自1856年W. H. Perkin偶然發(fā)現(xiàn)世界上第一種可商業(yè)化生產(chǎn)的人工合成染料后，合成染料便開始廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、印染和化妝品等行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，商業(yè)用途的染料種類已超過100 000種，世界上染料的年產(chǎn)量約為8×105~9×105 t[1, 2]。隨著各種合成染料的廣泛使用，其危害性也逐漸被人們所認(rèn)識。這些合成染料通?；瘜W(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，泄漏至環(huán)境水域后難以自然降解，影響水生動(dòng)植物的正常生命活動(dòng)，破壞水體的生態(tài)平衡。且合成染料多為有毒物質(zhì)，具有致癌致畸性，因此降解環(huán)境水體中的染料成為亟待解決的問題[1, 2]。

　　偶氮染料是印染工藝中應(yīng)用最廣泛的一類染料，約占染料生產(chǎn)和使用總量的50%以上，其分子結(jié)構(gòu)均含有一個(gè)或多個(gè)偶氮基團(tuán)(—N=N—)[3]。大多數(shù)偶氮染料對人和其他生物具有致癌、致畸、致突變的三致作用，生物毒性較大。且由于其生產(chǎn)和使用成本低，難以找到合適的替代品，導(dǎo)致偶氮染料的使用屢禁不止，對生態(tài)環(huán)境和人類健康影響非常大。此外，某些偶氮染料已被證實(shí)能夠?qū)е氯祟惏螂装?、脾臟瘤、肝癌和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的核酸異常以及哺乳動(dòng)物的染色體變異[4]。

　　盡管環(huán)境工作者已經(jīng)嘗試?yán)酶鞣N理化處理方法對泄漏至環(huán)境水體中的偶氮染料進(jìn)行治理，但費(fèi)用昂貴、操作復(fù)雜、易產(chǎn)生二次污染等缺陷使其廣泛應(yīng)用受到阻礙。相比較而言，利用細(xì)菌降解偶氮染料則費(fèi)用低廉、操作簡便、環(huán)境友好，逐漸成為環(huán)境領(lǐng)域里的研究熱點(diǎn)之一[5]。筆者介紹了降解偶氮染料的各種細(xì)菌，且對影響其降解效率的因素進(jìn)行了綜述，并探討了其可能的降解機(jī)制。

　　1 偶氮染料降解細(xì)菌

　　使用細(xì)菌降解偶氮染料的研究始于20世紀(jì)70年代，首先由H. Horitsu等分離得到一株能夠降解偶氮染料的枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)。此后研究者又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其他一些能夠降解偶氮染料的細(xì)菌，這些細(xì)菌主要分布在氣單胞菌屬(Aeromonas sp.)、假單胞菌屬(Pseudomonas sp.)、芽孢桿菌屬(Bacillussp.)、紅球菌屬(Rhodococcus sp.)、志賀菌屬(Shigella sp.)、克雷伯氏菌屬(Klebsiella sp.)和希瓦氏菌屬(Shewanella sp.)中[6, 7, 8]。表1列出了一些近年來報(bào)道的能夠降解偶氮染料的細(xì)菌。

　　多數(shù)具有偶氮染料脫色能力的細(xì)菌為好氧生長，但對偶氮染料的脫色降解多發(fā)生在厭氧或微氧條件下。同時(shí)，由于研究所用的培養(yǎng)基、染料結(jié)構(gòu)和濃度以及其他培養(yǎng)條件存在差異，導(dǎo)致無法比較脫色效率。

　　2 細(xì)菌降解偶氮染料的影響因素

　　在生物法治理染料廢水過程中，各種操作因素如攪拌水平、溶氧量、pH、溫度、染料濃度和結(jié)構(gòu)、碳氮源、電子供體等都會直接影響細(xì)菌對偶氮染料的脫色效率。為了得到最優(yōu)脫色條件，通常需要對細(xì)菌降解偶氮染料的操作條件進(jìn)行研究。

　　2.1 溶氧量

　　溶氧量對于好氧細(xì)菌至關(guān)重要，尤其在細(xì)菌生長階段，溶氧量直接影響細(xì)菌的理化性質(zhì)。但在好氧細(xì)菌降解偶氮染料階段，通常高溶氧量會抑制降解過程，這是因?yàn)檠鯕鈺c染料競爭電子供體釋放出的電子。對于厭氧細(xì)菌而言，溶解氧對其生長具有毒害作用。因而，多數(shù)已報(bào)道的能夠降解偶氮染料的細(xì)菌，對偶氮染料的還原降解過程都是在厭氧或微氧條件下進(jìn)行的，好氧條件下可降解偶氮染料的細(xì)菌報(bào)道較少[5, 23]。

　　2.2 溫度

　　環(huán)境溫度對細(xì)菌降解偶氮染料有直接影響，這是由于細(xì)菌中很多與偶氮染料降解相關(guān)的酶的活性會隨溫度顯著變化。因此，合適的脫色溫度范圍對細(xì)菌降解偶氮染料至關(guān)重要。在許多體系中，染料脫色率隨溫度的升高而逐漸升高，到達(dá)最適脫色溫度后脫色率則逐漸降低。通常染料脫色的最適溫度范圍較為狹窄，與細(xì)菌生長的最適溫度范圍一致，為30~40 ℃[5, 9, 23]。但有些報(bào)道顯示，某些對溫度適應(yīng)性較強(qiáng)的菌株在較高溫度下仍對染料有一定的脫色能力，如A. Paar等報(bào)道Bacillus sp.屬的一株細(xì)菌在溫度高達(dá)60 ℃時(shí)仍對印染廢水有一定的脫色效果[24]。

　　2.3 pH

　　培養(yǎng)基的pH是影響偶氮染料脫色的另一重要因素，通常來說，細(xì)菌對偶氮染料進(jìn)行脫色的最適pH范圍在6.0~10.0[25]。培養(yǎng)基的pH影響偶氮染料脫色效率的原因被歸結(jié)為pH可能與染料分子轉(zhuǎn)運(yùn)跨膜緊密相關(guān)，進(jìn)而影響染料的脫色效率[5]。但實(shí)際染料廢水或偏酸或偏堿，因此有必要廣泛篩選耐酸堿的偶氮染料高效降解菌株。近年來，研究者陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些可在酸性或堿性條件下對偶氮染料進(jìn)行脫色的細(xì)菌，如S. U. Jadhav等[26]報(bào)道了混合菌株Galactomyces geotrichum和Bacillus sp. 對Brilliant Blue G的脫色呈現(xiàn)非pH依賴性，在pH為5~9均可觀察到完全脫色現(xiàn)象。H. Wang等[27]發(fā)現(xiàn)Citrobacter sp. CK3在強(qiáng)酸條件(pH為4.0)和強(qiáng)堿條件(pH為12.0)下對Reactive Red 190仍有一定的脫色能力。

　　2.4 染料結(jié)構(gòu)和濃度

　　一般而言，細(xì)菌對結(jié)構(gòu)簡單、分子質(zhì)量較低的染料分子脫色效率較高，而當(dāng)染料分子結(jié)構(gòu)中偶氮鍵對位苯環(huán)上存在一些吸電子基團(tuán)(如—SO3H、—SO2NH2)或染料相對分子質(zhì)量較大時(shí)，細(xì)菌對其脫色率相應(yīng)降低[28]。此外，染料分子中的偶氮鍵越多，細(xì)菌對其降解就越難，分子結(jié)構(gòu)含有甲基、甲氧基、硫酸基團(tuán)或硝基的偶氮染料降解效率較低，而含有羥基和氨基的染料降解效率較高[28]。

　　以往的研究顯示，隨著染料濃度的升高，細(xì)菌對染料的脫色率呈現(xiàn)降低趨勢，其原因可能是高濃度的染料分子對細(xì)菌有毒害作用或影響細(xì)菌生物量的增長。盡管高濃度的染料分子可能對細(xì)菌生長有害，但當(dāng)染料濃度極低時(shí)，細(xì)菌對染料的脫色率同樣較低，這可能是由于細(xì)菌中的降解相關(guān)酶系無法識別低濃度的染料分子[29]。因此，要獲得較高的脫色率，需詳細(xì)研究染料濃度對細(xì)菌脫色的影響。

　　2.5 碳氮源

　　細(xì)菌降解脫色偶氮染料的理想狀態(tài)是細(xì)菌能夠?qū)⑷玖献鳛槲ㄒ惶嫉催M(jìn)行分解利用，但實(shí)際上如不外源添加碳氮源，多數(shù)細(xì)菌對染料的脫色率非常低。相反，當(dāng)添加了合適的碳氮源(如葡萄糖、酵母粉、蛋白胨等)后，細(xì)菌對偶氮染料的降解率會成倍增加。多數(shù)報(bào)道顯示，對細(xì)菌脫色偶氮染料促進(jìn)效果最好的碳源是葡萄糖。但因降解菌株而異，其喜好的碳氮源也各不相同[29, 30]。

　　3 細(xì)菌降解偶氮染料的機(jī)制

　　染料降解中間產(chǎn)物的分離鑒定對完善細(xì)菌降解偶氮染料的機(jī)制和降解途徑意義重大。不同細(xì)菌降解偶氮染料的途徑不盡相同，其降解途徑取決于不同染料的分子結(jié)構(gòu)、細(xì)菌降解染料的相關(guān)酶系及其他一些因素[29]。但總體而言，微生物降解染料機(jī)制研究最為清晰的是偶氮染料的微生物降解機(jī)制。一般來說，細(xì)菌對偶氮染料的生物降解無論是在好氧、兼氧或厭氧條件下進(jìn)行，第一步反應(yīng)都是偶氮基的還原。偶氮染料的還原降解過程可能涉及到不同的還原機(jī)理，如酶催化、低分子質(zhì)量還原介體介導(dǎo)、通過源于生物的還原劑(如H2S)還原或這些機(jī)理的聯(lián)合還原，這些還原反應(yīng)可能在胞內(nèi)進(jìn)行，也可能在胞外進(jìn)行[31]。

　　M. Kudlich等研究了Sphingomonas xenophaga BN6對偶氮染料的還原降解機(jī)理，結(jié)果表明該菌株還原降解偶氮染料不需要染料或還原性黃素的跨膜運(yùn)輸，而是以源自該菌的醌作為氧化還原介體，在細(xì)胞外對偶氮染料進(jìn)行降解。該過程中醌被細(xì)胞膜上的還原酶還原為氫醌，在細(xì)胞外以化學(xué)反應(yīng)還原降解偶氮染料[32]。

　　細(xì)菌將偶氮染料降解為相應(yīng)的苯胺類產(chǎn)物的具體途徑可能是通過一步反應(yīng)完成，但也可能由兩步連續(xù)的反應(yīng)完成。Bin Yan等[33]從Rhodobacter sphaeroides AS1.1737菌株中克隆到偶氮還原酶基因，并在大腸桿菌中成功表達(dá)，隨后詳細(xì)研究了該酶降解偶氮染料的機(jī)理，經(jīng)HPLC、MS、離子阱等技術(shù)鑒定降解產(chǎn)物，首次證明了加氫偶氮苯中間體的存在。該報(bào)道指出菌株AS1.1737降解偶氮染料的反應(yīng)分兩步完成，第一步為控速步驟，形成的加氫偶氮苯中間體不穩(wěn)定，會被迅速還原為相應(yīng)的苯胺。具體參見污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 總結(jié)與展望

　　細(xì)菌降解偶氮染料是國際上的研究熱點(diǎn)之一，向染料廢水處理系統(tǒng)中投加高效降解染料的優(yōu)勢菌種，增強(qiáng)了生物量，不僅操作簡便、成本低廉，且對環(huán)境友好。目前已報(bào)道的偶氮染料降解菌各有優(yōu)劣，但由于實(shí)際廢水處理過程多為開放體系，操作條件多變，廢水酸堿性變化較大、營養(yǎng)貧乏，導(dǎo)致多數(shù)實(shí)驗(yàn)室分離出的高效降解菌株無法投入實(shí)際應(yīng)用中，解決不了實(shí)際問題。因此，有些研究者致力于利用分子生物學(xué)手段，對現(xiàn)有染料降解菌株進(jìn)行遺傳修飾，以期得到降解效率更高、環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)的超級菌株。但也有研究者對此持擔(dān)憂懷疑態(tài)度，因?yàn)檫z傳修飾的菌株可能對環(huán)境造成二次污染，破壞現(xiàn)有的生態(tài)平衡。總體而言，筆者認(rèn)為今后的研究應(yīng)著力于將實(shí)驗(yàn)室分離篩選出的偶氮染料高效降解菌株應(yīng)用于實(shí)際，同時(shí)也應(yīng)加強(qiáng)篩選環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、降解效率更高的優(yōu)勢自然菌株。