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，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識。這些合成染料通常化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，泄漏至環(huán)境水域后難以自然降解，影響水生動植物的正常生命活動，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)均含有一個或多個偶氮基團(—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能夠?qū)е氯祟惏螂装⑵⑴K瘤、肝癌和實驗動物的核酸異常以及哺乳動物的染色體變異[4]。

　　盡管環(huán)境工作者已經(jīng)嘗試利用各種理化處理方法對泄漏至環(huán)境水體中的偶氮染料進行治理，但費用昂貴、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，利用細菌降解偶氮染料則費用低廉、操作簡便、環(huán)境友好，逐漸成為環(huán)境領(lǐng)域里的研究熱點之一[5]。筆者介紹了降解偶氮染料的各種細菌，且對影響其降解效率的因素進行了綜述，并探討了其可能的降解機制。

　　1 偶氮染料降解細菌

　　使用細菌降解偶氮染料的研究始于20世紀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菌，這些細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道的能夠降解偶氮染料的細菌。

　　多數(shù)具有偶氮染料脫色能力的細菌為好氧生長，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，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，通常需要對細菌降解偶氮染料的操作條件進行研究。

　　2.1 溶氧量

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

　　2.2 溫度

　　環(huán)境溫度對細菌降解偶氮染料有直接影響，這是由于細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，與細菌生長的最適溫度范圍一致，為30~40 ℃[5, 9, 23]。但有些報道顯示，某些對溫度適應(yīng)性較強的菌株在較高溫度下仍對染料有一定的脫色能力，如A. Paar等報道Bacillus sp.屬的一株細菌在溫度高達60 ℃時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，細菌對偶氮染料進行脫色的最適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)運跨膜緊密相關(guān)，進而影響染料的脫色效率[5]。但實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行脫色的細菌，如S. U. Jadhav等[26]報道了混合菌株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在強酸條件(pH為4.0)和強堿條件(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(如—SO3H、—SO2NH2)或染料相對分子質(zhì)量較大時，細菌對其脫色率相應(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菌有毒害作用或影響細菌生物量的增長。盡管高濃度的染料分子可能對細菌生長有害，但當染料濃度極低時，細菌對染料的脫色率同樣較低，這可能是由于細菌中的降解相關(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，需詳細研究染料濃度對細菌脫色的影響。

　　2.5 碳氮源

　　細菌降解脫色偶氮染料的理想狀態(tài)是細菌能夠?qū)⑷玖献鳛槲ㄒ惶嫉催M行分解利用，但實際上如不外源添加碳氮源，多數(shù)細菌對染料的脫色率非常低。相反，當添加了合適的碳氮源(如葡萄糖、酵母粉、蛋白胨等)后，細菌對偶氮染料的降解率會成倍增加。多數(shù)報道顯示，對細菌脫色偶氮染料促進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 細菌降解偶氮染料的機制

　　染料降解中間產(chǎn)物的分離鑒定對完善細菌降解偶氮染料的機制和降解途徑意義重大。不同細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，微生物降解染料機制研究最為清晰的是偶氮染料的微生物降解機制。一般來說，細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)還原或這些機理的聯(lián)合還原，這些還原反應(yīng)可能在胞內(nèi)進行，也可能在胞外進行[31]。

　　M. Kudlich等研究了Sphingomonas xenophaga BN6對偶氮染料的還原降解機理，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輸，而是以源自該菌的醌作為氧化還原介體，在細胞外對偶氮染料進行降解。該過程中醌被細胞膜上的還原酶還原為氫醌，在細胞外以化學(xué)反應(yīng)還原降解偶氮染料[32]。

　　細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，隨后詳細研究了該酶降解偶氮染料的機理，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

　　細菌降解偶氮染料是國際上的研究熱點之一，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。目前已報道的偶氮染料降解菌各有優(yōu)劣，但由于實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)實驗室分離出的高效降解菌株無法投入實際應(yīng)用中，解決不了實際問題。因此，有些研究者致力于利用分子生物學(xué)手段，對現(xiàn)有染料降解菌株進行遺傳修飾，以期得到降解效率更高、環(huán)境適應(yīng)性更強的超級菌株。但也有研究者對此持擔憂懷疑態(tài)度，因為遺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，筆者認為今后的研究應(yīng)著力于將實驗室分離篩選出的偶氮染料高效降解菌株應(yīng)用于實際，同時也應(yīng)加強篩選環(huán)境適應(yīng)性更強、降解效率更高的優(yōu)勢自然菌株。