白腐真菌对偶氮染料的脱色研究

摘要

目前，来自不同行业的废水是主要的环境问题之一。纺织工业使用偶氮、蒽醌、多环化合物、三苯基甲烷等多种合成染料，其中偶氮染料最受欢迎。偶氮染料因其不易生物降解而引起严重的环境问题。纺织工业排放大量约10-200毫克/升的染料和10-20%的染料以及有机和无机辅助化学品，因为织物对这些染料的吸收非常差。含染料约5-10%的工业废水，通常排放到水体中。这种高颜色的纺织废水严重影响植物的光合作用。由于光线穿透和氧气消耗低，它也会对水生生物产生影响。因此，这些纺织废水必须经过处理才能排放。物理或化学方法成本高，能耗大，对环境影响低，产生二次污泥。因此生物降解是纺织染料降解最理想的环保、不产生二次污泥和经济有效的方法。 Fungi especially white rot fungi (WRF), produces Proxidases (Lignin peroxidase, LiP and Manganese peroxidase, MnP) and Phenol oxidase (Laccase) can be used for bioremediation of Azo dyes. In this article, decolorization and biodegradation of Azo dyes, abilities of WRF are reviewed.

关键字

偶氮;Anthraquinne;生物降解;木质素过氧化物酶;锰过氧化物酶

简介

由于快速的工业化和城市化，工业废水排放到水体中，造成严重的环境污染。纺织工业排放的大量废水是水污染的主要问题之一[1］．纺织工业在没有任何适当处理的情况下，向周围水体排放大量有色废水，造成严重的环境污染。染料用于修饰不同基材的颜色特性，如织物、纸张和皮革。在19世纪以前，人们普遍使用从动物和蔬菜中提取的天然染料。然而，在二十世纪初，天然染料被合成染料所取代。图1)．在纺织工业中用于着色的所有染料中，偶氮染料的需求量最大。偶氮化合物具有异生性，含有芳香族化合物，不易生物降解[2]在超过90万公吨的染料中占总染料的60-70%。−N=N−键的存在可使合成偶氮染料在厌氧条件下转化为有毒、难降解和致癌的产物[3.］．

偶氮染料对环境的影响

全球染料和颜料的消费量约为7 × 105吨/年，仅在纺织业，它就消耗了世界总产量的三分之二。据估计，在纺织工业中，约80%的偶氮染料用于染色工艺，其余10-15%的偶氮染料不与纤维结合，因此排放到水体中。作为有色废水释放的合成偶氮染料含有有毒物质和危险化学物质，通过增加化学需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)和改变水的pH值，造成严重的水污染问题。纺织工业的有色废弃物对水生态系统造成严重影响，光的渗透力低，耗氧量低，破坏了环境平衡。它还会使环境中的有机无机化学成分失衡，对水中的生物含量也有影响。当染料与水混合时，光在水中的穿透效率降低，整个水生态系统受到影响。偶氮染料的有毒化合物与水体混合，进入鱼类或其他水生动物体内，再被人类吸收，引起高血压、散发性紊乱、痉挛等，影响持久。由于易吸入或易溶于水，偶氮染料会迅速被皮肤吸收，导致过敏反应、癌症、眼睛刺激等风险。

偶氮染料是一种合成有机化合物，其特征是存在一个或多个偶氮(-N=N-)键，与一个或多个芳香体系相结合。生物法对这些染料的脱色越来越受到重视。由于该方法有效、特异、能耗低、环保、低成本、环境友好、产生的二次污泥少[7］．它导致污染物部分或完全生物转化为稳定的无毒化合物。白腐真菌通过细胞外分泌酶，是染料、异种生物制剂和木质素等难降解化合物的高效生物降解剂[8］．木质素过氧化物酶(lip)、锰依赖过氧化物酶(MNPs)和漆酶在真菌降解木质素中起着重要作用。这些细胞外酶是非特异性的，可降解各种复杂的芳香染料[9］．

偶氮染料的化学性质

染料可溶于水溶液，由于其化学结构中存在发色团而产生颜色。这些有色染料用于纺织、造纸、皮革或食品工业。偶氮染料极易溶于水。它的特征是存在一个或多个偶氮基团(-N=N-)，通常为1个或4个，与苯基和萘基相连，它们通常被一些官能团的组合所取代，包括:氨基(- NH2)、氯(- cl)、羟基(- oh)、甲基(- ch3)、硝基(- no2)、磺酸和钠盐(- so3na)。单偶氮染料含有一个氮氮键(-N=N-);同样地，重氮染料含有两个-N=N-键，三氮染料含有三个-N=N-键，而聚偶氮染料含有三个以上的N=N键。N=N键的存在，减少了氮原子中未配对电子对的可能性，易于还原为肼和伯胺，作为良好的氧化剂[10］．

偶氮染料的种类

纺织工业常用合成染料、碱性染料、偶氮染料、硫染料、氧化染料、蒽醌染料、吖啶染料作着色剂[11］．根据应用过程的特点，偶氮染料可以是酸性染料、直接染料、活性染料、分散染料或其他染料。酸性染料含有阴离子基团;它们是水溶性的，低分子量的，有磺酸基。这些染料的主要应用是染色蛋白质，即动物毛纤维(羊毛、丝)和合成纤维(尼龙)。使用“酸”一词是因为染色过程是在弱酸性溶液(pH值2-6)中进行的。纤维中的阳离子基团:动物蛋白纤维和尼龙纤维负责与染料中的阴离子基团附着。染色后，有一定量的染料释放到水体中(表1) [12］．

表1。染料的种类

直接染料用于给棉花、纸张、皮革、丝绸和尼龙上色。直接染料也含有负责溶解性的磺酸基。染色过程通常在中性或微碱性染缸中进行。洗衣服既简单又快捷。活性染料之所以被称为活性染料，是因为它们由活性基团组成，这些活性基团与纤维素的-OH基团或蛋白质纤维的-NH2和-SH基团形成共价键。分散染料不含酸性或碱性基团，因此不溶于水。最后将它们研磨成分散剂。染色速率受粒径和分散剂选择的影响。

影响偶氮染料矿化的不同因素

氧利用率对偶氮染料的完全矿化起着至关重要的作用。生物降解偶氮染料通常有两个步骤:第一步是在偶氮染料中厌氧裂解重氮键，释放芳香胺，第二步通常是在好氧降解芳香胺的过程中进行。第一步通常发生在厌氧条件下，但它可以由几个好氧细菌通过产生偶氮还原酶来进行，该酶在分子氧的存在下裂解偶氮基团。在好氧条件下，偶氮染料的真菌降解也已被描述，主要是由木质素降解真菌，主要是白腐真菌(图2及3) [13］．

疏水性和亲水性是影响生物利用度的两个主要因素。极性物质如磺化偶氮染料不能通过质膜。事实上，只有还原酶(切断偶氮键)在细胞外的生物系统对偶氮染料矿化最有效。疏水偶氮染料可穿过质膜，在细胞质中被降解。但降解微生物在疏水染料可利用性较低的水相中表现出较高的活性。几种真菌(即，黄孢原毛菌，白地土菌，彩色曲霉，青霉，青霉菌，平菇，杨红碧螺，稻瘟病菌)可以通过细胞外酶的产生来降解偶氮染料:木质素降解真菌主要通过合成同工酶，如木质素过氧化物酶(LiP)、锰过氧化物酶(MnP)和漆酶，能够脱色几种磺化和非磺化偶氮染料的甚至复杂分子[13,14］．在侧耳属sajor-caju在固体培养基上培养，观察到可溶性偶氮染料在菌丝生长过程中被降解，即使是不完全降解，而不可溶性偶氮染料在菌丝生长过程中没有降解[15］．

在生物质生物还原过程中，染料的吸附是必要的。染料吸附在生物质上，直到达到饱和;染料的吸收量与生物量成正比。在真菌生物量上观察到染料的初始吸附，然后降解乳酸菌，黄孢Phanerochaete，彩色Trametes和红色毛癣菌［16-18］．

偶氮染料及其降解组分对生物系统具有毒性。因此，为了实现偶氮染料的完全矿化，应确保在工艺开始前浓度应在最佳范围内。

白腐真菌偶氮染料脱色性能的研究

通常通过限制碳源和氮源可以提高白腐真菌木质素溶解酶的表达。这些酶是细胞外的，通常在次级代谢过程中形成[13］．还观察到，降解速率随不同染料的变化而变化。在添加高浓度锰和染料的条件下，产乳酸菌的木素分解酶产生的锰过氧化物酶(MnP)增加，而偶氮染料则不增加。在低锰浓度下，MnP的产量不增加。这说明木素溶解酶的表达是可诱导的[19］．

活性染料的脱色是在碱性条件下进行的，因此耐酸碱度高对活性染料的矿化很重要。木质素溶解真菌中木质素过氧化物酶(LiP)的表达似乎在最佳pH范围(4.5-5)较高[13］．在现场应用真菌对偶氮染料进行脱色前，应考察pH值和温度对体外生物降解速率的影响。对于微生物种群来说，脱色速率一般与最适细胞生长温度和pH有关，在最适温度范围内，脱色速率随温度的升高成正比[20.-25］．

染料工业排放的废水含盐量高，高达15-20%。大多数微生物不能在这些条件下生物降解偶氮染料，因为它们不能忍受高盐浓度。为了实现偶氮染料在高盐浓度下的脱色，选择嗜盐菌或耐盐菌是一种选择。这些微生物即使在高浓度的盐水中也能降解偶氮染料(表2)［26］．

表2。选择白腐菌及其胞外酶对偶氮染料脱色

纺织品染料是顽固性的，可以在环境中存在很长一段时间，因为它具有很高的热稳定性和光稳定性。这些染料的主要环境问题是它们对进入水中的阳光的吸收和反射。由于这个原因，水生植物和藻类的光合作用活性丧失，从而影响食物链[73］．

许多染料及其分解产物对生命具有致癌、致突变和/或毒性(表3)．极少量的染料在水中就会高度可见，严重影响湖泊、河流等水体的质量和透明度，导致对水生环境的破坏。偶氮染料具有毒性作用，特别是致癌和致突变作用。它们通过摄入进入人体，并由肠道微生物代谢，造成DNA损伤。

表3。纺织工业中常用的偶氮染料及其危害

结论

偶氮染料的降解取决于它们不同的木素分解酶，主要是漆酶对白腐真菌的反应。WRF可降解多种有机化合物，包括木质素、氯化酚、二恶英、氯苯胺和染料等聚合物，这取决于它们的非特异性作用和强大的氧化能力。白腐真菌可抵御大多数有机污染物的毒性[82］．因此，它们在几个生物技术领域和污染物的生物修复中的应用在未来无疑是重要的。

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