenessp.），發現該共生菌群對PVA有良好的降解效果。張興等[38]從土壤中分離出Rhodococcussp.菌株，該菌株可以把PVA作為唯一碳源和能量生長。Maru?incová等[33]從市政污水處理廠中分離出Steroidobactersp.PD可以在反硝化條件和厭氧條件下降解PVA。Bharathiraja等[39]發現革蘭氏陰性細菌Pseudomonas alcaligenes，在初始濃度低、pH值在堿性條件下對PVA的降解率較高。

從目前的研究看來，對PVA有降解能力的功能菌株種類仍然很少，且對反應條件要求較為嚴格，因此今后需要篩選出對PVA具有廣泛降解能力的高效功能菌株。

3 功能菌對助劑的降解

紡織印染助劑一般分為前處理劑、印染助劑、后整理劑及其他助劑。據統計，在紡織印染助劑的生產過程中，80%的原料為表面活性劑，其余約20%為功能性助劑。因此，在印染廢水助劑處理方面，很大程度上取決于對表面活性劑的處理。表面活性劑主要分為陰離子型、陽離子型和非離子型。

3.1 功能菌對LAS的降解

支鏈烷基苯磺酸鹽（LAS）是一種典型的陰離子表面活性劑，由于其良好的乳化性，被廣泛應用于紡織、印染等行業。隨著LAS使用量及使用范圍的擴大，隨之而來的環境污染問題也越來越嚴重，人們逐漸注意它的毒性及污染方面的研究和治理。

關于LAS的生物降解研究，目前普遍認為主要分為以下幾個階段：LAS經過ω-氧化作用或者α-、β-氧化作用生成短鏈的磺基苯羧酸（SPC）；氧化作用打開苯環；脫磺酸過程去除取代的磺酸鹽[40]。有關于LAS的生物降解過程主要是以氧化作用為主，有關研究表明在厭氧條件下SPC無法進一步降解。篩選和分離對LAS有良好降解能力的功能菌株是目前的研究熱點，國內外許多學者對此展開了研究。

Denger等[41]首先分離出在缺氧條件下，在葡糖糖-無機鹽培養基中把LAS作為唯一硫源利用的功能菌株RZLAS，經鑒定該功能菌株屬于γ-變形菌屬。Asok等[42]從被LAS污染的土壤中分離出二 十余種不同的對LAS有降解能力的菌株，其中 主要功能菌株經16S rDNA鑒定為Pseudomonas nitroreducens和Pseudomonas aeruginosa菌株，可以在25℃、pH值為7.0～7.5條件下降解濃度為0.05g/L的LAS。經證實，分離出的高效功能菌株對碳氫化合物和殺蟲劑的外源有害物質也有降解效果。可見，篩選出來的高效功能菌株，對結構相似的碳氫化合物和殺蟲劑也有良好的效果，在今后工程中具有良好的應用前景。Meng等[43]篩選出對LAS有降解能力的菌株Spirulina platensis，當LAS濃度分別為0.5mg/L、1mg/L、2mg/L時，5天后降解率分別可達到87%、80%、70.5%。同時發現，該功能菌株對Zn(Ⅱ)也有生物吸附能力，對Zn(Ⅱ)的最大去除效果可達30.96 mg/g，并且在LAS存在的情況下，可以提升該菌株對Zn(Ⅱ)的最大去除效果。反之，在Zn(Ⅱ)存在的情況下也可以提高Spirulina platensis菌株對LAS的降解能力。

3.2 功能菌對QACs的降解

季銨化合物（quaternary ammonium cationic surfactants，QACs）是叔胺被鹵代烷烴、氯代芐等物質經過親核取代而生成的一種陽離子表面活性劑，由于其穩定、表面激活、殺菌等特性，被作為勻染劑、乳化劑、織物軟化劑廣泛應用于紡織印染等行業。含有QACs的印染廢水排入自然水體中，由于其本身帶正電荷將吸附到帶負電荷的藻、污泥等介質表面，將影響水生生物破壞生態系統的平衡，且含有季銨化合物的廢水進入城市污水處理廠會影響其生物處理階段水質效果[44-45]。

目前，發現對QACs有降解能力的菌株主要為假單胞菌屬、氣單胞菌屬、黃單胞菌屬[44]。雖然不同表面活性劑的可生物降解性會有一定差異，但對于陽離子表面活性劑來說可生化性普遍比較好。針對微生物降解QACs，國內外展開了相關研究。

Takenaka等[46]從廢水設備的活性污泥中分離出來一株可以利用QACs表面活性劑十二烷基三甲基氯化銨（DTAC）作為唯一碳源、氮源和能量的Pseudomonassp.strain 7-6菌株，并研究其降解途徑，并證明DTAC分解成正十二醛釋放三甲胺轉化成十二烷酸是其主要降解途徑。針對生物降解季銨化合物，目前的研究相對較少，今后可以把研究重點放在高效功能菌的篩選以及降解機理方面的研究。

3.3 功能菌對APEOs的降解

烷基酚聚氧乙烯醚（alkylphenol ethoxylates，APEOs）作為一種典型的非離子表面活性劑廣泛應用于紡織、塑料、橡膠等領域。烷基酚聚氧乙烯醚主要包括壬基酚聚氧乙烯醚（NPEOs）、辛基酚聚氧乙烯醚（OPEOs）、十二烷基酚聚氧乙烯醚（DPEOs）和二壬基酚聚氧乙烯醚（DN-PEOs）。烷基酚聚氧乙烯醚是一種內分泌干擾物（又稱環境雌激素），進入水體后會在生物體內蓄積，并通過食物鏈進入人體，對人體的生殖能力產生嚴重的干擾。因此，近年來有關生物法處理烷基酚聚氧乙烯醚引起廣大學者的關注[47-48]。

Gabriel等[49]分離出可以降解多種壬基酚聚氧乙烯醚同分異構體的菌株Sphingomonas xenophaga Bayram，該菌株可以利用壬基酚聚氧乙烯醚作為唯一的碳源和能量，且對其降解機理也進行了進一步的研究。Taghe等[50]分離出可以降解具有支鏈結構的烷基酚聚氧乙烯醚菌株Sphingomonassp.，且經過LC-MS和GC-MS質譜分析，表明反應先從苯酚環對位開始斷鍵。Iwaki等[51]分離出兩株在好氧的條件下可以高效降解壬基酚聚氧乙烯醚，一株為M. nonylphenolicus，另一株為新發現菌株，命名為Pseudomaricurvus alkylphenolicusgen. nov.，sp. nov.。針對壬基酚聚乙烯醚及其支鏈結構同時有降解能力的菌株，研究相對較少。自然界中還有很多尚未分離出的高效功能菌株，今后應該從篩選條件方面加以研究，篩選出更多尚未培養功能菌株。

4 展 望

印染廢水由于成分復雜、色度大、COD高、堿性大等特點，給處理增加了難度。經過篩選的菌株可以高效、有針對性地對目標污染物達到降解的目的。由于生物法具有成本低、降解副產物少等優點，在印染廢水處理中有著極其重要的作用。

傳統篩選方法中通常利用高營養的LB、蛋白胨培養基篩選功能菌株，這些功能菌株基本上對工程無機環境適應性差、不易存活，今后可著重篩選以目標污染物質為唯一碳源、氮源及能量的高效降解功能菌株。同時，環境中仍存在大量的對目標污染物質有高效降解能力的未培養微生物，如本文作者曾篩選到的對活性黑5有良好脫色能力的混合菌群FF中，存在可分離培養的功能性優勢菌屬如Klebsiella菌屬和Proteus菌屬細菌，也存在著不易分離培養的生長優勢菌屬如Clostridium。今后可以從構建篩選方法入手，盡可能地擴大未培養功能微生物的可培養范圍。理論上來說，類似功能菌將會具有更大的工程應用價值。

有關偶氮染料降解及機理研究相對較多，與之相比有關蒽醌染料、三苯基甲烷類等染料及表面活性劑的降解產物、作用機理研究較少，今后可加強相關研究。

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