利用白腐菌处理印染废水的初步研究

1 白腐菌在印染废水处理中的作用

白腐真菌属于丝状真菌, 分布很广。目前, 研究最广和最深入的白腐菌是属非皱菌目, 伏革科的黄孢原毛平革菌, 普遍分布于北美, 在我国尚未发现。1983年首次从白腐菌黄孢原毛平革菌发现木素过氧化酶, 此后, 对白腐菌的研究越来越深入。

白腐菌的降解活动只发生在次级代谢阶段。当白腐菌被引人废水中后, 由于生物具有的应激性将对营养限制作出应答反应, 形成一套酶系统。首先产生细胞内的葡萄糖氧化酶和细胞外的乙二醛氧化酶, 在分子氧参与下氧化相应底物而形成H2O2, 激活过氧化物酶而启动酶的催化循环。由于白腐菌降解酶的诱导是靠营养限制来启动降解过程的, 与降解底物的有无多少无关, 这样, 白腐菌就能降解环境中某些低浓度污染物, 还能将其降解到几乎测不出的水平。由于被降解的有机污染物不需进人细胞内代谢, 白腐菌本身不易受到有毒物质的侵害, 而且也降解不溶性化合物, 所以白腐菌在处理废水时不受污染物溶解性和毒性的限制。

2 白腐菌处理印染废水的研究

染料主要用于天然蛋白质纤维、聚酰胺纤维、纤维素等织物的着色。作为母体染料, 主要含有羟基、羧基、氨基、磺酸基芳香胺类化合物。这些人工合成的染料大多具有“三致”作用, 从而成为重要的环境污染物。在自然条件下这些染料造成的污染很难被消除, 用常规的物理、化学以及生物的方法也很难达到除去的目的, 因此染料的脱色和降解成为了一个世界性的难点和热点。印染废水的处理效果常常用染料的脱色率和降解率来表示。染料的脱色率和降解率是通过与菌共培养时, 培养液中染料和菌体吸附染料最大吸收波长处吸光度的变化来确定。由于染料分子本身及酶学机制的复杂性, 归纳起来一般认为有两个过程, 一个是胞内过程, 主要产生降解有机物质所需的酶, 如木质素过氧化酶、锰过氧化酶等;另一个是胞外过程, 主要是所形成的酶对难降解有机物的氧化过程。有的酶可直接氧化有机物质, 有的则要形成中间体酶后才能氧化物质, 如木质素酶则先形成高活性的酶中间体才能将物质氧化。白腐菌对有机污染物质呈现广谱特征, 也就是说氧化的有机物广泛。这使得白腐菌与降解对象之间并非象酶与底物那样一一对应。但不管怎样, 木质素过氧化酶、锰过氧化酶、漆酶等酶类可能对白腐菌的染料代谢或多或少都起了重要的作用。

白腐菌对染料的降解主要是由其分泌的酶系共同作用的结果。它分泌的酶系包括:产生过氧化氢的氧化酶, 另外, 还有漆酶、甲基化酶、还原酶等, 这些酶都是白腐菌在营养条件限制的情况下, 次生代谢过程中所产生。

3 白腐菌发酵主要影响因子

3.1 振荡培养

对于振荡或静置的培养基, 菌体生长都很好, 但是, 如果对培养基进行剧烈振荡则会使菌体形成菌球, 且强烈抑制木质素降解酶的酶活, 但对菌丝小垫进行振荡却不影响酶活。

3.2 p H值

白腐菌同其他生物一样有一定的酸碱适应范围。降解有机物质的p H值范围随着处理废水种类的不同而不同。

3.3 微量营养素

在培养基中加入Zn2+、Mg2+和Mn2+等可显著提高酶活。

3.4 碳源

葡萄糖等易代谢物质对木质素降解酶系统具有重要作用, 木质素等物质的降解需要另外加入生长物质——共物质, 共物质被认为是木质素降解系统各组分合成的能源, 并且, 碳源的性质通过影响H2O2的生产而影响木质素酶活, 否则白腐菌不能产生木质素降解酶。

3.5 氮源

培养基中氮源的浓度对木质素酶酶活具有复杂的影响, 增加氮源浓度抑制酶活, 而增加碳水化合物的浓度却增加酶活。当一种培养基中含有无限葡萄糖和有限剂量氮源时, 菌体的生长停止而含有木质素降解酶活, 相反, 在富氮限碳的培养基中, 木质素降解酶活降低, 而对菌体的生长没有影响。对木质素的降解能力与培养基中C∶N比值有关, 而与碳源和氮源的绝对含量无关, 另外, 在白腐菌中, 氮源对其影响是因种而异的。

3.6 供氧

白腐菌属于好氧菌, 供氧量对处理效果有较明显的影响。由于染料降解过程是一个氧化过程, 因此增加氧气量可促进染料脱色。另外, 分子氧可诱导木质素降解酶产生。

3.7 培养温度

温度的改变会影响在生物体内所进行的许多生化反应, 因而会影响生物的代谢活动。此外温度的改变也会引起其他环境因子的变化, 从而影响微生物的生命活动, 在一定的温度范围内, 生化反应速率随温度的上升而加快;超过一定的限度, 细胞功能就会下降。不同的废水就有不同的最佳反应温度。白腐菌主要靠酶作为高效催化剂与废水中的有机物发生氧化催化反应, 因此, 温度对白腐菌降解有机废水有着直接的影响。白腐菌属中温菌, 适应温度范围为9~39℃。

3.8 接种量对菌体生长的影响

接种量对培养周期和菌体生物量均有较大的影响。接种量适宜, 既能有效地缩短培养周期, 又能得到较高的菌体生物量。接种量为5%时, 菌体生长较慢, 菌丝球小, 接种量为10%、15%和20%时菌丝生长较快, 而接种量为15%和20%时菌液较浑浊, 因此确定其最佳接种量为10%。

另外, 碳氮比、时间、溶解氧等对白腐菌处理废水也有一定的影响。

4 白腐菌的应用前景

(1) 大气污染治理。我国的大气污染源主要是煤燃烧中排放的烟尘和SO2, 而白腐真菌对这些污染源都由很好的缓解作用。 (2) 水污染治理。我国水体的主要污染是工业和生活污水的排放的有机物, 其中又以生产性的工业污染物为害最大, 它们的浓度高、排放量大。 (3) 固体污染物的治理。相对于大气及水污染的治理, 固体污染治理是一个比较薄弱的环节, 理想的有效技术缺乏, 而它们又常构成对大气及水体的再次污染。

5 展望

(1) 白腐菌为丝状真菌, 不但可进行液态发酵, 还可进行固态发酵, 从而使其应用面更广, 不仅可处理液态废水, 还可处理木质纤维固态垃圾、农作废弃物甚至进行土壤修复。另外, 由于其所产生酶系的特殊性能 (主要是非专一性) , 对许多难降解的有机化合物均有一定作用, 可用于处理造纸污水、TNT废水和重金属废水等, 因此, 使其具有诱人的应用前景, 可以增加它在其他生物修复中的应用。 (2) 我国对白腐菌处理染料废水研究还处于初级阶段, 对已有菌株的基础代谢研究和实际应用反应器, 都还有待于更进一步的研究, 另外, 研究的重点还是应找到产酶稳定并对多种结构染料都能有效脱色的优良白腐菌。 (3) 加强白腐菌分子生物学方面的研究, 克隆出有表达活性的有关酶基因, 并利用基因工程技术研制效果更好的工程菌, 从而克服当前白腐菌在处理染料废水过程中存在的缺点, 即菌体生长慢、需加入营养物质等。 (4) 白腐菌处理废水在国内还刚刚起步, 还有较多的问题需要解决。它虽能处理一些难降解有机物, 去除率较高, 但是最后出水浓度还是较高。今后应进行研究的方向为:白腐菌应与其他技术联合处理有机废水;白腐菌的选取和培养最佳条件;白腐菌处理有机废水的最佳物化条件;固定白腐菌的载体的研究;固定化方法的确定;外加剂的研究;白腐菌降解机理和反应动力学的深入研究。

生物处理废水技术是当今的人们研究课题之一。可以预见, 随着研究者对白腐菌认识的加深及废水处理工艺条件的成熟, 白腐菌必将能早日广泛地用于工程实践。

摘要：在适宜的工艺条件下, 白腐菌对染料有明显的脱色作用, 针对白腐菌的特性和独特的降解机理, 研究其对染料脱色降解的作用, 说明白腐菌具有处理印染废水的潜在能力。

关键词：白腐菌,印染废水,染料,脱色率