高效生物降解脫色染料廢水的研究進(jìn)展

李進(jìn)家，范曉丹，張道虹

（天津城建大學(xué)a.天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津300384）

合成染料被廣泛應(yīng)用于紡織、造紙、皮革、工業(yè)包裝、建筑、食品、化妝品和醫(yī)藥等行業(yè).據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年生產(chǎn)約80余萬(wàn)噸染料和顏料，我國(guó)染料總產(chǎn)量約占世界的40%[1].在染料的生產(chǎn)和使用過(guò)程中，約有10%～15%的染料被釋放到生態(tài)環(huán)境中，對(duì)水環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染[2].染料主要包括偶氮染料、蒽醌染料、三芳基甲烷染料、硫化染料等，其中偶氮染料、蒽醌染料及三芳基甲烷染料的使用占比超過(guò)93%[3-4].染料因具有耐光性、抗氧化能力、難降解和較強(qiáng)穩(wěn)定等特性，使得水體出現(xiàn)較高的色度、陽(yáng)光穿透能力降低、溶解氧濃度低等一系列問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致水生植物光合作用下降，加劇環(huán)境污染[5-6].難降解染料在生物降解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生致癌化物，嚴(yán)重威脅人類健康[7].因此，解決染料廢水的污染問(wèn)題迫在眉睫.

目前，染料廢水的處理方法包括物理法、化學(xué)法和生物法[8].生物降解因具有無(wú)污染、可回收目標(biāo)物質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為染料降解脫色的重要研究方法[9-10].目前，已篩選、分離出多種微生物包括細(xì)菌、真菌和藻類，通過(guò)吸附或降解的方式對(duì)染料廢水進(jìn)行降解脫色.其中，細(xì)菌：氣單胞菌屬（Aeromonas）、假單孢菌屬（Pseudomonas）、芽孢桿菌屬（Bacillus）及真菌：白腐真菌（Whiterot fungi）、霉菌屬（Mycete）對(duì)染料廢水具有較高的脫色效果[11-13].同時(shí)，相關(guān)研究報(bào)道了金屬離子、氧化還原介體、共代謝基質(zhì)均能促進(jìn)染料降解酶的分泌和提高酶活性，以及加速電子傳遞增加氧化還原速率，強(qiáng)化染料廢水的降解脫色.

本文從高效脫色菌株的篩選、分離及降解脫色效果，金屬離子、氧化還原介體（RM）及共代謝基質(zhì)強(qiáng)化染料廢水生物降解效果等方面進(jìn)行闡述.

1 微生物高效降解脫色染料廢水

1.1 細(xì)菌對(duì)染料廢水的高效降解脫色

目前，研究者已篩選、分離多種能夠降解染料（偶氮、蒽醌、三芳基甲烷染料）的高效脫色細(xì)菌菌株，這些菌株大多是從印染廢水處理廠、市政污泥或者自然界土壤中分離獲得.目前，已發(fā)現(xiàn)的降解染料廢水的脫色細(xì)菌種類繁多，主要包括：氣單胞菌屬（Aeromonas） 、假單孢菌屬（Pseudomonas）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、紅球菌屬（Rhodococcus）、希瓦氏菌屬（Shewanella）和克雷伯氏菌屬（Klebsillea）.菌屬中的某些細(xì)菌（見(jiàn)表1），此類細(xì)菌包含厭氧菌、好氧菌和兼性厭氧菌.細(xì)菌與其他微生物相比，生長(zhǎng)較快、容易獲得大量生物量，且能夠產(chǎn)生染料降解相關(guān)酶（偶氮還原酶、還原酶TMR、單加氧酶、脫色酶TpmD等）.科研人員以細(xì)菌脫色降解偶氮染料和蒽醌染料為目標(biāo)物的研究最為廣泛.

表1 染料廢水高效降解脫色細(xì)菌

Yu等[19]從上海松江污水處理廠的活性污泥中分離獲得的高效脫色嗜水氣單胞菌RB5-M1（Aeromonas hydrophilastrain RB5-M1），該菌株在pH為8.0、溫度為35℃的厭氧條件下（氮?dú)?5%、二氧化碳6%）對(duì)偶氮染料活性黑5（200 mg/L）降解脫色，24 h平均脫色率為94.1%，最高脫色率可達(dá)99.8%.該菌株在厭氧條件下分泌偶氮還原酶破壞染料分子偶氮鍵形成降解產(chǎn)物苯胺.Sneha等[20]從印度-納普爾當(dāng)?shù)氐挠∪緩S污染土壤中分離出芽孢桿菌，該菌株在pH為6.0、溫度為37℃連續(xù)振蕩條件下，偶氮染料酸性紅2（100 mg/L）72 h的脫色率為90%；在pH為6～8、30℃振蕩條件下，酸性橙7（100 mg/L）48 h內(nèi)脫色率達(dá)到99%.該菌株在好氧條件下可分泌偶氮還原酶裂解染料分子偶氮鍵，降解兩種不同偶氮染料且達(dá)到較高的脫色率.目前，偶氮染料廢水生物降解研究最為廣泛，但是關(guān)于三芳基甲烷染料降解脫色的相關(guān)研究較少.Xu等[21]從印染污水處理廠污泥中篩選分離到孔雀石綠高效脫色克雷伯氏桿菌（Klebsiella），該菌株將染料分子吸附在細(xì)菌細(xì)胞壁的表面，通過(guò)自身酶系對(duì)染料分子進(jìn)行催化降解；該菌株降解脫色100 mg/L孔雀石綠，12 h脫色率為72.52%，36 h脫色率達(dá)到91.19%.由于三芳基甲烷染料分子量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且含有較多不飽和鍵，所以較偶氮與蒽醌染料難易生物降解.但是，克雷伯氏桿菌對(duì)孔雀石綠具有較高的脫色率，該菌株對(duì)其他三芳基甲烷染料也應(yīng)具有較高的脫色率.

綜上可得，研究者已分離多種細(xì)菌能夠高效降解染料廢水，菌株在較短時(shí)間內(nèi)降解脫色90%以上的染料.其中，克雷伯氏菌屬、假單孢菌屬、氣單胞菌屬、及芽孢桿菌屬均表現(xiàn)出較好的脫色性能.細(xì)菌降解脫色染料為酶降解，降解機(jī)理為染料分子發(fā)色基團(tuán)的破壞、復(fù)雜苯環(huán)降解為單苯環(huán)、被進(jìn)一步礦化為CO2與H2O.菌株在降解偶氮染料過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生偶氮還原酶破壞染料分子結(jié)構(gòu)偶氮鍵（—N＝N—）；蒽醌染料與三芳基染料的降解是通過(guò)還原酶、單加氧酶催化裂解苯環(huán)分子結(jié)構(gòu)共軛鍵，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生裂解.細(xì)菌高效脫色染料廢水優(yōu)勢(shì)為：自然界中細(xì)菌數(shù)量大，易于篩選、分離高效脫色菌株；與普通菌株或者活性污泥直接處理印染廢水相比，馴化、篩選菌株具有較高的脫色性能；細(xì)菌生長(zhǎng)較快、容易獲得大量生物量；菌株能夠大量分泌染料降解相關(guān)酶.細(xì)菌脫色染料廢水也具有缺點(diǎn)：細(xì)菌脫色廣譜性差，單一菌株只適用于同一類染料廢水的降解，對(duì)其他類染料脫色效果差；細(xì)菌耐受實(shí)際染料廢水毒性低；多數(shù)細(xì)菌難降解三芳基甲烷染料.

1.2 真菌對(duì)染料廢水的高效降解脫色

目前，已報(bào)道多數(shù)真菌在染料降解、脫色廣譜性、礦化率、脫色速率等方面表現(xiàn)一定的優(yōu)越性.真菌脫色染料廢水包括吸附脫色和降解脫色，菌株將染料分子吸附于菌體表面再通過(guò)分泌染料相關(guān)酶降解染料分子，少量菌體只吸附染料分子不能分泌染料降解酶.真菌在降解染料分子過(guò)程中，主要分泌三種酶：木質(zhì)素過(guò)氧化物酶、錳過(guò)氧化物酶以及漆酶.歸納發(fā)現(xiàn)，染料脫色真菌主要分布于白腐真菌屬（White-rot fungi）、霉菌屬（Mycete）、酵母菌屬（Saccharomyces）等菌屬中（見(jiàn)表2）.近年來(lái)，以白腐真菌降解脫色染料廢水成為了真菌降解染料的研究熱點(diǎn).

表2 染料廢水高效降解脫色真菌

20世紀(jì)80年代，Tien等[27]研究報(bào)道了黃孢原毛平革菌可以分泌木質(zhì)素降解酶，該酶可用于印染廢水中染料的脫色降解，真菌降解染料廢水的研究由此而開(kāi)始.Zhao[28]研究報(bào)道了白腐真菌刺芹側(cè)耳（Pleurotos eryngii）和雜色云芝（Coriolus versicolor）混合菌絲，在pH為4.5，溫度為28℃條件下脫色降解酸性橙7（100 mg/L），24 h脫色率可達(dá)93%.刺芹側(cè)耳分泌漆酶與雜色云芝分泌錳過(guò)氧化物酶使AO7分子偶氮鍵首先斷裂，產(chǎn)生對(duì)氨基苯磺酸和1-氨基-2-萘酚，進(jìn)一步降解生成對(duì)苯二酚.Ning等[29]研究了將黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）固定在改性的植物材料葵花盤、葵花秸稈上，將其用于酸性黑ATT的生物降解.在pH為5.0、溫度為22℃、轉(zhuǎn)速150 r/min的最適條件下，該菌株脫色降解酸性黑ATT（100 mg/L），25 h脫色率達(dá)到94.41%，連續(xù)進(jìn)行5次脫色酸性黑ATT后脫色率仍保持在89%以上.Santiago等[30]研究報(bào)道Trametes villosa生物降解皮革染料.結(jié)果表明，在溫度30℃，pH為5.5及轉(zhuǎn)速150 r/min條件下，Trametes villosa分別降解100 mg/L酸性紅357、酸性黑210和酸性藍(lán)161，降解168 h后脫色率分別為95.71%、92.76%及96.84%；在脫色過(guò)程中，漆酶活性顯著增強(qiáng)（1150～1550 UL-1），并且疊氮化鈉（NaN3，0.1 mM）的加入能夠完全抑制Lac活性，使染料脫色率大大降低.

真菌降解染料廢水仍是酶降解，菌株分泌的木質(zhì)素過(guò)氧化物酶、錳過(guò)氧化物酶及漆酶均是破壞染料分子結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵酶.MnP和LiP均為血紅素蛋白酶，將染料氧化形成高度活性自由基中間體，繼而產(chǎn)生自由基使底物氧化裂解；漆酶是多芬氧化酶，使用O2作為電子受體，催化多芬化合物形成醌與自由基進(jìn)而催化裂解染料分子.真菌對(duì)于易降解的偶氮、蒽醌及難降解的三芳基甲烷染料均具有較好脫色效果，可在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的脫色率.真菌高效降解染料廢水優(yōu)勢(shì)為：高效脫色菌株分泌胞外酶降解染料廢水；馴化篩選獲得的菌株對(duì)染料廢水毒性具有一定的耐受能力；脫色菌株表現(xiàn)出良好的廣譜性.但是，染料廢水脫色真菌較脫色細(xì)菌生長(zhǎng)緩慢、生物量小且不能大量獲得等因素會(huì)影響染料廢水的脫色降解.

1.3 藻類對(duì)染料廢水的高效降解脫色

藻類因具有較大的表面積和親和力，所以對(duì)許多污染物有較高的去除率.雖然染料廢水對(duì)微生物有毒害作用，但其并不會(huì)顯著抑制藻類生物的生長(zhǎng)[31].藻類對(duì)染料的脫色也包括吸附脫色和降解脫色.藻的細(xì)胞壁成分為多糖和脂質(zhì)，這些成分中含有氨基、羧基、羥基等帶電基團(tuán)，使得細(xì)胞壁和染料分子之間產(chǎn)生較強(qiáng)強(qiáng)的吸引力，從而發(fā)生靜電吸引和絡(luò)合反應(yīng)；藻類利用體內(nèi)分泌相關(guān)酶破壞染料的發(fā)色基團(tuán)和分子結(jié)構(gòu)，最終將其礦化為可以利用的小分子結(jié)構(gòu)物質(zhì)或者二氧化碳[32].已有研究表明部分藻類，如小球藻（Chlorella vulgaris）、蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）、魚(yú)腥藻（Anabaena）、顫藻（Oscillatoria）、斜生柵藻（Scenedesmus obliquus）等，均能降解脫色染料廢水（見(jiàn)表3）.

表3 不同藻類脫色降解染料廢水

Dellamatrice等[36]研究使用藍(lán)藻Anabaena flosaquaeUTCC64、Phormidium autumnaleUTEX 1580和Synechococcussp.PCC7942去除水中的靛藍(lán)、艷藍(lán)R和硫化黑染料；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三種藍(lán)藻均能在不同程度上去除三種染料，但藍(lán)藻P.autumnaleUTEX1580是唯一完全降解靛藍(lán)染料的藻類.Eisheekh等[37]研究了Pseudo anabaenasp.和Microcystis aeruginosa對(duì)四類染料的脫色降解.結(jié)果表明，染料的去除取決于藻的種類、生長(zhǎng)速度和染料的結(jié)構(gòu)；Microcystis aeruginosa對(duì)活性黑NN和橙黃2RL有較好的脫色效果，培養(yǎng)7 d后脫色率分別為55.12%和65.07%；而Pseudo anabaenasp.對(duì)活性黃3RN和酸性紅138脫色效果最佳，最大脫色率分別為58.47%和78.44%.

染料廢水的高效生物降解脫色的關(guān)鍵是馴化、篩選、分離高效脫色菌株.高效脫色菌株較普通菌株染料脫色率高的原因?yàn)椋壕暝诤腥玖系奶囟ōh(huán)境馴化生長(zhǎng)會(huì)誘導(dǎo)菌株基因表達(dá)分泌染料降解相關(guān)酶，部分菌株會(huì)因?yàn)樯L(zhǎng)環(huán)境的改變導(dǎo)致基因結(jié)構(gòu)發(fā)生改變.細(xì)菌、真菌、藻類均能降解脫色染料廢水，但細(xì)菌與真菌對(duì)染料廢水降解脫色率強(qiáng)于藻類.染料廢水生物降解的重要物質(zhì)——生物降解酶是染料脫色的關(guān)鍵，這些降解酶是由微生物分泌產(chǎn)生，生物酶降解污染物是一種節(jié)能、環(huán)保、高效的處理方法.與普通菌株相比，馴化菌株被誘導(dǎo)能夠大量分泌染料降解酶，且酶活性較高；因此，染料廢水的高效脫色是菌株大量分泌染料降解酶，促使染料分子破壞與裂解.印染廢水生物降解研究中，微生物對(duì)偶氮染料研究最為廣泛、蒽醌染料次之、三芳基甲烷染料研究最少，應(yīng)增強(qiáng)微生物對(duì)多類染料降解研究實(shí)驗(yàn).微生物高效降解染料廢水具有以下優(yōu)勢(shì)：生物降解較物化法，投資費(fèi)用低、安全高效、無(wú)二次污染；與普通菌株或者活性污泥直接降解染料廢水相比，馴化、分離獲得的高效脫色菌株對(duì)染料廢水能夠達(dá)到較高的脫色率且能耐受高濃度染料廢水毒性與鹽度；脫色細(xì)菌種類多、數(shù)量大易于馴化、篩選與分離，脫色真菌廣譜性較好，藻類能夠耐受高濃度染料廢水毒性.

2 金屬離子促進(jìn)染料廢水的高效生物降解

許多研究者報(bào)道了部分金屬離子能夠促進(jìn)染料廢水生物降解.金屬離子是微生物生命活動(dòng)必不可少的微量元素，部分金屬離子如Ca2+、Mn2+、Zn2+、Cu2+可作為酶活性的中心，激活染料降解酶分泌和活性.如漆酶是一種結(jié)合多個(gè)Cu2+的蛋白質(zhì)，屬于銅藍(lán)氧化酶；錳過(guò)氧化物酶（MnP）是依賴于Mn2+的含血紅素的過(guò)氧化物酶.

研究金屬離子對(duì)染料廢水降解脫色效果的影響，既能夠發(fā)現(xiàn)促進(jìn)微生物高效降解染料廢水的金屬離子，又能得知抑制染料廢水生物降解的金屬離子，進(jìn)而提高染料廢水的脫色率.Lu等[38]研究了水體中七種常見(jiàn)的金屬離子對(duì)漆酶降解活性艷藍(lán)的作用效果.結(jié)果表明，K+和Mg2+在0～10 mmol/L范圍內(nèi)對(duì)活性艷藍(lán)的降解促進(jìn)效果不明顯，而Mn2+、Cu2+和Zn2+三者均對(duì)漆酶降解活性艷藍(lán)有顯著提升作用，當(dāng)三者的濃度為10 mmol/L時(shí)，活性艷藍(lán)的脫色率可達(dá)到80%，相比純漆酶降解率提升了5%～8%；低濃度Fe2+和Fe3+對(duì)活性艷藍(lán)的降解有促進(jìn)作用，高濃度（10 mmol/L）有較強(qiáng)的抑制效果.不同金屬離子對(duì)染料廢水既有促進(jìn)也有抑制效果；同時(shí)，金屬離子的促進(jìn)效果也有很大不同.這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，Mn2+、Cu2+和Zn2+是促進(jìn)漆酶降解活性艷藍(lán)的最佳金屬離子.Telke等[39]研究了金屬離子對(duì)菌株Bacillussp.ADR脫色降解偶氮染料活性橙16的影響，結(jié)果表明，與未添加CaCl2的對(duì)照組相比，當(dāng)添加0.5 mmol/L的CaCl2時(shí)，菌株ADR對(duì)活性橙16的脫色率增加1.5倍.這說(shuō)明Ca2+的加入能大大提高菌株ADR分泌降解酶脫色降解偶氮染料活性橙16，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可用于菌株ADR降解脫色其他偶氮染料.Shi[40]研究了五種金屬離子對(duì)云芝SG0027脫色酸性鉻藍(lán)K的影響.無(wú)金屬離子加入的空白對(duì)照組中酸性絡(luò)藍(lán)K的脫色率為88.9%，當(dāng)培養(yǎng)基加入Ca2+、Na2+、Fe2+、Zn2+、Cu2+后，酸性絡(luò)藍(lán)K的脫色率分別為92.8%、93.3%、92.1%、94.8%及96.6%.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不同金屬離子的加入對(duì)染料廢水促進(jìn)效果不同，但均能提高染料脫色率，Cu2+對(duì)菌株脫色酸性絡(luò)藍(lán)K效果最好，這是由于Cu2+促進(jìn)了云芝SG0027分泌漆酶并且激活了漆酶活性.

金屬離子作為微生物生長(zhǎng)的必需元素，微量元素的缺少將會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)和相關(guān)物質(zhì)的合成，進(jìn)而影響染料廢水的降解.染料廢水的高效生物降解取決于降解酶的分泌與活性.部分金屬離子與染料降解酶的合成有關(guān)，Cu2+、Ca2+、Mg2+對(duì)漆酶活性有顯著的促進(jìn)作用.其中，Cu2+作為漆酶的活性中心，Mg2+、Fe3+、Mn2+對(duì)錳過(guò)氧化物酶分泌都有促進(jìn)作用，Mg2+是因?yàn)樵摻饘匐x子是錳過(guò)氧化物酶的輔因子，Mg2+與錳過(guò)氧化物酶結(jié)合位點(diǎn)相結(jié)合能夠穩(wěn)定和活化錳過(guò)氧化物酶；而K+和Na2+與酶的合成無(wú)關(guān)，因此對(duì)染料的促進(jìn)效果不明顯；Fe2+和Fe3+對(duì)染料廢水降解既有促進(jìn)也有抑制效果，低濃度有促進(jìn)作用而高濃度有抑制效果.不同菌株生長(zhǎng)代謝方式不同，生長(zhǎng)所利用的金屬離子也有很大差別.因此，對(duì)實(shí)際印染廢水生物降解，需要關(guān)注廢水中金屬離子的種類與濃度.

3 氧化還原介體促進(jìn)染料廢水的高效生物降解

染料廢水高效生物降解的一個(gè)重要促進(jìn)劑（氧化還原介體），能夠較大地提高染料氧化還原反應(yīng)速率.氧化還原介體（RM）是一種有機(jī)或無(wú)機(jī)物，在氧化還原反應(yīng)中作為電子載體轉(zhuǎn)移電子作用于污染物或者作為一種促進(jìn)劑激活染料相關(guān)降解酶的分泌，進(jìn)而促進(jìn)染料廢水的高效生物降解[41].一方面，染料廢水的降解脫色源于酶降解，氧化還原介體作為促進(jìn)劑增加相關(guān)酶（偶氮還原酶、單加氧酶、還原酶、木質(zhì)素酶系）的分泌和活性，破壞發(fā)色基團(tuán)（偶氮鍵等）和分子結(jié)構(gòu)（苯環(huán)）；另一方面，染料分子的裂解需要獲得電子，氧化還原介體加速電子傳遞，增加氧化還原反應(yīng)速率.氧化還原介體作為能夠促進(jìn)染料廢水生物降解的物質(zhì)，成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn).氧化還原介體包括溶解態(tài)介體和固定態(tài)介體；目前，研究較多的氧化還原介體為Tween 80、丁香醛、HBT、ABTS、蒽醌類物質(zhì)及活性炭等（見(jiàn)表4）.

表4 氧化還原介體強(qiáng)化染料廢水降解

Li等[47]研究了不同介體對(duì)于Bacillussp.CLB脫色降解四種染料的促進(jìn)效果.結(jié)果表明：在脫色體系中不加入介體時(shí)，菌株CLB的芽孢粗酶液對(duì)結(jié)晶紫靛紅，6 h的脫色率分別為75.03%、及16.41%.當(dāng)脫色體系中加入介體時(shí)，乙酰丁香酮（ACE）和丁香醛（SYR）對(duì)靛紅的脫色促進(jìn)效果較明顯，6 h內(nèi)脫色率均達(dá)到90%；除1-羥基苯并三唑（HBT）外，乙酰丁香酮（ACE）、丁香醛（SYR）及ABTS對(duì)結(jié)晶紫脫色均有一定促進(jìn)作用，6 h的脫色率分別為91.18%、77.45%及76.92%.由此可見(jiàn)，介體的加入對(duì)染料脫色起到一定的促進(jìn)效果，特別是乙酰丁香酮（ACE）對(duì)結(jié)晶紫和靛紅6 h脫色率均超過(guò)90%.Lu等[48]研究發(fā)現(xiàn)丁香醛作為氧化還原介體能夠提高菌株Streptomycessp.C1產(chǎn)生的漆酶活性；在溫度40℃、pH8.0條件下，漆酶脫色降解靛藍(lán)胭脂紅和鉆石黑PV，不加入丁香醛的對(duì)照組，兩種染料的脫色率僅為10.3%和5.6%，加入丁香醛后，染料脫色率達(dá)到83.7%和56.4%，分別提高73.4%和50.8%.由此可見(jiàn)，丁香醛作為氧化還原介體能夠大大提高靛藍(lán)胭脂紅和鉆石黑PV的生物降解.

研究學(xué)者還發(fā)現(xiàn)蒽醌類物質(zhì)能夠作為氧化還原介體具有電子傳遞的功能，從基質(zhì)中接收電子傳遞給微生物作用于染料分子，促使染料分子發(fā)色基團(tuán)破裂從而完成脫色.Liu等[49]研究發(fā)現(xiàn)，蒽醌-2，6-二磺酸（AQDS）能夠強(qiáng)化活性污泥厭氧降解偶氮染料直接藍(lán)15.向優(yōu)化培養(yǎng)基中分別加入0，0.1，1，5 mmol/L的AQDS，直接藍(lán)15降解75 h的脫色率分別為75.2%，96.0%，95.6%，95.7%.這表明AQDS的加入能夠促進(jìn)活性污泥厭氧降解直接藍(lán)15.AQDS將微生物產(chǎn)生的電子作用于染料分子，染料分子得到電子后自身的不飽和鍵被破壞，最終導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)中發(fā)色基團(tuán)的斷裂.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AQDS濃度的增加并不能提高染料的脫色率，低濃度AQDS對(duì)染料脫色的促進(jìn)效果大于高濃度AQDS.這是由于AQDS本身不能為直接藍(lán)15降解提供電子，只是加強(qiáng)了電子傳遞速率；另一方面，由于基質(zhì)所產(chǎn)生的電子數(shù)量有限，當(dāng)AQDS濃度升高時(shí)，單位AQDS傳遞的電子量會(huì)降低.因此，當(dāng)介體投加量超過(guò)最佳量時(shí)，繼續(xù)投加并不能促進(jìn)染料的降解.

除上述溶解態(tài)氧化還原介體外，研究者發(fā)現(xiàn)活性炭（AC）作為非溶解態(tài)氧化還原介體能夠加速電子傳遞，進(jìn)而強(qiáng)化染料廢水的生物降解.Pereiraa等[50]研究了活性炭強(qiáng)化厭氧污泥脫色降解偶氮染料廢水.四種活性炭：微孔熱處理AC（ACH2）、孔碳CXA、中孔碳CXB和碳納米管（CNT）均能強(qiáng)化厭氧污泥降解偶氮染料紡織廢水，四種碳材料均可以去除85%的媒介黃10和70%的活性紅120.與無(wú)碳材料反應(yīng)相比，媒介黃10的反應(yīng)速率提高了2倍，活性紅120的反應(yīng)速率提高了1.5倍.在沒(méi)有活性炭材料加入的條件下，酸性橙10不能被生物降解，但是當(dāng)CXB和CNT加入，酸性橙10脫色率均可達(dá)到98%，而ACH2和CXA僅能達(dá)到46%和67%.這表明CXB和CNT是生物降解酸性橙10的最佳氧化還原介體.四種活性炭氧化還原介體，加速了電子傳遞，進(jìn)而提高污泥氧化還原反應(yīng)裂解染料分子.

氧化還原介體作為一種微量或者少量添加物，能夠大大提高生物反應(yīng)速率，促進(jìn)染料污染物的高效生物降解.氧化還原介體的優(yōu)勢(shì)為：投加量少、催化反應(yīng)速率快、脫色反應(yīng)速率高、無(wú)二次污染.但是，氧化還原介體仍有部分缺點(diǎn)：已發(fā)現(xiàn)的氧化還原介體種類少，溶解態(tài)氧化還原介體易于流失，部分氧化還原介體（AC等）只具有電子傳遞功能.在今后污染物的生物降解去除方面，氧化還原介體將發(fā)揮不可替代的作用.氧化還原介體不僅只強(qiáng)化染料生物降解脫色，還能用于其他污染物的高效生物降解（多環(huán)芳烴、含油廢水、紙漿廢水等）.

4 共代謝基質(zhì)強(qiáng)化染料廢水生物降解

共代謝是微生物從其底物獲取碳源和能源后將有機(jī)化合物降解的過(guò)程[51].微生物的共代謝被廣泛應(yīng)用于印染廢水處理，然而基質(zhì)的類型、基質(zhì)的投加量以及環(huán)境因素均影響微生物降解染料廢水[52].共代謝基質(zhì)不僅為微生物的生長(zhǎng)提供能源，而且還能為微生物降解難降解有機(jī)物提供電子.目前，微生物共代謝處理印染廢水主要以好氧共代謝和厭氧共代謝為主.

Adnan等[22]研究了不同共代謝基質(zhì)促進(jìn)白腐菌Armillariasp.F022降解酸性紅27.結(jié)果表明，四種基質(zhì)（葡萄糖，蔗糖、糖蜜、果糖）的加入能夠提高酸性紅27脫色，降解72 h后酸性紅27的脫色率分別為86%、66%、51%與41%；葡萄糖是白腐菌Armillariasp.F022降解酸性紅27的最佳基質(zhì)，且不同共代謝基質(zhì)強(qiáng)化微生物降解染料的能力不同.葡萄糖作為最佳基質(zhì)，一方面是由于葡萄糖氧化酶的分泌，將葡萄糖氧化成葡萄糖酸，同時(shí)產(chǎn)生過(guò)氧化氫（H2O2），過(guò)氧化氫能夠增加木質(zhì)素過(guò)氧化物酶的分泌；另一方面是葡萄糖較易被微生物分解吸收利用，能夠促進(jìn)真菌細(xì)胞的生長(zhǎng).Zheng等[53]報(bào)道了裂褶菌cfcc7252對(duì)孔雀石綠的高效降解；向基礎(chǔ)培養(yǎng)基中分別加入濃度為20 g/L的葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、可溶性淀粉、乳糖、半乳糖、D-果糖、麥芽糊精、甘露糖，探究不同基質(zhì)對(duì)孔雀石綠降解的影響.當(dāng)以葡萄糖為共代謝基質(zhì)時(shí)，孔雀石綠脫色效果最好，24 h的脫色率為96.16%，麥芽糊精（80.57%）和麥芽糖（74.39%）次之；而蔗糖、可溶性淀粉、乳糖、果糖、半乳糖和甘露糖對(duì)孔雀石綠脫色影響較小.葡萄糖作為最簡(jiǎn)單的單糖，能夠較好的被裂褶菌生長(zhǎng)代謝使用，同時(shí)也為氧化還原反應(yīng)提供大量電子.Khan等[54]發(fā)現(xiàn)碳源與氮源能夠強(qiáng)化菌群AR1降解活性紅195；在溫度40℃、pH8.0的條件下，分別加入共代謝基質(zhì)麥芽糖和蛋白胨后，活性紅195（100 mg/L）14 h的脫色率分別為40%與80%；而不加共代謝底物時(shí)，活性紅195的14 h脫色率僅為20%；當(dāng)培養(yǎng)基中同時(shí)加入麥芽糖和蛋白胨時(shí)，活性紅195降解14 h后脫色率達(dá)到99%.最佳的共代謝基質(zhì)，一方面能夠促進(jìn)微生物的快速增長(zhǎng)進(jìn)而增加生物量，生物量的增加能夠分泌較多的胞外酶加快氧化還原速率，縮短反應(yīng)時(shí)間提高脫色率；另一方面，基質(zhì)為氧化還原反應(yīng)源源不斷地提供電子.

共代謝基質(zhì)是污染物生物降解過(guò)程中不可缺少的添加物.目前，還未分離到能夠完全以污染物作為碳源和能源的染料脫色菌株.共代謝基質(zhì)的加入，穩(wěn)定了生物的生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)，提高生物量，促進(jìn)降解酶的分泌，提供氧化還原電子.生物量的增加能夠提高微生物抵御染料有毒物質(zhì)的干擾力，降解酶的分泌能夠促進(jìn)酶反應(yīng)，進(jìn)而強(qiáng)化染料廢水的高效降解脫色.葡萄糖、淀粉、蔗糖及蛋白胨均能作為微生物降解染料的最佳基質(zhì)，促進(jìn)生物的生長(zhǎng)和為氧化還原反應(yīng)提供電子.

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，染料廢水的生物降解是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的方法.研究者從自然環(huán)境中篩選、分離多種降解染料廢水的高效脫色菌株，并深入分析了菌株的脫色條件（溫度、pH、鹽度）、影響因素以及脫色機(jī)理（代謝途徑），提高染料廢水的脫色率，為強(qiáng)化染料廢水生物降解脫色提供高效脫色菌株.染料廢水的生物降解為酶降解，為強(qiáng)化染料廢水的高效生物降解脫色，既要提高降解酶的分泌與活性，又要提高氧化還原速率（加速電子傳遞）.促進(jìn)劑如：金屬離子（Ca2+、Mn2+、Zn2+、Cu2+等）、氧化還原介體（Tween 80、丁香醛、HBT、ABTS）、共代謝基質(zhì)（葡萄糖、淀粉、蛋白胨等）被加入生物降解反應(yīng)過(guò)程中，能夠促進(jìn)微生物分泌降解酶和提高酶活性，增加電子傳遞速率，加速染料分子的氧化還原裂解增強(qiáng)脫色率.盡管染料廢水的生物降解研究已取得較好的成果，但仍有一些基本問(wèn)題需要解決：①大量研究只局限于細(xì)菌和真菌對(duì)染料廢水的高效生物降解，而對(duì)其他微生物類群的研究較少；②科研工作者雖然從自然界中分離多種高效脫色菌株，但多數(shù)菌株廣譜性差，強(qiáng)酸、堿、低溫及高鹽度條件下脫色率較低，在實(shí)際應(yīng)用中菌株的脫色率無(wú)法滿足實(shí)際染料廢水的處理要求；③三大類染料的生物降解研究中，偶氮染料研究最廣、蒽醌染料次之、三芳基甲烷染料研究最少；④染料廢水代謝途徑的研究大多只局限于上游脫色途徑，對(duì)代謝中間產(chǎn)物或無(wú)色產(chǎn)物的降解乃至完整降解途徑尚待明確.這些問(wèn)題如不能加以解決，將會(huì)影響實(shí)際染料廢水的高效生物降解效果.今后的研究方向應(yīng)致力于以下幾個(gè)方面.

（1）增加微生物脫色廣譜性開(kāi)發(fā)研究，可通過(guò)現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)（基因工程）將降解性酶基因轉(zhuǎn)入繁殖能力強(qiáng)和適應(yīng)性能好的受體菌內(nèi)或者將多種染料降解基因集合到同一菌株內(nèi)構(gòu)建染料降解工程菌.

（2）加強(qiáng)復(fù)雜染料廢水與實(shí)際印染廢水的研究.

（3）分析研究染料酶降解機(jī)理、酶基因定位及表達(dá)，利用蛋白質(zhì)組學(xué)全景式地研究微生物在各種脅迫環(huán)境下功能蛋白質(zhì)的表達(dá)變化，最終能夠利用分子生物學(xué)人工合成降解酶，將合成酶加入反應(yīng)體系內(nèi)直接降解染料或者與高效脫色菌株混合降解染料廢水.未來(lái)生物降解法會(huì)因其高效、經(jīng)濟(jì)、綠色、無(wú)二次污染成為污染物去除主要技術(shù)方法，同時(shí)生物降解發(fā)展將會(huì)與多學(xué)科技術(shù)（基因工程、化學(xué)分析檢測(cè)、蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)等）相結(jié)合.