印染废水中染料的生物脱色降解*

郑燕虹，陈张燕，刘湘晴，夏丽，李海玥，郭丽君，李芹,2，张怀东,2*

（1.福建师范大学生命科学学院，福建 福州 350117；2.工业微生物教育部工程研究中心，福建 福州 350117）

中国是全球的纺织服装制造和出口大国，纺织工业已经在中国的制造业中占据重要地位。纺织行业蓬勃发展的同时，纺织工业用水量和废水排放量也迅速增加。中国生态环境部年报显示，2021年，我国纺织业年产化学需氧量（COD）排放量、总磷排放量和总氮排放量均为工业行业排放量前三[1]，其中约70%废水来自印染废水。

印染废水主要由纺织材料、染料和助剂组成，其中染料和助剂是印染废水中有毒有害物质的主要来源。目前，在工业中使用的染料已超10000种，染料的添加造成印染废水具有高黏度、高pH值、高色度、高COD等特点，并且在生产过程中容易螯合其他金属离子，形成具有致癌、致畸、致突变毒性的有机废水[2]。因此，在将这些有毒染料释放到环境中之前必须对妥善处理，以减少其对环境的危害[3]。

目前，去除废水中染料的方法有多种，包括物理、化学和生物处理法。物理法处理印染废水具有操作简单和高效等优点，但是成本高，能耗高，且分离吸附剂[4]。而化学法使用多种化合物进行氧化和还原，高效，处理时间短，但一些化学药剂的使用反而容易引起二次污染[5]。与物理化学方法相比，生物处理通常是最具成本效益的，它简单且成本低廉，不会造成二次污染，对环境友好。

1 印染废水中的染料及其类型

染料主要由发色团和助色团组成。染料的颜色是由发色团决定的，而发色团有连续的单键和双键的排列的共轭结构，能够吸收可见光谱（400～700 nm）中的光。常见的发色团有偶氮、蒽醌、硝基、羧基、羰基、三苯基甲烷等[6]，而助色团能增强生色团的染色能力，其酸碱性也决定了染料的酸碱性，最常见的助色团有胺、羧基、磺酸盐和羟基等。

根据来源，可以将印染废水中染料分为天然和合成染料两种。合成染料具有稳定性、产品色牢度高和低成本等优点[7]在纺织工业中的大量应用。根据化学结构式，以染料的结构特点和共性（即发色团）将染料分为偶氮染料、蒽醌染料、硫化染料、酞菁染料、三苯基甲烷染料、杂环染料等[8]，其中，三苯基甲烷染料（TPM）和偶氮染料（AZO）是最为频繁使用的染料。

2 印染废水中染料对环境和人体的影响

2.1 水生环境

GB 4287 —2012《纺织工业印染废水排放标准》中规定了部分理化参数限值，包括COD、悬浮物、色度、总磷、总氮等指标，但是，实际上这些指标不足以全面的衡量印染废水的质量，其生态毒性也应列入考量范围[9]。研究表明，印染废水中的染料会对水生生物造成急性、慢性或遗传毒性影响，最终可能对水生生态系统构成威胁[10,11]。排放到水生生态系统中的纺织染料会降低水体的透明度和溶氧量[12]，破坏水生环境。印染废水会刺激藻类细胞产生过量的活性氧，导致细胞过氧化，从而破坏叶绿体，抑制叶绿素合成并减少光合作用，最终导致藻类细胞不可逆转的损害甚至死亡[13]。废水中染料的存在导致其悬浮物水平高，而这些悬浮物会阻碍水流过鱼鳃，影响气体交换，长期暴露在印染废水下会使得鱼体内的蛋白质、碳水化合物和脂质降低，最终导致生长速度下降或死亡[14]。由于印染废水中总有机碳（TOC）、生物需氧量和化学需氧量高，容易消耗水体中的氧气，还可能引发水体富营养化问题[15]。

2.2 土壤环境

染料和染料废水一旦渗透进土壤，会对土壤化学性质、土壤微生物和农作物产生负面影响。赵慧等对我国南方典型城市化区域调查发现，不同类型重点排污单位的空间分布、历史排污状况与重金属高检出区具有一致性，重点排污企业加重了当地土壤中重金属的污染[16]。印染废水用于灌溉会导致作物的不同部位出现重金属的累积，并且其浓度会随着时间的变化而变化，甚至超过世界卫生组织的阈值[17]。染料使得微生物细胞膜的完整性丧失，电子传递链受到抑制，膜通透性增强以及多不饱和脂肪酸氧化。此外，较高的染料含量会对微生物的发育和代谢过程产生负面影响，从而影响本地土壤微生物群落[18]。

2.3 人体健康

印染染料有致敏和致癌风险，还有可能引发肝脏、肾脏损伤，并且具有中枢神经毒性。AZO是纺织行业中最常见印染染料，部分AZO本身并无毒性，但在还原条件下会生成芳香胺，而芳香胺已被证明是有致癌风险的[19]。未与纺织品结合的染料与人类的皮肤接触后，被人体汗液溶解，会引发皮炎、湿疹等皮肤过敏症状，甚至引起皮肤坏死[20]。目前，在GB/T 18885—2020《生态纺织品技术要求》中对致敏、致癌以及其他禁用对染料的限量值为50 mg/kg，规定每种可分解的致癌芳香胺和可能以化学残留物形式存在的致癌芳香胺总量合格限量值为20 mg/kg[21]。此外，如不慎吸入氯苯后，会表现出麻木，感觉异常和肌肉痉挛等中枢神经中毒的症状[22]。染料进入水生生物和农作物后，通过食物链富集到人体身上，引发高血压、肾衰竭，痉挛等疾病。

3 印染废水中染料的生物脱色降解

生物处理法是微生物或酶通过破坏发色团上的不饱和键，将有害大分子染料转化为无害的小分子或原生物质，使印染废水脱色[23]。因其不容易产生二次污染，廉价，并且在脱色后产物无毒，被认为是一种更加环保的处理方式[24]。

3.1 细菌降解染料

对于AZO，细菌通过体内的酶切割偶氮键，使其脱色的同时解除染料的毒性，单一菌株就有优秀的染料降解和脱色能力。铜绿假单胞菌RKS6能在30 ℃、pH值7、静置状态下于12 h内去除99%甲基橙（MO），降低96%TOC，并且解除MO对种子的毒性[25]。除了针对单一染料，细菌还能对不同类型的多种染料进行脱色，但脱色能力存在差异。Bacillussp.DMS2能对30种不同染料进行脱色，其中，对直接红81（DR81）脱色率最高（＞80%），对天空蓝的脱色效率最低（＞30%）[26]。

由于印染废水常为高盐状态，因此不少研究者将目光放在能耐受高盐且依旧具有高降解力的菌株上。DMS2在高盐（50 g/L）的环境下，也能使97%的DR81脱色[26]；Exiguobateriumsp.S2在5%盐度下，能在8 h内去除95%以上酸性金黄G[27]；Liu等发现，Bacillus circulans BWL 1061在pH值在6.0～8.0范围内能保持＞94%降解率，在60 g/L的NaCl浓度下能同时去除MO和Cr[28]。经过细菌处理后的染料的产物无毒，能解除染料对水生植物、陆地植物、线虫的毒性和遗传毒性[29]。

3.2 真菌降解染料

真菌可以产生大量的胞外和胞内酶，具有能够去除各种有机污染物，包括染料废水、有机废物、类固醇化合物和多环芳烃。白腐真菌是生物脱色降解中最为常见的真菌，Trametes versicolorZ-1对多种芳香类染料均表现出较强的脱色能力，其中对刚果红、孔雀石绿和考马斯亮蓝R-250这3种染料的脱色率能达到100%[30]。

以染料和其他碳源为共底物时能增强脱色降解能力，Irpex lacteus2-1-1对7种染料均有脱色能力，补充果糖为额外碳源后能显著增加菌株2-1-1对刚果红的脱色率[31]。当然，不同菌株所需的额外碳源量不同，同一菌株降解不同的染料所需的额外碳源量也有所不同。从腐木中分离的Trichoderma koningiopsisS1和Trichoderma atrovirideS2分别在添加45%的葡萄糖和60%的葡萄糖后能对Procion Red MX-5B（PRMX5B）有效脱色，但当降解Remazol Brilliant Violet 5R（RBV5R）时，则分别需要添加80%和52%葡萄糖[32]。

细菌能在较短的时间内对染料进行脱色降解，真菌由于生长缓慢，对染料的脱色时间也相对较长，约6～10 d左右。有趣的是，一株耐寒的菌株Bjerkandera adustaSWUSI4 在含4种TPM染料（100 mg/L）平板上的脱色时间为14 d，而在含50 mg/L的TPM染料液体培养基中150 r/min培养时，在24 h的脱色率可达90%以上[33]。

3.3 酶介导的降解

酶也称为生物催化剂，是一种廉价、高效、可再生和选择性的生物物质，可以通过将目标物转化为产物来特异性地去除特定的顽固污染物。偶氮还原酶、漆酶、NADH-DCIP、木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和酪氨酸酶等酶被认为参与了染料的脱色降解过程[34]，不少研究人员利用DNA重组技术将能够脱色降解的基因转入其他菌，利用重组工程菌生产大量的降解酶。Liang等将来自枯草芽孢杆菌的漆酶基因cotA整合到Synechococcus elongatusPCC7942中，并靶向中性位点NSIIP；由重组菌株CC7942-NSII-CotA生产的漆酶，不需要ABTS的介导，也能够在7 d内将蒽醌型、偶氮型和靛蓝型三种染料降解[35]。Cagide等将在Pseudomonassp.AU10的基因组中的染料脱色过氧化物酶dyp基因重组到大肠杆菌中，该酶在30 min内使孔雀石绿、甲基橙和甲基紫35B脱色[36]，而嗜盐菌重组偶氮还原酶不仅具有耐盐性，还能在18 h内将降解99.3%的甲基红[37]。

3.4 混合菌群

纯菌株大多是对单一染料的脱色降解，而印染废水中的染料种类繁多，因此，纯菌株多种不同结构类型染料的脱色降解有一定的局限性。通过使不同类型的菌协同作用，实现对不同结构的染料的脱色[38]。陈国涛等构建了嗜热偶氮染料降解复合菌群，该菌群不仅耐热，且耐受3000 mg/L的直接黑G，对不同结构的AZO都有较好的脱色能力，经优化后的降解率能达到99%，此外降解前后的染料化学键及表面官能团发生了明显的变化，并且能大大降低AZO对植物的毒性[39]。

微藻主要是通过吸附作用使染料脱色，可以利用这一特质将其与降解菌联合使用。汤伟华构建了小球藻Chlorella sorokinianaXJK与曲霉Aspergillussp.XJ-2聚生体系，在增强脱色率、降低废水理化指标的同时，也提高了染料和盐耐受性，并且最终将分散红3B转化成小分子。

4 结论与展望

印染废水中的染料已被证实对环境生物和人体健康有急性、慢性和遗传毒性，需要合理处置，生物法是一种较为理想的处理办法，国内外学者已经筛选和发现到许多能对印染废水中的染料进行脱色降解的菌株，并对参与脱色降解的酶的脱色降解能力进行评估。为弥补单一菌株脱色降解能力的不足，也对混合菌群进行了初步探索。遗憾的是，有关模拟真实印染废水中染料的脱色降解仍然少见。印染废水排放相关标准缺少生态毒性的指标，因此需要进一步完善法规，同时，对于生物脱色产物的毒性不应仅限于植物、动物，还应包括环境微生物以及群落结构；另外，使用菌株进行降解时也应将菌株的生态毒性和致病性纳入考量范围。印染废水的环境相对恶劣，因此，来自其他极端环境的微生物也可能具有脱色降解潜力。