微生物在染料脱色中的应用及其机理

收稿日期:2000-08-22
作者简介:郝鲁江(1972-),男,山东省济南市人,山东轻工业学院讲师,硕士,主要从事微生物学理论及应用的研究。

微生物在染料脱色中的应用及其机理
郝鲁江1,许　平2
(11山东轻工业学院食品工程系,山东济南　250100;
21山东大学微生物技术国家重点实验室,山东济南　250100)
摘要:　本文系统介绍了染料按化学结构及应用的分类、
染料结构与生色机理的关系,染料脱色微生物,脱色机理及其相关的遗传背景。

关键词:　微生物;染料;脱色;机理
中图法分类号:X172 文献标识码:A 文章编号:1004-4280(2001)02-0052-05
染料是纺织、印染等染色废水的主要污染物。

染料脱色是印染废水治理的关键环节。

利用微生物氧化、分解、吸附废水中有机物从而净化废水的方法称为废水的生物处理。

微生物用于降解、转化物质有如下优势[1]:个体小,比表面积大,代谢速率快;种类繁多,分布广泛,代谢类型多样降解酶专一性强,且很多酶是在污染物的诱导下产生的;微生物繁殖快,易变异适应性强;等等。

这些特点使得微生物在降解、转化物质方面有着巨大的潜力。

研究染料脱色微生物已经有相当长的一段时间,并发现了许多有染料脱色能力的微生物,如细菌中的假单胞杆菌[2](Pseudomonas ),藻类中的普通小球藻[3](Chlorella valgaris )、蛋白核小球藻[3](Chlorella pyrenoidosa ),真菌中的黄孢原毛平革菌[4-7](Phanerochaete chrysospori 2um )等。

本文介绍了染料的分类及其生色机理、染料脱色微生物、脱色机理等方面的内容。

1　染料的分类、结构及生色机理
111　染料的分类
染料的分类方法有两种[8-10]:其一是根据染料的化学结构;其二是按照染料的应用方法。

以染料分子中类似的基本结构作为分类依据,如靛族、芳甲基、酞菁等。

表1列出了部分染料及其共同的基团。

根据染料的应用方法和应用性能可将染料分为直接染料、硫化染料、还原染料、酸性染料、酸性络合染料、活性染料、纳夫妥染料(冰染染料)、氧化染料、分散染料和阳离子染料等。

分离、筛选染料脱色微生物并测定其脱色能力,基础工作应选定染料。

一般来说,分离、筛选染料脱色微生物应选用“按化学结构分类”的染料,主要目的在于判断脱色机制可能作用的基团和价键;而测定微生物染料脱色的能力则常选择“按应用分类的染料,以便取得与实际生产更接近的结果。

第15卷第2期
2001年6月山　东　轻　工　业　学　院　学　报JOURNAL OF SHANDON G INSTITU TE OF L IGHT INDUSTRY Vol.15No.2J un.2001
表1　染料及其共同基团
染　料　名　称
共 同 基 团偶氮染料
分子中含有偶氮基(—N =N —)蒽醌染料
含有蒽醌结构或多环酮靛族染料
含靛蓝和硫靛结构硫化染料
用硫或多硫化钠的硫化作用制成酞菁染料
分子中含有酞菁金属络合物硝基和亚硝基染料
含硝基(—NO 2)和亚硝基(—NO )三芳基甲烷染料二芳基甲烷和三芳基甲烷
112　染料结构与生色机理
1876年Wiff 提出染料发色团说,认为染料颜色是由双键引起的,这些含双键的基团即为发色团。

现代理论认为,染料的颜色与其结构有密切的关系[8-10],结构对颜色的影响有:
(1)在共轭双键体系中,共轭双键增长,π电子活动性增高激化能随之减少,吸收的光线波长愈长,产生不同的深色浓色反应;
(2)共轭体系两端若存在极性基团,颜色加深;
(3)分子的离子化对颜色的影响:分子离子化后,如果给电子基的给电子性或吸电子基的吸电子性加强,π电子活动性增大,分子的激化能降低,分子颜色加深。

反之,则变浅。

(4)分子平面性对颜色的影响:在共轭双键体系中,只有原子和原子团在同一个平面时,才
具有最大的共轭效应。

π电子的活动性与分子的共平面性有关,如果分子的共平面性遭到破坏,共轭双键体系也会被破坏,π电子的活动性降低,颜色变浅。

(5)染料内络合物对颜色的影响:染料共轭系统中的原子或原子团与金属原子形成配价键时,电子云分布状态发生重大变化,从而影响共轭体系的流动性,引起颜色变化。

染料的结构与生色机理对判断微生物染料脱色具有重要的理论分析意义。

2　染料脱色微生物的分离与筛选
染料脱色微生物的分离与筛选一般按图1所述步骤进行:
根据分离、筛选的微生物可选用不同分离方法:
(1)藻类[11]用朱氏10号培养液培养,经富
集后,加一定量的染料进行驯化,培养温度
25℃,光强:20001x 。

(2)细菌[11]用Buck 无机培养液培养,经富
集后,加一定量染料在间歇通气下进行驯化,在
肉汁琼脂培养基和肉汁蛋白胨培养基上进行单
菌株分离。

采集印染、纺织厂的废水处理液及污泥样品↓用不同培养基培养并富集所需种类的微生物↓固体平板分离单菌株↓扩培单菌株并测定其对单一染料的脱色能力↓对筛选出的微生物进行分类鉴定
图1　分离筛选流程图 (3)真菌[12]用马铃著葡萄糖培养液培养,经富集后,加一定量染料进行驯化,在PDA 培养基上进行单菌株分离。

35第2期郝鲁江等:　微生物在染料脱色中的应用及其机理
3　染料脱色微生物的分类
对染料脱色微生物的研究表明,具有染料脱色能力的微生物多种多样,广泛存在于自然界中,已发现的染料脱色微生物如表2所示。

4　微生物染料脱色的机理
微生物染料脱色机理复杂且多样,有些过程尚不十分明确。

细菌及藻类对偶氮染料的脱色机理一般认为是[11]:偶氮化合物分子首先被偶氮还原酶还原,偶氮双键断裂,产生芳香胺类化合物。

芳香胺类化合物分子在有氧条件下被脱氨,生成酚类化合物,酚类化合物分子再被开环,生成脂肪烃和脂肪酸类化合物。

最后,脂肪胫和脂肪酸类化合物被氧化分解,产生CO2和水。

近年来,染料脱色真菌的研究开展广泛,尤其是黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysospo2 rium)、采绒革盖菌(Trametes versicolor)一直作为染料脱色的代表性真菌加以研究,并取得较大进展。

相关研究表明,真菌的脱色作用主要是由其产生的酶所决定的,这三种酶是:木质素过氧化物酶(Lignin Peroxidase)、锰过氧化物酶(Manganese Peroxidase)、及漆酶(Laccase)。

酶催化染料脱色的机理大致是[13]:首先酶
表2　染料脱色微生物
微生物属 名 或 菌 名细
菌
克雷伯氏菌属(K lebsiella)
细螺菌属(Rhodospirillium)
醋杆菌属(Acetobacter)
欧文氏菌属(Enwinia)
气单胞菌属(Aeromonas)
假单胞菌属(Pseudomonas)
产碱杆菌属(Alcaligenes)
埃希氏菌属(Escherichia)
邻单胞菌属(Plesiamonas)
芽孢杆菌属(Bacillus)
肠杆菌属(Enterobacter)
沙雷氏菌属(Serratia)
动胶菌属(Z oogloea)
黄单孢菌属(Xanthomonas)藻
菌
普通小球藻(Chlorella valgaris)
蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)
斜生栅藻(Scenedesmus obliquas)
弱细颤藻(Oscillatoria tenuis)真菌
黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrys osporium)
采绒革盖菌(Trametes versicolor)
朱红密孔菌(Pycnoporus cinnabarinus )图2　一种漆酶介导的染料降解机制
催化氧化酚类化合物,同时分子氧被还
原为水,这一过程中,酶从氧化底物分子
中提取一个电子,使之形成自由基。

该
自由基不稳定,可进一步发生聚合或解
聚反应。

漆酶降解染料的可能机
理[14,15]见图2。

黄孢原毛平革菌降解
偶氮染料的可能机理[5—7,14,15]见图3。

5　染料脱色微生物的遗传背景
由于微生物染料脱色机理尚未完全
弄清,因而其遗传背景也还没有理论上的准确结论。

对细菌质粒的消除、接合转移实验[16]表明,细菌的降解能力是由质粒控制的,同时在研究中发现脱色质粒在高温条件下不稳定,极易丢失,因此在利用细菌进行染料脱色时,应注意到控制水温。

45山　东　轻　工　业　学　院　学　报 第15卷
真菌的脱色能力主要依赖于其产生的过氧化物酶类(LOPs ),现已发现,LOPs 是由定位在染色体上的lop 基因超家族所控制的[17-20]。

深入研究并尽早发现微生物染料脱色的遗传背景,可以为借助分子克隆技术把染料的降解基因克隆到某一菌株中构建“超级菌株”提供遗传依据,同时可有针对性地改进微生物处理环境污染的能力,提高治理效果。

图3　黄孢原毛平革菌降解偶氮染料的可能机制
致谢:本课题的部分研究工作得到了山东轻工业学院科研基金的资助,特致谢意。

55第2期郝鲁江等:　微生物在染料脱色中的应用及其机理
65山　东　轻　工　业　学　院　学　报 第15卷参考文献:
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Applications of microbes in dye degradation and its mechanism
HAO Lu-jiang1,XU Ping2
(1.Department of F ood Engineering,Shand ong Institute of Light Industry,Jinan250100,China;
2.Sate K ey Lab oratory of Microbial T echnology,Shand ong University,Jinan250100,China)
Abstract:The paper gives a systemic introduction to the dyes classified by their chemical structures and applications,the relationship between the dye stucture and coloring mechanism,dye degrading microbes,degrading mechanism and the relevant genetic background.
K ey w ords:microbe;dye;degradation;mechanism。