1微生物降解染料的机理
染料一般具有一些不饱和结构的发色基团，如偶氮基、亚硝基、硝基、氧化偶氮基、硫代羰基等。同时有一些含有未共用电子对的原子助色基团，主要包括OH、NH2、NHR、HR2等。一般认为生物法脱色主要有吸附和降解两种过程在起作用，其中以降解最为主要。研究表明，生物降解又分两步：首先具体将染料分子吸附到自身外表面，部分透过细胞膜进入细胞体内；之后微生物利用自身产生的酶来催化氧化还原染料分子，破坏不饱和共轭体系，达到去色的目的，所获得的中间产物进一步氧化还原分解并最终分解为CO2和水，或者一部分被微生物吸收，转化为自身所需的营养物质，形成微生物的原生质[4]。微生物降解染料作用由其所分泌的酶完成，研究发现，参与降解染料的酶主要有3类：
1.1对偶氮还原酶
偶氮染料是目前应用较广泛的染料之一，其降解的关键是偶氮键的还原断裂，这一过程可以由偶氮还原酶催化进行，降解形成芳香胺，多数偶氮还原酶是厌氧的，所以该过程一般为厌氧条件。通常情况下芳香胺比偶氮染料毒性更大，对降解微生物毒害也更大；但在有氧条件下可以脱氨生成酚类化合物，最终被开环而完全矿化[5]。
1.2胞外过氧化物酶系
白腐真菌通过分泌胞外过氧化物酶系来实现对染料的降解，主要包括木质素过氧化物酶和Mn-过氧化物酶两大类。这两种酶都是通过与过氧化氢作用产生羟自由基来降解芳香化合物[6]。林鹿等人研究则表明，对于一种碳浓度而言，随着氮浓度的增加木质素过氧化物酶的活性增加了；对于一种氮浓度而言，随着碳浓度的增加，木质素过氧化物酶的活性也有增加趋势。而对于Mn-过氧化物酶来说，无论是碳或氮营养高于0.01mol/L时，活性都降低[7]。
1.3链霉菌过氧化物酶
链霉菌过氧化物酶属于血红素过氧化物酶，只有在富含过氧化氢的体系中能使染料脱色，且其脱色过程易被氰化钾所抑制[8]。另外，研究还发现，当偶氮染料作为木质素过氧化物酶的底物时，链霉菌胞外过氧化物酶则对该类染料很难降解，其作用机理类似于Mn-过氧化物酶的专一性[9]。另外，一些难以降解的高分子有机化合物不能被完全矿化，微生物必须从底物获得大部分的碳源和能源，形成共代谢过程。利用微生物进行共代谢降解这类有机物是一种有效的降解方法[10]，但是对于共代谢的机理目前仍存在一定争议，需要进一步进行研究。
2微生物降解染料的影响因素
生物脱色主要有吸附和降解两种机理，依靠微生物分泌的酶完成，因此受到多种因素的影响[4]。不同微生物种类，其生物活性以及分泌酶的作用都存在很大的区别，比如生物的世代时间、生物的适应能力、酶的降解速率及酶的专一性等等。染料的结构差异决定了其可生物降解能力的大小，因此对最终的降解产物和去除效果有非常大的影响。此外，不同染料的降解途径不同。如偶氮染料降解途径一般认为是先由偶氮还原酶作用断裂偶氮键，然后由其它酶作用降解其中间产物，前者在厌氧和好氧条件下均可进行，以厌氧为优，后者一般只在好氧条件下才能进行。此外，微生物及染料所处环境的pH、温度、染料浓度、含碳量和含氮量都会对染料的降解脱色效果产生影响。特别是染料的浓度对生物降解有较大的影响，因为染料浓度直接决定了其生物毒性的大小，一般来说，染料的浓度越高，毒性越大，对微生物活性的抑制作用越强。
3微生物降解染料的发展
目前，已经有许多印染厂利用微生物处理工业废水中的染料，并且已经取得了显著的效果，特别是在厌氧处理上水平较高。但是还不能完全满足实际的需要，这是因为染料废水的一些特点所致，比如废水水量和水质的波动较大，对生物降解的冲击负荷叫明显；同时，染料中经常含有一些可能抑制染料降解菌生长的物质，使得最终的处理效果达不到实际需要的要求或经常发生微生物的变异而不能够继续降解染料。为此，许多学者提出应用生物工程技术等来强化提高降解菌对环境污染物的降解效率。(1)向环境中投加营养或添加底物类似物来刺激降解菌的生长或提高其降解活性。付学琴等人通过富集驯化培养筛选得到具有脱色染料直接大红的菌株，并选取其中脱色效率最高的Z03菌株进行脱色条件研究，发现在温度为35℃、pH为7、装量为40mL的厌氧条件下脱色率可达到89.6%，效果较好[11]；董新姣等人采用生物混合固定化技术将无花果曲霉C5和青霉X5两种真菌混合用于降解有机偶氮染料刚果红，在最佳条件下脱色率基本保持85%以上[12]。(2)通过遗传工程手段改良环境污染物降解菌的降解性能，这是最有效也是目前较为常用的一种手段。比如将相容性的降解质粒转化到一种菌株里，从而赋予该菌株同时降解多种有机污染物的能力；或者通过体外重组把不同的降解基因组建到同一个质粒或载体上去，然后再把这个质粒转化到特定环境的优势菌株中去。构建形成“超级细菌”，扩大微生物对污染物的降解范围，提高治理效果，增强其净化环境的作用。此外，原生质体融合技术目前也得到了广泛的应用，通过原生质体融合技术可以将两种或多种具有协同作用的微生物进行融合，从而有效解决单独使用某种微生物难以达到降解效果的问题，达到降解污染物的目的。
作者： 靳永亮 单位：新疆天池能源有限责任公司
