运用细菌对偶氮染料废水进行处理

2017-03-15 10:07:12 1

  自1856年W. H. Perkin偶然发现世界上第一种可商业化生产的人工合成染料后,合成染料便开始广泛应用于食品、医药、印染和化妆品等行业。据统计,商业用途的染料种类已超过100 000种,世界上染料的年产量约为8×105~9×105 t[1, 2]。随着各种合成染料的广泛使用,其危害性也逐渐被人们所认识。这些合成染料通常化学性质极其稳定,泄漏至环境水域后难以自然降解,影响水生动植物的正常生命活动,破坏水体的生态平衡。且合成染料多为有毒物质,具有致癌致畸性,因此降解环境水体中的染料成为亟待解决的问题[1, 2]。

  偶氮染料是印染工艺中应用最广泛的一类染料,约占染料生产和使用总量的50%以上,其分子结构均含有一个或多个偶氮基团(—N=N—)[3]。大多数偶氮染料对人和其他生物具有致癌、致畸、致突变的三致作用,生物毒性较大。且由于其生产和使用成本低,难以找到合适的替代品,导致偶氮染料的使用屡禁不止,对生态环境和人类健康影响非常大。此外,某些偶氮染料已被证实能够导致人类膀胱癌、脾脏瘤、肝癌和实验动物的核酸异常以及哺乳动物的染色体变异[4]。

  尽管环境工作者已经尝试利用各种理化处理方法对泄漏至环境水体中的偶氮染料进行治理,但费用昂贵、操作复杂、易产生二次污染等缺陷使其广泛应用受到阻碍。相比较而言,利用细菌降解偶氮染料则费用低廉、操作简便、环境友好,逐渐成为环境领域里的研究热点之一[5]。笔者介绍了降解偶氮染料的各种细菌,且对影响其降解效率的因素进行了综述,并探讨了其可能的降解机制。

  1 偶氮染料降解细菌

  使用细菌降解偶氮染料的研究始于20世纪70年代,首先由H. Horitsu等分离得到一株能够降解偶氮染料的枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)。此后研究者又陆续发现了其他一些能够降解偶氮染料的细菌,这些细菌主要分布在气单胞菌属(Aeromonas sp.)、假单胞菌属(Pseudomonas sp.)、芽孢杆菌属(Bacillussp.)、红球菌属(Rhodococcus sp.)、志贺菌属(Shigella sp.)、克雷伯氏菌属(Klebsiella sp.)和希瓦氏菌属(Shewanella sp.)中[6, 7, 8]。表1列出了一些近年来报道的能够降解偶氮染料的细菌。

  多数具有偶氮染料脱色能力的细菌为好氧生长,但对偶氮染料的脱色降解多发生在厌氧或微氧条件下。同时,由于研究所用的培养基、染料结构和浓度以及其他培养条件存在差异,导致无法比较脱色效率。

  2 细菌降解偶氮染料的影响因素

  在生物法治理染料废水过程中,各种操作因素如搅拌水平、溶氧量、pH、温度、染料浓度和结构、碳氮源、电子供体等都会直接影响细菌对偶氮染料的脱色效率。为了得到最优脱色条件,通常需要对细菌降解偶氮染料的操作条件进行研究。

  2.1 溶氧量

  溶氧量对于好氧细菌至关重要,尤其在细菌生长阶段,溶氧量直接影响细菌的理化性质。但在好氧细菌降解偶氮染料阶段,通常高溶氧量会抑制降解过程,这是因为氧气会与染料竞争电子供体释放出的电子。对于厌氧细菌而言,溶解氧对其生长具有毒害作用。因而,多数已报道的能够降解偶氮染料的细菌,对偶氮染料的还原降解过程都是在厌氧或微氧条件下进行的,好氧条件下可降解偶氮染料的细菌报道较少[5, 23]。

  2.2 温度

  环境温度对细菌降解偶氮染料有直接影响,这是由于细菌中很多与偶氮染料降解相关的酶的活性会随温度显著变化。因此,合适的脱色温度范围对细菌降解偶氮染料至关重要。在许多体系中,染料脱色率随温度的升高而逐渐升高,到达最适脱色温度后脱色率则逐渐降低。通常染料脱色的最适温度范围较为狭窄,与细菌生长的最适温度范围一致,为30~40 ℃[5, 9, 23]。但有些报道显示,某些对温度适应性较强的菌株在较高温度下仍对染料有一定的脱色能力,如A. Paar等报道Bacillus sp.属的一株细菌在温度高达60 ℃时仍对印染废水有一定的脱色效果[24]。

  2.3 pH

  培养基的pH是影响偶氮染料脱色的另一重要因素,通常来说,细菌对偶氮染料进行脱色的最适pH范围在6.0~10.0[25]。培养基的pH影响偶氮染料脱色效率的原因被归结为pH可能与染料分子转运跨膜紧密相关,进而影响染料的脱色效率[5]。但实际染料废水或偏酸或偏碱,因此有必要广泛筛选耐酸碱的偶氮染料高效降解菌株。近年来,研究者陆续发现了一些可在酸性或碱性条件下对偶氮染料进行脱色的细菌,如S. U. Jadhav等[26]报道了混合菌株Galactomyces geotrichum和Bacillus sp. 对Brilliant Blue G的脱色呈现非pH依赖性,在pH为5~9均可观察到完全脱色现象。H. Wang等[27]发现Citrobacter sp. CK3在强酸条件(pH为4.0)和强碱条件(pH为12.0)下对Reactive Red 190仍有一定的脱色能力。

  2.4 染料结构和浓度

  一般而言,细菌对结构简单、分子质量较低的染料分子脱色效率较高,而当染料分子结构中偶氮键对位苯环上存在一些吸电子基团(如—SO3H、—SO2NH2)或染料相对分子质量较大时,细菌对其脱色率相应降低[28]。此外,染料分子中的偶氮键越多,细菌对其降解就越难,分子结构含有甲基、甲氧基、硫酸基团或硝基的偶氮染料降解效率较低,而含有羟基和氨基的染料降解效率较高[28]。

  以往的研究显示,随着染料浓度的升高,细菌对染料的脱色率呈现降低趋势,其原因可能是高浓度的染料分子对细菌有毒害作用或影响细菌生物量的增长。尽管高浓度的染料分子可能对细菌生长有害,但当染料浓度极低时,细菌对染料的脱色率同样较低,这可能是由于细菌中的降解相关酶系无法识别低浓度的染料分子[29]。因此,要获得较高的脱色率,需详细研究染料浓度对细菌脱色的影响。

  2.5 碳氮源

  细菌降解脱色偶氮染料的理想状态是细菌能够将染料作为唯一碳氮源进行分解利用,但实际上如不外源添加碳氮源,多数细菌对染料的脱色率非常低。相反,当添加了合适的碳氮源(如葡萄糖、酵母粉、蛋白胨等)后,细菌对偶氮染料的降解率会成倍增加。多数报道显示,对细菌脱色偶氮染料促进效果最好的碳源是葡萄糖。但因降解菌株而异,其喜好的碳氮源也各不相同[29, 30]。

  3 细菌降解偶氮染料的机制

  染料降解中间产物的分离鉴定对完善细菌降解偶氮染料的机制和降解途径意义重大。不同细菌降解偶氮染料的途径不尽相同,其降解途径取决于不同染料的分子结构、细菌降解染料的相关酶系及其他一些因素[29]。但总体而言,微生物降解染料机制研究最为清晰的是偶氮染料的微生物降解机制。一般来说,细菌对偶氮染料的生物降解无论是在好氧、兼氧或厌氧条件下进行,第一步反应都是偶氮基的还原。偶氮染料的还原降解过程可能涉及到不同的还原机理,如酶催化、低分子质量还原介体介导、通过源于生物的还原剂(如H2S)还原或这些机理的联合还原,这些还原反应可能在胞内进行,也可能在胞外进行[31]。

  M. Kudlich等研究了Sphingomonas xenophaga BN6对偶氮染料的还原降解机理,结果表明该菌株还原降解偶氮染料不需要染料或还原性黄素的跨膜运输,而是以源自该菌的醌作为氧化还原介体,在细胞外对偶氮染料进行降解。该过程中醌被细胞膜上的还原酶还原为氢醌,在细胞外以化学反应还原降解偶氮染料[32]。

  细菌将偶氮染料降解为相应的苯胺类产物的具体途径可能是通过一步反应完成,但也可能由两步连续的反应完成。Bin Yan等[33]从Rhodobacter sphaeroides AS1.1737菌株中克隆到偶氮还原酶基因,并在大肠杆菌中成功表达,随后详细研究了该酶降解偶氮染料的机理,经HPLC、MS、离子阱等技术鉴定降解产物,首次证明了加氢偶氮苯中间体的存在。该报道指出菌株AS1.1737降解偶氮染料的反应分两步完成,第一步为控速步骤,形成的加氢偶氮苯中间体不稳定,会被迅速还原为相应的苯胺。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  4 总结与展望

  细菌降解偶氮染料是国际上的研究热点之一,向染料废水处理系统中投加高效降解染料的优势菌种,增强了生物量,不仅操作简便、成本低廉,且对环境友好。目前已报道的偶氮染料降解菌各有优劣,但由于实际废水处理过程多为开放体系,操作条件多变,废水酸碱性变化较大、营养贫乏,导致多数实验室分离出的高效降解菌株无法投入实际应用中,解决不了实际问题。因此,有些研究者致力于利用分子生物学手段,对现有染料降解菌株进行遗传修饰,以期得到降解效率更高、环境适应性更强的超级菌株。但也有研究者对此持担忧怀疑态度,因为遗传修饰的菌株可能对环境造成二次污染,破坏现有的生态平衡。总体而言,笔者认为今后的研究应着力于将实验室分离筛选出的偶氮染料高效降解菌株应用于实际,同时也应加强筛选环境适应性更强、降解效率更高的优势自然菌株。

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