印染废水处理功能菌研究进展

谢学辉，朱玲玉，刘娜，姜鸿，杨芳，柳建设

（东华大学环境科学与工程学院，国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心，上海 201620）

近年来，大量人工合成的色度高、难降解染料生产及应用于纺织业、化妆品、造纸等行业，其过量的使用及排放已造成严重的环境污染，由于其生物毒性和三致性对人类健康造成了严重的威胁，引起了人们的关注[1]。

印染废水是指纤维织物在预处理、染色、印花和整理四段工序中产生的废水，其主要产生于染整工段，包括前处理、染色、印花、整理等。印染废水中含有的合成染料、助剂、聚乙烯醇（PVA）浆料等使其具有色度大、COD高、碱性大、可生化性差等特点[2]。

利用微生物处理印染废水中难降解污染物被认为是较为经济有效的方法。鉴于微生物种类繁多、繁殖速度快、成本低廉且具有变异性等特点，许多学者致力于分离选育对染料有较高降解活性的菌株[3]。不同种类微生物对难降解污染物有不同的降解能力，包括细菌、真菌、酵母、放线菌、藻类以及植物等[4-5]。然而与丝状真菌和酵母菌相比，细菌有着操作简便、生长迅速、适应性强等特点，目前已成为研究热点[6]。本文主要从细菌降解印染废水中污染物方面进行评述。

1 功能菌对染料的降解

染料通常按照化学分子结构及应用性能来分类，如图1所示。其中偶氮染料是使用最为广泛的一类染料，占所有染料的60%～70%。近年来蒽醌染料由于其鲜艳的颜色、高的固色率和较强的坚牢度也变得越来越重要，较偶氮和蒽醌染料使用较少的三苯基甲烷类染料也受到了人们的关注。三苯基甲烷类染料属于芳香甲烷染料，其典型代表有结晶紫、孔雀石绿[7]。偶氮染料、蒽醌染料、三苯基甲烷染料为其中较具代表性且应用较广的3类染料。

1.1 功能菌对偶氮染料的降解

Wu等[10]证实，生物法处理印染废水主要分为两个阶段：第一阶段主要是水处理工艺的吸附、絮凝和沉淀作用的结果；第二阶段为生物降解阶段，主要是生物体内的酶或分泌到细胞外的酶作用结果。参与染料降解的酶主要有偶氮还原酶、胞外过氧化物酶系和链霉菌过氧化物酶[9]。细菌可以在厌氧、缺氧、好氧的条件下对偶氮染料进行降解。厌氧条件下的脱色主要是厌氧菌对偶氮染料的还原脱色，然而在厌氧条件下，往往不能实现染料的完全矿化，通常会生成有毒、可生化性能差的芳香胺物质，此时通常采用厌氧好氧相结合的方式来实现染料的无机化。

目前，国内外许多学者致力于高效脱色菌株筛选和分离的研究，已分离到的偶氮脱色菌主要包括芽孢杆菌、黄单胞菌、克雷伯氏菌等十几个菌属[11]。Liao等[12]从被偶氮染料污染河流的底泥中分离出芽孢杆菌属HJ-1，在25℃、pH8的条件下静置对活性黑B染料脱色率达到最大，并证实分离出的HJ-1在被污染河流的底泥中培养12天后仍然存活，可见该菌株具有良好的工程应用前景。Ma等[13]分离出耐碱、耐盐兼性厌氧Planococcussp.MC01菌株，可以在碱性和厌氧条件下对染料Orange I脱色率到达大于96%。Khehra等[14]从纺织厂废料的土壤中分离出4株可对偶氮染料进行脱色的功能菌株，将其组成功能菌群HM-4，可以在24h内对AR-88进行完全脱色。Coughlin等[15]把从RDBR反应器中筛选出的1CX菌株和SAD4I菌株又重新接种到灭菌之后的RDBR反应器中，两种菌株对酸性黄7以及其降解副产物磺胺酸具有很好的脱色降解效果；除此之外，又将SAD4I菌株接种到对酸性黄7有降解能力但对磺胺酸没有降解能力的的RDBR反应器，实验证明，接种的SAD4I菌株与反应器自身存在的菌株协同降解酸性黄7及其降解副产物磺胺酸。结果表明，将功能菌制成药剂接种到反应器中，可以发挥功能菌自身的特性，对今后的染料废水的降解提供了理论支撑。

图1 染料的分类

本文作者也曾从厌氧反应器活性污泥中，筛选出对双偶氮染料活性黑5有良好脱色效果的混合菌群FF，并针对染料脱色性能、脱色机理及菌群结构进行了一系列的研究[16]。研究表明混合菌群FF可在35℃、pH8的条件下24h对活性黑5降解率达到94.8%。DGGE和RFLP结果表明，混合菌群FF中优势菌群主要为Gamma-proteobacteria（变形菌纲）的Proteus（变形杆菌属）细菌和Clostridia（梭菌纲）的Clostridium（梭菌属）细菌。同时利用纯培养技术从混合菌群FF中随机分离筛选了21株对活性黑5具有不同脱色效率的单菌株，经16S rDNA分子生物学鉴定发现这21株全部为Gamma-proteobacteria纲细菌，其中71.4%属于Klebsiella（克雷伯氏菌属），28.6%属于Proteus（变形杆菌属）[17]。表1列举了部分偶氮染料降解功能微生物。

由表1可以看出，单一的高效脱色菌株具有较好的染料脱色率，但对于染料脱色的中间产物芳香胺等物质很难进一步降解，而混合功能菌群在这方面有明显的优势。多种菌株相互协同作用，提高了脱色效果和脱色强度，减少了脱色时间[9]。可见混合功能菌群降解染料在未来工艺中的应用要比单一功能菌株降解染料应用要广，但单一菌株对染料脱色的可重复性也是复合菌株所望尘莫及的。目前本实验室将研究方向关注在针对不同结构染料筛选功能菌群及单菌建立功能菌库，然后根据染料废水所含染料结构种类，将与其对应的功能菌种或菌群接种在实验室小型反应器中培养，效果稳定后将其制成功能菌剂，以期应用于工业废水的处理中，达到有的放矢的目的。

除上述从自然环境、污染环境中分离筛选出的高效功能菌外，还有部分针对基因工程菌的研究，主要是将已确定的多种降解性的目的基因分离出来，通过基因操作获得的可降解多种有机物的新型功能微生物[2]。金玉洁[27]构建了降解偶氮染料基因工程菌pGEX-AZR/E.coliJM-109，其在pH7.5、温度为35℃时对偶氮染料的脱色效果达到最大，其最佳碳源、氮源为葡萄糖、淀粉。Jin等[28]对pGEX-AZR/E.coliJM-109进行了进一步的研究，通过C.I.Direct Blue 71（DB 71）染料强化基因工程菌，在对其进行降解条件研究时发现，当pH值为5.0左右时，反应器的降解能力不是很好；当pH值为9.0、DB71染料浓度为150mg/L时，其可在12h之内把染料降解到27.4mg/L；研究还发现，盐度在1%～3% 对其降解能力几乎没有影响。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，而且安全问题也需要加以考虑。

表1 菌株及菌群对偶氮染料的降解

1.2 功能菌对蒽醌染料的降解

蒽醌染料分子结构中含有蒽醌基，大部分为芳香族高分子化合物。含有蒽醌染料的废水具有有机成分含量高、不易被氧化、生化性差、有毒等特点。蒽醌染料主要有还原蓝RSN、中性艳蓝GL、酸性蒽醌蓝、活性艳蓝X-BR、分散蓝2BLN等[29]。用微生物法降解蒽醌染料较传统物理、化学法成本低，且产生较少降解副产物。

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染料降解主要是染料分子中发色基团的消失、复杂多环芳烃分解为单环或简单多环芳烃，最后被代谢。细菌降解蒽醌染料时，主要是蒽醌染料分子共轭键被还原酶催化裂解，使其脱色基团消失，从而达到脱色降解染料的目的。目前，对蒽醌类染料有降解能力的细菌种类很多，主要分布在假单胞菌属、克雷伯氏菌属、气单胞菌属、芽孢杆菌属，大多为好氧菌，但在厌氧条件也可以对染料进行降 解[30]。目前已有很多学者在筛选驯化功能菌群方面进行了研究。

Wang等[31]好氧-水解反应器系统对蒽醌染料活性蓝19的脱色率达到95.6%，COD去除率达到83.7%，经16S rDNA分析，在不同的反应器中降解活性蓝19的主要功能微生物种群结构是发生变化的。分析表明，变形菌门和厚壁菌门是降解蒽醌染料的主要功能菌株，同时，希瓦氏菌属在降解活性蓝19时也起了一定作用。Dong等[32]从印染废水中分离出XL-1菌株在蛋白胨存在，在温度为30℃、pH值为7.0的条件下对活性艳蓝KN-R的降解率达到93%，但是如果以染料作为唯一碳源的条件下，菌XL-1对活性艳蓝KN-R没有降解能力，金属混合物如AgNO3、HgCl2、ZnSO4、CuSO4对菌株降解染料具有抑制作用，但MgSO4、MnSO4对菌株降解染料具有促进作用。

国内外有关蒽醌染料的生物处理方法研究较少，有关生物法处理活性艳蓝KN-R的研究中，只研究了其优化条件及浓度的降解，对于机理性研究甚少，今后可以从降解副产物成分分析着手，深入了解生物降解蒽醌染料的机理。另外，蒽醌染料的种类繁多，但目前大多是关于活性艳蓝KN-R的研究，对于其他种类蒽醌染料的研究较少，在今后的研究中可以加强。

1.3 功能菌对三苯基甲烷类染料的降解

随着三苯基甲烷类染料广泛应用于纺织印染行业，其产生的染料废水越来越受人们的关注。三苯基甲烷类染料分子结构中心碳原子连有3个苯环，不同染料的苯环上侧链基团不同。三苯基甲烷类染料主要有结晶紫和孔雀石绿。早在20世纪80年代，已有人证实假单胞菌杆菌对三苯基甲烷类染料的结晶紫和孔雀绿有脱色降解能力[1]。近年来也有许多学者针对生物法处理三苯基甲烷类染料进行研究。

He等[7]从印染废水的活性污泥中发现了对染料有普遍降解能力的DN322菌株。它可以降解偶氮、蒽醌、三苯基甲烷类染料，在10h内、pH值为5.0～10.0、温度为25～37℃、厌氧条件下，使染料浓度为50mg/L的三苯基甲烷类染料中结晶紫、碱性品红、亮绿、孔雀绿脱色降解率达到90%以上。并且DN322可以在降解的过程中把结晶紫用作唯一的碳源和能量，该菌株已经投入到工程中应用。Arunarani等[6]研究了Pseudomonas putidaMTCC 4910菌株降解结晶紫和酸性蓝93的降解条件，发现pH值、盐度对其降解染料的脱色效果没有太大影响，且吸附平衡复合二级动力学模型。

有关于三苯基甲烷类染料的降解副产物的分析起源于20世纪80年代，至今分别通过薄层层析（TLC）、气质联用（GC-MS）等方法检测到米氏酮、二甲氨基苯酚的存在，即使微生物的种类不同，但是降解副产物的种类相近，可见微生物降解三苯基甲烷类染料可能有着相近的机理[1]。

2 功能菌对浆料（PVA）的降解

聚乙烯醇（PVA）是一种水溶性高分子聚合物，具有较大的表面活性，能在水中形成大量泡沫，影响水中溶解氧，对水生生物的呼吸具有抑制甚至破坏作用。PVA由于其较好的黏附性、浆膜强韧性和耐磨性等取代天然的浆料用来做经纱浆料、印花浆料，被广泛应用于纺织、化纤、印染的行业[33-34]。

张惠珍等[35]证实生物降解PVA主要过程是，微生物首先黏附在高分子材料表面，分泌相应的酶将高分子键水解和氧化，使之形成相对分子质量低的碎片，最后微生物将其在体内代谢吸收生成CO2、CH4、H2O、N2、无机盐和矿物质等。PVA降解过程中需要多种降解酶的参与，单一菌株虽然能产生PVA降解酶，但却不能实现PVA的有效降解，为了达到彻底降解PVA的目的，通常采用高效功能菌协同作用，从而改善和提高印染废水中PVA的处理效率[36]。筛选和分离纯化PVA降解菌是目前研究的 热点。

王银善等[37]参照Finley法测定PVA的原理建立了一种快速筛选PVA降解菌的方法并成功筛选出共生细菌SB1菌群，包括假单胞菌（Pseudomonassp.）和产碱杆菌（Alcaligenessp.），发现该共生菌群对PVA有良好的降解效果。张兴等[38]从土壤中分离出Rhodococcussp.菌株，该菌株可以把PVA作为唯一碳源和能量生长。Marušincová等[33]从市政污水处理厂中分离出Steroidobactersp.PD可以在反硝化条件和厌氧条件下降解PVA。Bharathiraja等[39]发现革兰氏阴性细菌Pseudomonas alcaligenes，在初始浓度低、pH值在碱性条件下对PVA的降解率较高。

从目前的研究看来，对PVA有降解能力的功能菌株种类仍然很少，且对反应条件要求较为严格，因此今后需要筛选出对PVA具有广泛降解能力的高效功能菌株。

3 功能菌对助剂的降解

纺织印染助剂一般分为前处理剂、印染助剂、后整理剂及其他助剂。据统计，在纺织印染助剂的生产过程中，80%的原料为表面活性剂，其余约20%为功能性助剂。因此，在印染废水助剂处理方面，很大程度上取决于对表面活性剂的处理。表面活性剂主要分为阴离子型、阳离子型和非离子型。

3.1 功能菌对LAS的降解

支链烷基苯磺酸盐（LAS）是一种典型的阴离子表面活性剂，由于其良好的乳化性，被广泛应用于纺织、印染等行业。随着LAS使用量及使用范围的扩大，随之而来的环境污染问题也越来越严重，人们逐渐注意它的毒性及污染方面的研究和治理。

关于LAS的生物降解研究，目前普遍认为主要分为以下几个阶段：LAS经过ω-氧化作用或者α-、β-氧化作用生成短链的磺基苯羧酸（SPC）；氧化作用打开苯环；脱磺酸过程去除取代的磺酸盐[40]。有关于LAS的生物降解过程主要是以氧化作用为主，有关研究表明在厌氧条件下SPC无法进一步降解。筛选和分离对LAS有良好降解能力的功能菌株是目前的研究热点，国内外许多学者对此展开了研究。

Denger等[41]首先分离出在缺氧条件下，在葡糖糖-无机盐培养基中把LAS作为唯一硫源利用的功能菌株RZLAS，经鉴定该功能菌株属于γ-变形菌属。Asok等[42]从被LAS污染的土壤中分离出二 十余种不同的对LAS有降解能力的菌株，其中 主要功能菌株经16S rDNA鉴定为Pseudomonas nitroreducens和Pseudomonas aeruginosa菌株，可以在25℃、pH值为7.0～7.5条件下降解浓度为0.05g/L的LAS。经证实，分离出的高效功能菌株对碳氢化合物和杀虫剂的外源有害物质也有降解效果。可见，筛选出来的高效功能菌株，对结构相似的碳氢化合物和杀虫剂也有良好的效果，在今后工程中具有良好的应用前景。Meng等[43]筛选出对LAS有降解能力的菌株Spirulina platensis，当LAS浓度分别为0.5mg/L、1mg/L、2mg/L时，5天后降解率分别可达到87%、80%、70.5%。同时发现，该功能菌株对Zn(Ⅱ)也有生物吸附能力，对Zn(Ⅱ)的最大去除效果可达30.96 mg/g，并且在LAS存在的情况下，可以提升该菌株对Zn(Ⅱ)的最大去除效果。反之，在Zn(Ⅱ)存在的情况下也可以提高Spirulina platensis菌株对LAS的降解能力。

3.2 功能菌对QACs的降解

季铵化合物（quaternary ammonium cationic surfactants，QACs）是叔胺被卤代烷烃、氯代苄等物质经过亲核取代而生成的一种阳离子表面活性剂，由于其稳定、表面激活、杀菌等特性，被作为匀染剂、乳化剂、织物软化剂广泛应用于纺织印染等行业。含有QACs的印染废水排入自然水体中，由于其本身带正电荷将吸附到带负电荷的藻、污泥等介质表面，将影响水生生物破坏生态系统的平衡，且含有季铵化合物的废水进入城市污水处理厂会影响其生物处理阶段水质效果[44-45]。

目前，发现对QACs有降解能力的菌株主要为假单胞菌属、气单胞菌属、黄单胞菌属[44]。虽然不同表面活性剂的可生物降解性会有一定差异，但对于阳离子表面活性剂来说可生化性普遍比较好。针对微生物降解QACs，国内外展开了相关研究。

Takenaka等[46]从废水设备的活性污泥中分离出来一株可以利用QACs表面活性剂十二烷基三甲基氯化铵（DTAC）作为唯一碳源、氮源和能量的Pseudomonassp.strain 7-6菌株，并研究其降解途径，并证明DTAC分解成正十二醛释放三甲胺转化成十二烷酸是其主要降解途径。针对生物降解季铵化合物，目前的研究相对较少，今后可以把研究重点放在高效功能菌的筛选以及降解机理方面的研究。

3.3 功能菌对APEOs的降解

烷基酚聚氧乙烯醚（alkylphenol ethoxylates，APEOs）作为一种典型的非离子表面活性剂广泛应用于纺织、塑料、橡胶等领域。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种内分泌干扰物（又称环境雌激素），进入水体后会在生物体内蓄积，并通过食物链进入人体，对人体的生殖能力产生严重的干扰。因此，近年来有关生物法处理烷基酚聚氧乙烯醚引起广大学者的关注[47-48]。

Gabriel等[49]分离出可以降解多种壬基酚聚氧乙烯醚同分异构体的菌株Sphingomonas xenophaga Bayram，该菌株可以利用壬基酚聚氧乙烯醚作为唯一的碳源和能量，且对其降解机理也进行了进一步的研究。Taghe等[50]分离出可以降解具有支链结构的烷基酚聚氧乙烯醚菌株Sphingomonassp.，且经过LC-MS和GC-MS质谱分析，表明反应先从苯酚环对位开始断键。Iwaki等[51]分离出两株在好氧的条件下可以高效降解壬基酚聚氧乙烯醚，一株为M. nonylphenolicus，另一株为新发现菌株，命名为Pseudomaricurvus alkylphenolicusgen. nov.，sp. nov.。针对壬基酚聚乙烯醚及其支链结构同时有降解能力的菌株，研究相对较少。自然界中还有很多尚未分离出的高效功能菌株，今后应该从筛选条件方面加以研究，筛选出更多尚未培养功能菌株。

4 展 望

印染废水由于成分复杂、色度大、COD高、碱性大等特点，给处理增加了难度。经过筛选的菌株可以高效、有针对性地对目标污染物达到降解的目的。由于生物法具有成本低、降解副产物少等优点，在印染废水处理中有着极其重要的作用。

传统筛选方法中通常利用高营养的LB、蛋白胨培养基筛选功能菌株，这些功能菌株基本上对工程无机环境适应性差、不易存活，今后可着重筛选以目标污染物质为唯一碳源、氮源及能量的高效降解功能菌株。同时，环境中仍存在大量的对目标污染物质有高效降解能力的未培养微生物，如本文作者曾筛选到的对活性黑5有良好脱色能力的混合菌群FF中，存在可分离培养的功能性优势菌属如Klebsiella菌属和Proteus菌属细菌，也存在着不易分离培养的生长优势菌属如Clostridium。今后可以从构建筛选方法入手，尽可能地扩大未培养功能微生物的可培养范围。理论上来说，类似功能菌将会具有更大的工程应用价值。

有关偶氮染料降解及机理研究相对较多，与之相比有关蒽醌染料、三苯基甲烷类等染料及表面活性剂的降解产物、作用机理研究较少，今后可加强相关研究。

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