染料是一類重要的精細(xì)化工產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于印染、造紙、制革、塑料加工等行業(yè)。人工合成染料具有種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，按化學(xué)結(jié)構(gòu)，可分為偶氮染料、蒽醌染料、靛族染料、芳甲烷染料、酞氰染料、硝基及亞硝基染料等多種類型〔1〕。在染料的生產(chǎn)及使用過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的含染料工業(yè)廢水，此類廢水具有水量大、水質(zhì)復(fù)雜、有機(jī)物濃度高、色度深、生物毒性大等特點(diǎn)，屬于難降解工業(yè)廢水〔2〕。若不經(jīng)妥善處理便進(jìn)行排放，將對(duì)環(huán)境及人類健康構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

生物法是目前最常用的一類污水處理技術(shù)，具有成本低、效率高、易操作、無(wú)二次污染等特點(diǎn)〔3〕。多年來(lái)，圍繞生物法中所用微生物的研究多集中在細(xì)菌、真菌等單一類型。隨著染料合成工業(yè)的飛速發(fā)展，許多結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、性質(zhì)更穩(wěn)定的新型染料被合成并應(yīng)用，對(duì)傳統(tǒng)生物處理技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。利用真菌和細(xì)菌聯(lián)合處理有機(jī)污染物是近幾年來(lái)新興的一項(xiàng)生物處理方法，該方法將真菌及細(xì)菌在降解有機(jī)污染物方面的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，在處理多種類型工業(yè)廢水的研究及應(yīng)用中已被證實(shí)優(yōu)于單一的真菌或細(xì)菌工藝〔4, 5, 6〕。

筆者通過(guò)真菌降解有機(jī)物的機(jī)理，分析了其與細(xì)菌聯(lián)合處理技術(shù)的原理、可行性和優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上綜述了真菌和細(xì)菌聯(lián)合處理染料廢水的研究進(jìn)展，并指出該項(xiàng)技術(shù)存在的不足與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 真菌對(duì)有機(jī)污染物的降解機(jī)理及其降解酶系
 
目前，應(yīng)用于生物降解的真菌主要有白腐真菌、霉菌和酵母菌等，而其中以白腐真菌的應(yīng)用最為廣泛。真菌對(duì)污染物的降解機(jī)理非常復(fù)雜，通常是生物學(xué)機(jī)制和化學(xué)過(guò)程的有機(jī)結(jié)合。以白腐真菌為例，其降解機(jī)理主要包括細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外兩過(guò)程，但主要的氧化過(guò)程發(fā)生在細(xì)胞外〔7〕。

在白腐真菌降解有機(jī)污染物的細(xì)胞內(nèi)過(guò)程中，主要是合成降解有機(jī)污染物需要的一系列酶。首先，是細(xì)胞內(nèi)的葡萄糖酶和細(xì)胞外的乙二醛氧化酶在分子氧參與下氧化有機(jī)污染物并形成H2O2，進(jìn)而激活過(guò)氧化物酶而啟動(dòng)酶的催化循環(huán)，與此同時(shí)，合成重要的木質(zhì)素過(guò)氧化酶（LiP）和錳過(guò)氧化氫酶（MnP）等并釋放到細(xì)胞外。

在白腐真菌的細(xì)胞外降解過(guò)程中，LiP 能夠作為高效催化劑催化多種反應(yīng)。LiP 具有較高的催化活性，它可利用電子傳遞過(guò)程將底物由酶的表面遷移至酶的活性中心，使底物與酶活性中心部位的血紅素輔基發(fā)生作用，因此，LiP 可將酶表面的高分子底物直接氧化。其中，非酚類芳香族化合物的降解主要依賴于LiP 的催化。而酚類、胺類及染料等有機(jī)物的降解則主要依賴于MnP。這是一個(gè)以生成的自由基為基礎(chǔ)的鏈反應(yīng)過(guò)程，具有高度非特異性和無(wú)立體選擇性，使得白腐真菌與降解目標(biāo)物之間并不像酶與底物那樣一一對(duì)應(yīng)，故對(duì)污染物的降解呈現(xiàn)廣譜特征。

此外，漆酶也是真菌中重要的降解酶。漆酶是自然界中一種分布廣泛的含銅多酚氧化酶，可催化大量酚類及芳香胺化合物的降解，且在還原介質(zhì)存在的條件下，其底物范圍可進(jìn)一步擴(kuò)大。漆酶催化底物的機(jī)制表現(xiàn)在底物自由基的形成和漆酶分子中 4 個(gè)銅離子的相互協(xié)同作用，其活性位點(diǎn)催化氧化機(jī)制如圖 1 所示〔8〕。研究發(fā)現(xiàn)，漆酶在一些難降解有機(jī)物的降解過(guò)程中發(fā)揮了重要的催化作用〔9〕。

圖 1 漆酶活性位點(diǎn)催化氧化 

2 真菌和細(xì)菌聯(lián)合降解有機(jī)物的機(jī)理
 
細(xì)菌對(duì)有機(jī)污染物的降解主要是依靠酶的催化作用，且這些酶又具有較高的專一性，因此，細(xì)菌將一個(gè)有機(jī)物大分子逐步降解直至礦化的過(guò)程需要一系列具有不同催化功能的酶參與。這種催化降解的特點(diǎn)在于微生物需要在不同階段的底物條件下合成相應(yīng)的酶，一旦缺乏某中間產(chǎn)物降解所需要的酶，降解反應(yīng)就要中止，進(jìn)而影響后續(xù)降解過(guò)程。例如，在偶氮染料的生物降解過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)利用細(xì)菌將其還原脫色較容易，但卻很難將脫色后生成的中間產(chǎn)物進(jìn)一步分解，這是因?yàn)樵S多細(xì)菌可以在特定環(huán)境中誘導(dǎo)出偶氮還原酶，卻很難誘導(dǎo)出對(duì)對(duì)應(yīng)中間產(chǎn)物進(jìn)行開(kāi)環(huán)或裂解的酶〔2, 10〕。也是基于這樣的原因，在組成相對(duì)復(fù)雜的廢水中，單一細(xì)菌或組成簡(jiǎn)單的菌群往往不能滿足處理的需要。而如前所述，真菌對(duì)有機(jī)物的降解機(jī)理實(shí)際上是生物催化過(guò)程與化學(xué)氧化過(guò)程的結(jié)合，降解過(guò)程實(shí)質(zhì)上是通過(guò)自由基過(guò)程實(shí)現(xiàn)的化學(xué)轉(zhuǎn)化，具有較強(qiáng)的氧化能力和較低的選擇性，同時(shí)，反應(yīng)多發(fā)生在細(xì)胞外，避免了有毒底物對(duì)細(xì)胞的毒害，使真菌能夠適應(yīng)復(fù)雜的底物環(huán)境，表現(xiàn)出高效、低耗、廣譜、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。然而，真菌對(duì)環(huán)境條件的變化較為敏感，增殖速度較慢。而細(xì)菌則具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，對(duì)于小分子化合物往往具有較高的降解效率，且生長(zhǎng)速度快。

由上述分析可見(jiàn)，真菌對(duì)難降解有機(jī)物的適應(yīng)及降解能力強(qiáng)，能夠同時(shí)降解多種大分子有機(jī)物的混合物，生成生物毒性較低的小分子物質(zhì)，從而提高了廢水的可生化性。殘余的有機(jī)物則可以被細(xì)菌繼續(xù)分解甚至利用，消除污染的同時(shí)，也為微生物的生長(zhǎng)提供了碳源和能源。

3 真菌和細(xì)菌聯(lián)合處理染料廢水的研究進(jìn)展
 
根據(jù)真菌和細(xì)菌在聯(lián)合處理工藝中所處空間的不同，該類方法大致可分為2 種，即真菌和細(xì)菌分別位于2 個(gè)獨(dú)立生物單元的串聯(lián)工藝，以及二者位于同一個(gè)生物處理單元的共培養(yǎng)工藝。目前，對(duì)這2 種工藝在處理染料廢水方面的應(yīng)用均有報(bào)道。

3.1 串聯(lián)工藝
 
在串聯(lián)工藝中，真菌處理單元和細(xì)菌處理單元的相對(duì)位置往往是根據(jù)實(shí)際廢水的情況進(jìn)行設(shè)定。由于真菌對(duì)大分子有機(jī)污染物的分解能力較強(qiáng)，但對(duì)COD 的去除效果較差，因此，當(dāng)廢水中含有較高濃度的難降解有機(jī)物時(shí)，往往將真菌單元放置在前，首先將難生物降解的大分子有機(jī)污染物分解，形成小分子有機(jī)物，進(jìn)而提高廢水的可生化性，再利用細(xì)菌單元去除COD，以達(dá)到凈化污水的目的。

寇曉芳等〔11〕對(duì)利用白腐真菌-活性污泥系統(tǒng)處理染料廢水進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了白腐真菌-兼氧活性污泥-好氧活性污泥工藝，對(duì)含質(zhì)量濃度均為40 mg/L 的酸性品紅、結(jié)晶紫、亞甲基藍(lán)和蕃紅花紅的模擬混合染料廢水進(jìn)行處理，結(jié)果顯示，當(dāng)真菌和活性污泥（包括兼氧和好氧）單元的溫度分別為37、 25~30 ℃，各階段停留時(shí)間分別為72、12~16、10~14 h 時(shí)，處理效果最佳，脫色率和COD 去除率分別達(dá)到了99.6%和93.0%，出水COD 低于100 mg/L。在此基礎(chǔ)上，考察了該工藝對(duì)一股實(shí)際染料廢水的處理效果，結(jié)果表明，在進(jìn)水COD 高達(dá)1 689 mg/L，色度為 2 500 倍，各階段水力停留時(shí)間分別為72 、16 、14 h 的條件下，脫色率和COD 去除率分別高達(dá)99.0%和 94.4%。C. Novotny 等〔12〕對(duì)利用白腐真菌-混合細(xì)菌菌群串聯(lián)工藝處理不同類型的染料廢水進(jìn)行了研究，包括活性橙RO16（單偶氮類）、雷馬素艷藍(lán)R 和分散藍(lán)3（蒽醌類）、溴酚藍(lán)（三苯基甲烷類）、亞甲基藍(lán)（噻嗪類）以及銅（Ⅱ）酞菁（酞菁類）。結(jié)果顯示，當(dāng)混合細(xì)菌菌群?jiǎn)卧獮橐患?jí)處理單元時(shí)，該單元僅對(duì)單偶氮染料活性橙RO16（質(zhì)量濃度為100 mg/L 和 500 mg/L）有明顯的脫色效果，對(duì)其他5 種染料的脫色效果不明顯； 而出水繼續(xù)經(jīng)過(guò)后續(xù)的白腐真菌生物單元處理后，脫色率均可達(dá)96%以上。而當(dāng)白腐真菌生物單元為一級(jí)處理單元時(shí)，該單元對(duì)所有染料（質(zhì)量濃度均為150 mg/L）的脫色率均在91%以上，最高可高達(dá)99.3%（溴酚藍(lán)），而且，作為二級(jí)處理單元的混合細(xì)菌菌群?jiǎn)卧獙?duì)TOC 也有很好的去除效果，總TOC 去除率均超過(guò)了92%�；�于上述結(jié)果，研究了白腐真菌-混合細(xì)菌菌群串聯(lián)工藝對(duì)3 種不同實(shí)際廢水的脫色處理效果，結(jié)果表明，該工藝對(duì)成分相對(duì)復(fù)雜的實(shí)際廢水也有較好的脫色效果和 TOC 去除效率。

此外，K. Malachová 等〔13〕研究了不同類型染料經(jīng)活性污泥-白腐真菌串聯(lián)工藝處理后其致突變性的變化。結(jié)果顯示，處理后的活性橙16 和分散藍(lán)3 的致突變性分別比處理前降低了95.2%和77.8%�？梢�(jiàn)，該工藝不僅對(duì)染料分子具有較強(qiáng)的分解作用，更主要的是能夠降低廢水的生物毒性（致突變性），大大降低了對(duì)人類健康的威脅。

3.2 共培養(yǎng)工藝
 
不難看出，真菌和細(xì)菌的分置式串聯(lián)工藝對(duì)染料具有良好的降解效果，且將真菌和細(xì)菌分開(kāi)培養(yǎng)可以避免二者由于競(jìng)爭(zhēng)而可能產(chǎn)生的抑制作用。但在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)法在反應(yīng)器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)無(wú)菌狀態(tài)，真菌單元在運(yùn)行一定時(shí)間后也會(huì)滋生大量細(xì)菌。實(shí)際上，真菌與細(xì)菌的共生體系在自然界中廣泛存在，而該現(xiàn)象為真菌和細(xì)菌共培養(yǎng)工藝的建立提供了生態(tài)依據(jù)〔14, 15〕。

脫色是染料廢水生物降解的關(guān)鍵步驟。Min Gou 等〔16〕利用青霉菌Penicillium sp. QQ 與細(xì)菌Sphingomonas xenophaga QYY 的共生體系在厭氧條件下對(duì)偶氮染料活性紅B 和活性艷紅X-3B 進(jìn)行脫色研究，結(jié)果顯示，共生體系的脫色效率優(yōu)于任一菌種單獨(dú)作用時(shí)的脫色效率，且弱酸性環(huán)境及少量表面活性劑的加入對(duì)脫色有促進(jìn)作用。Yuanyuan Qu 等〔17〕 利用青霉菌Penicillium sp. QQ 和細(xì)菌Exiguobacterium sp. TL 的共生體系在厭氧條件下對(duì)活性深藍(lán) K-R 進(jìn)行脫色研究，并利用表面響應(yīng)法（RSM）對(duì)脫色條件進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果顯示，在最優(yōu)條件下，共生體系對(duì)200 mg/L 活性深藍(lán)K-R 的脫色率高達(dá)97% （24 h），同樣優(yōu)于任一菌種單獨(dú)作用時(shí)的脫色效果。

在微生物降解脫色過(guò)程中，有時(shí)會(huì)伴隨明顯的細(xì)胞吸附作用。李蒙英等〔18〕發(fā)現(xiàn)，青霉菌Penicillium sp. G -1 與細(xì)菌Enterobacter sp. L -1 和Pseudomonas sp. L-2 的混合培養(yǎng)物能夠吸附并降解多種染料，其中起吸附作用的主要是青霉菌G-1，該混合培養(yǎng)體系能夠在1 h 到3 d 不等的時(shí)間內(nèi)使12 種不同的染料完全脫色，表現(xiàn)出脫色的廣譜性。此外，共培養(yǎng)體系還可連續(xù)對(duì)8 種不同染料進(jìn)行脫色。倪建國(guó)等〔19〕研究發(fā)現(xiàn)，綠曲霉（Aspergillus sp.）對(duì)活性黃 M-3RE 具有良好的吸附性，在5 h 內(nèi)對(duì)100 mg/L 活性黃M-3RE 的脫色率達(dá)到95.3%，再經(jīng)與細(xì)菌Enterobacter sp. L-1 和Pseudomonas sp. L-2 共培養(yǎng)處理16 h 后，被菌絲球吸附的染料可完全脫色。利用該方法對(duì)一股實(shí)際染料廢水的脫色處理結(jié)果表明，總脫色率和COD 去除率分別為85.8%和56.1%，且 BOD/COD 從處理前的0.238 提升至了0.652，大大提高了廢水的生化性。

真菌和細(xì)菌的共培養(yǎng)體系除了能夠?qū)θ玖蠌U水進(jìn)行有效脫色外，還能夠進(jìn)一步降解脫色中間產(chǎn)物，從而達(dá)到更加徹底的處理效果。張金平等〔20〕利用4 株細(xì)菌和4 株絲狀真菌組建了一個(gè)真菌-細(xì)菌混合物培養(yǎng)體系，在真菌和細(xì)菌的接種比例為2∶1 且同時(shí)進(jìn)行接種的條件下，其對(duì)質(zhì)量濃度為320 mg/L 的混合染料廢水的脫色率和TOC 降解率分別達(dá)到 97.03%和74.03%。同樣是張金平等〔21〕利用該混合培養(yǎng)體系對(duì)來(lái)自某印染廠的2 股實(shí)際染料廢水（深藍(lán)廢水和深紅廢水）進(jìn)行了處理，結(jié)果顯示，在調(diào)節(jié)廢水pH 至6.0 時(shí)，可達(dá)到最佳處理效果，且對(duì)深藍(lán)廢水的脫色和降解效果較好，12 h 的脫色率和TOC 降解率分別為98.38%和92.70%； 而對(duì)深紅廢水則需24 h 才能達(dá)到最佳處理效果，脫色率和TOC 去除率分別為87.22%和82.98%。

相比于串聯(lián)的方式，共培養(yǎng)工藝將分開(kāi)的2 個(gè)單元合二為一，不僅節(jié)省了空間，而且由于真菌和細(xì)菌形成了穩(wěn)定的共生體系，可以有效避免獨(dú)立的真菌單元由于染菌而受到抑制。因此，在該領(lǐng)域的相關(guān)研究中，文獻(xiàn)報(bào)道更多的是通過(guò)共培養(yǎng)的方式實(shí)現(xiàn)真菌和細(xì)菌的聯(lián)合處理。具體參見(jiàn)http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

4 展望
 
真菌和細(xì)菌聯(lián)合處理方式不僅在染料廢水處理中被證實(shí)是有效的，在其他工業(yè)廢水的生物處理過(guò)程中也有成功應(yīng)用的實(shí)例，如用來(lái)處理苯并（a）芘、棉漿黑液、石油廢水等〔22, 23, 24〕。盡管該研究已取得一定的進(jìn)展，但仍存在一些問(wèn)題有待深入研究，如真菌和細(xì)菌對(duì)不同有機(jī)化合物的協(xié)同降解途徑研究，真菌-細(xì)菌共生體系穩(wěn)定性的影響因素及提高穩(wěn)定性的方法等。若上述問(wèn)題能得以很好的解釋和解決，該項(xiàng)技術(shù)的全面應(yīng)用將指日可待。