印染廢水中染料的生物脫色降解*

鄭燕虹，陳張燕，劉湘晴，夏麗，李海玥，郭麗君，李芹,2，張懷東,2*

（1.福建師范大學生命科學學院，福建 福州 350117；2.工業微生物教育部工程研究中心，福建 福州 350117）

中國是全球的紡織服裝制造和出口大國，紡織工業已經在中國的制造業中占據重要地位。紡織行業蓬勃發展的同時，紡織工業用水量和廢水排放量也迅速增加。中國生態環境部年報顯示，2021年，我國紡織業年產化學需氧量（COD）排放量、總磷排放量和總氮排放量均為工業行業排放量前三[1]，其中約70%廢水來自印染廢水。

印染廢水主要由紡織材料、染料和助劑組成，其中染料和助劑是印染廢水中有毒有害物質的主要來源。目前，在工業中使用的染料已超10000種，染料的添加造成印染廢水具有高黏度、高pH值、高色度、高COD等特點，并且在生產過程中容易螯合其他金屬離子，形成具有致癌、致畸、致突變毒性的有機廢水[2]。因此，在將這些有毒染料釋放到環境中之前必須對妥善處理，以減少其對環境的危害[3]。

目前，去除廢水中染料的方法有多種，包括物理、化學和生物處理法。物理法處理印染廢水具有操作簡單和高效等優點，但是成本高，能耗高，且分離吸附劑[4]。而化學法使用多種化合物進行氧化和還原，高效，處理時間短，但一些化學藥劑的使用反而容易引起二次污染[5]。與物理化學方法相比，生物處理通常是最具成本效益的，它簡單且成本低廉，不會造成二次污染，對環境友好。

1 印染廢水中的染料及其類型

染料主要由發色團和助色團組成。染料的顏色是由發色團決定的，而發色團有連續的單鍵和雙鍵的排列的共軛結構，能夠吸收可見光譜（400～700 nm）中的光。常見的發色團有偶氮、蒽醌、硝基、羧基、羰基、三苯基甲烷等[6]，而助色團能增強生色團的染色能力，其酸堿性也決定了染料的酸堿性，最常見的助色團有胺、羧基、磺酸鹽和羥基等。

根據來源，可以將印染廢水中染料分為天然和合成染料兩種。合成染料具有穩定性、產品色牢度高和低成本等優點[7]在紡織工業中的大量應用。根據化學結構式，以染料的結構特點和共性（即發色團）將染料分為偶氮染料、蒽醌染料、硫化染料、酞菁染料、三苯基甲烷染料、雜環染料等[8]，其中，三苯基甲烷染料（TPM）和偶氮染料（AZO）是最為頻繁使用的染料。

2 印染廢水中染料對環境和人體的影響

2.1 水生環境

GB 4287 —2012《紡織工業印染廢水排放標準》中規定了部分理化參數限值，包括COD、懸浮物、色度、總磷、總氮等指標，但是，實際上這些指標不足以全面的衡量印染廢水的質量，其生態毒性也應列入考量范圍[9]。研究表明，印染廢水中的染料會對水生生物造成急性、慢性或遺傳毒性影響，最終可能對水生生態系統構成威脅[10,11]。排放到水生生態系統中的紡織染料會降低水體的透明度和溶氧量[12]，破壞水生環境。印染廢水會刺激藻類細胞產生過量的活性氧，導致細胞過氧化，從而破壞葉綠體，抑制葉綠素合成并減少光合作用，最終導致藻類細胞不可逆轉的損害甚至死亡[13]。廢水中染料的存在導致其懸浮物水平高，而這些懸浮物會阻礙水流過魚鰓，影響氣體交換，長期暴露在印染廢水下會使得魚體內的蛋白質、碳水化合物和脂質降低，最終導致生長速度下降或死亡[14]。由于印染廢水中總有機碳（TOC）、生物需氧量和化學需氧量高，容易消耗水體中的氧氣，還可能引發水體富營養化問題[15]。

2.2 土壤環境

染料和染料廢水一旦滲透進土壤，會對土壤化學性質、土壤微生物和農作物產生負面影響。趙慧等對我國南方典型城市化區域調查發現，不同類型重點排污單位的空間分布、歷史排污狀況與重金屬高檢出區具有一致性，重點排污企業加重了當地土壤中重金屬的污染[16]。印染廢水用于灌溉會導致作物的不同部位出現重金屬的累積，并且其濃度會隨著時間的變化而變化，甚至超過世界衛生組織的閾值[17]。染料使得微生物細胞膜的完整性喪失，電子傳遞鏈受到抑制，膜通透性增強以及多不飽和脂肪酸氧化。此外，較高的染料含量會對微生物的發育和代謝過程產生負面影響，從而影響本地土壤微生物群落[18]。

2.3 人體健康

印染染料有致敏和致癌風險，還有可能引發肝臟、腎臟損傷，并且具有中樞神經毒性。AZO是紡織行業中最常見印染染料，部分AZO本身并無毒性，但在還原條件下會生成芳香胺，而芳香胺已被證明是有致癌風險的[19]。未與紡織品結合的染料與人類的皮膚接觸后，被人體汗液溶解，會引發皮炎、濕疹等皮膚過敏癥狀，甚至引起皮膚壞死[20]。目前，在GB/T 18885—2020《生態紡織品技術要求》中對致敏、致癌以及其他禁用對染料的限量值為50 mg/kg，規定每種可分解的致癌芳香胺和可能以化學殘留物形式存在的致癌芳香胺總量合格限量值為20 mg/kg[21]。此外，如不慎吸入氯苯后，會表現出麻木，感覺異常和肌肉痙攣等中樞神經中毒的癥狀[22]。染料進入水生生物和農作物后，通過食物鏈富集到人體身上，引發高血壓、腎衰竭，痙攣等疾病。

3 印染廢水中染料的生物脫色降解

生物處理法是微生物或酶通過破壞發色團上的不飽和鍵，將有害大分子染料轉化為無害的小分子或原生物質，使印染廢水脫色[23]。因其不容易產生二次污染，廉價，并且在脫色后產物無毒，被認為是一種更加環保的處理方式[24]。

3.1 細菌降解染料

對于AZO，細菌通過體內的酶切割偶氮鍵，使其脫色的同時解除染料的毒性，單一菌株就有優秀的染料降解和脫色能力。銅綠假單胞菌RKS6能在30 ℃、pH值7、靜置狀態下于12 h內去除99%甲基橙（MO），降低96%TOC，并且解除MO對種子的毒性[25]。除了針對單一染料，細菌還能對不同類型的多種染料進行脫色，但脫色能力存在差異。Bacillussp.DMS2能對30種不同染料進行脫色，其中，對直接紅81（DR81）脫色率最高（＞80%），對天空藍的脫色效率最低（＞30%）[26]。

由于印染廢水常為高鹽狀態，因此不少研究者將目光放在能耐受高鹽且依舊具有高降解力的菌株上。DMS2在高鹽（50 g/L）的環境下，也能使97%的DR81脫色[26]；Exiguobateriumsp.S2在5%鹽度下，能在8 h內去除95%以上酸性金黃G[27]；Liu等發現，Bacillus circulans BWL 1061在pH值在6.0～8.0范圍內能保持＞94%降解率，在60 g/L的NaCl濃度下能同時去除MO和Cr[28]。經過細菌處理后的染料的產物無毒，能解除染料對水生植物、陸地植物、線蟲的毒性和遺傳毒性[29]。

3.2 真菌降解染料

真菌可以產生大量的胞外和胞內酶，具有能夠去除各種有機污染物，包括染料廢水、有機廢物、類固醇化合物和多環芳烴。白腐真菌是生物脫色降解中最為常見的真菌，Trametes versicolorZ-1對多種芳香類染料均表現出較強的脫色能力，其中對剛果紅、孔雀石綠和考馬斯亮藍R-250這3種染料的脫色率能達到100%[30]。

以染料和其他碳源為共底物時能增強脫色降解能力，Irpex lacteus2-1-1對7種染料均有脫色能力，補充果糖為額外碳源后能顯著增加菌株2-1-1對剛果紅的脫色率[31]。當然，不同菌株所需的額外碳源量不同，同一菌株降解不同的染料所需的額外碳源量也有所不同。從腐木中分離的Trichoderma koningiopsisS1和Trichoderma atrovirideS2分別在添加45%的葡萄糖和60%的葡萄糖后能對Procion Red MX-5B（PRMX5B）有效脫色，但當降解Remazol Brilliant Violet 5R（RBV5R）時，則分別需要添加80%和52%葡萄糖[32]。

細菌能在較短的時間內對染料進行脫色降解，真菌由于生長緩慢，對染料的脫色時間也相對較長，約6～10 d左右。有趣的是，一株耐寒的菌株Bjerkandera adustaSWUSI4 在含4種TPM染料（100 mg/L）平板上的脫色時間為14 d，而在含50 mg/L的TPM染料液體培養基中150 r/min培養時，在24 h的脫色率可達90%以上[33]。

3.3 酶介導的降解

酶也稱為生物催化劑，是一種廉價、高效、可再生和選擇性的生物物質，可以通過將目標物轉化為產物來特異性地去除特定的頑固污染物。偶氮還原酶、漆酶、NADH-DCIP、木質素過氧化物酶、錳過氧化物酶和酪氨酸酶等酶被認為參與了染料的脫色降解過程[34]，不少研究人員利用DNA重組技術將能夠脫色降解的基因轉入其他菌，利用重組工程菌生產大量的降解酶。Liang等將來自枯草芽孢桿菌的漆酶基因cotA整合到Synechococcus elongatusPCC7942中，并靶向中性位點NSIIP；由重組菌株CC7942-NSII-CotA生產的漆酶，不需要ABTS的介導，也能夠在7 d內將蒽醌型、偶氮型和靛藍型三種染料降解[35]。Cagide等將在Pseudomonassp.AU10的基因組中的染料脫色過氧化物酶dyp基因重組到大腸桿菌中，該酶在30 min內使孔雀石綠、甲基橙和甲基紫35B脫色[36]，而嗜鹽菌重組偶氮還原酶不僅具有耐鹽性，還能在18 h內將降解99.3%的甲基紅[37]。

3.4 混合菌群

純菌株大多是對單一染料的脫色降解，而印染廢水中的染料種類繁多，因此，純菌株多種不同結構類型染料的脫色降解有一定的局限性。通過使不同類型的菌協同作用，實現對不同結構的染料的脫色[38]。陳國濤等構建了嗜熱偶氮染料降解復合菌群，該菌群不僅耐熱，且耐受3000 mg/L的直接黑G，對不同結構的AZO都有較好的脫色能力，經優化后的降解率能達到99%，此外降解前后的染料化學鍵及表面官能團發生了明顯的變化，并且能大大降低AZO對植物的毒性[39]。

微藻主要是通過吸附作用使染料脫色，可以利用這一特質將其與降解菌聯合使用。湯偉華構建了小球藻Chlorella sorokinianaXJK與曲霉Aspergillussp.XJ-2聚生體系，在增強脫色率、降低廢水理化指標的同時，也提高了染料和鹽耐受性，并且最終將分散紅3B轉化成小分子。

4 結論與展望

印染廢水中的染料已被證實對環境生物和人體健康有急性、慢性和遺傳毒性，需要合理處置，生物法是一種較為理想的處理辦法，國內外學者已經篩選和發現到許多能對印染廢水中的染料進行脫色降解的菌株，并對參與脫色降解的酶的脫色降解能力進行評估。為彌補單一菌株脫色降解能力的不足，也對混合菌群進行了初步探索。遺憾的是，有關模擬真實印染廢水中染料的脫色降解仍然少見。印染廢水排放相關標準缺少生態毒性的指標，因此需要進一步完善法規，同時，對于生物脫色產物的毒性不應僅限于植物、動物，還應包括環境微生物以及群落結構；另外，使用菌株進行降解時也應將菌株的生態毒性和致病性納入考量范圍。印染廢水的環境相對惡劣，因此，來自其他極端環境的微生物也可能具有脫色降解潛力。