鄭燕虹，陳張燕，劉湘晴，夏麗，李海玥，郭麗君，李芹,2，張懷東,2*

（1.福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350117；2.工業(yè)微生物教育部工程研究中心，福建 福州 350117）

中國是全球的紡織服裝制造和出口大國，紡織工業(yè)已經(jīng)在中國的制造業(yè)中占據(jù)重要地位。紡織行業(yè)蓬勃發(fā)展的同時，紡織工業(yè)用水量和廢水排放量也迅速增加。中國生態(tài)環(huán)境部年報顯示，2021年，我國紡織業(yè)年產(chǎn)化學(xué)需氧量（COD）排放量、總磷排放量和總氮排放量均為工業(yè)行業(yè)排放量前三[1]，其中約70%廢水來自印染廢水。

印染廢水主要由紡織材料、染料和助劑組成，其中染料和助劑是印染廢水中有毒有害物質(zhì)的主要來源。目前，在工業(yè)中使用的染料已超10000種，染料的添加造成印染廢水具有高黏度、高pH值、高色度、高COD等特點，并且在生產(chǎn)過程中容易螯合其他金屬離子，形成具有致癌、致畸、致突變毒性的有機廢水[2]。因此，在將這些有毒染料釋放到環(huán)境中之前必須對妥善處理，以減少其對環(huán)境的危害[3]。

目前，去除廢水中染料的方法有多種，包括物理、化學(xué)和生物處理法。物理法處理印染廢水具有操作簡單和高效等優(yōu)點，但是成本高，能耗高，且分離吸附劑[4]。而化學(xué)法使用多種化合物進行氧化和還原，高效，處理時間短，但一些化學(xué)藥劑的使用反而容易引起二次污染[5]。與物理化學(xué)方法相比，生物處理通常是最具成本效益的，它簡單且成本低廉，不會造成二次污染，對環(huán)境友好。

1 印染廢水中的染料及其類型

染料主要由發(fā)色團和助色團組成。染料的顏色是由發(fā)色團決定的，而發(fā)色團有連續(xù)的單鍵和雙鍵的排列的共軛結(jié)構(gòu)，能夠吸收可見光譜（400～700 nm）中的光。常見的發(fā)色團有偶氮、蒽醌、硝基、羧基、羰基、三苯基甲烷等[6]，而助色團能增強生色團的染色能力，其酸堿性也決定了染料的酸堿性，最常見的助色團有胺、羧基、磺酸鹽和羥基等。

根據(jù)來源，可以將印染廢水中染料分為天然和合成染料兩種。合成染料具有穩(wěn)定性、產(chǎn)品色牢度高和低成本等優(yōu)點[7]在紡織工業(yè)中的大量應(yīng)用。根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)式，以染料的結(jié)構(gòu)特點和共性（即發(fā)色團）將染料分為偶氮染料、蒽醌染料、硫化染料、酞菁染料、三苯基甲烷染料、雜環(huán)染料等[8]，其中，三苯基甲烷染料（TPM）和偶氮染料（AZO）是最為頻繁使用的染料。

2 印染廢水中染料對環(huán)境和人體的影響

2.1 水生環(huán)境

GB 4287 —2012《紡織工業(yè)印染廢水排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了部分理化參數(shù)限值，包括COD、懸浮物、色度、總磷、總氮等指標(biāo)，但是，實際上這些指標(biāo)不足以全面的衡量印染廢水的質(zhì)量，其生態(tài)毒性也應(yīng)列入考量范圍[9]。研究表明，印染廢水中的染料會對水生生物造成急性、慢性或遺傳毒性影響，最終可能對水生生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅[10,11]。排放到水生生態(tài)系統(tǒng)中的紡織染料會降低水體的透明度和溶氧量[12]，破壞水生環(huán)境。印染廢水會刺激藻類細(xì)胞產(chǎn)生過量的活性氧，導(dǎo)致細(xì)胞過氧化，從而破壞葉綠體，抑制葉綠素合成并減少光合作用，最終導(dǎo)致藻類細(xì)胞不可逆轉(zhuǎn)的損害甚至死亡[13]。廢水中染料的存在導(dǎo)致其懸浮物水平高，而這些懸浮物會阻礙水流過魚鰓，影響氣體交換，長期暴露在印染廢水下會使得魚體內(nèi)的蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂質(zhì)降低，最終導(dǎo)致生長速度下降或死亡[14]。由于印染廢水中總有機碳（TOC）、生物需氧量和化學(xué)需氧量高，容易消耗水體中的氧氣，還可能引發(fā)水體富營養(yǎng)化問題[15]。

2.2 土壤環(huán)境

染料和染料廢水一旦滲透進土壤，會對土壤化學(xué)性質(zhì)、土壤微生物和農(nóng)作物產(chǎn)生負(fù)面影響。趙慧等對我國南方典型城市化區(qū)域調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不同類型重點排污單位的空間分布、歷史排污狀況與重金屬高檢出區(qū)具有一致性，重點排污企業(yè)加重了當(dāng)?shù)赝寥乐兄亟饘俚奈廴綶16]。印染廢水用于灌溉會導(dǎo)致作物的不同部位出現(xiàn)重金屬的累積，并且其濃度會隨著時間的變化而變化，甚至超過世界衛(wèi)生組織的閾值[17]。染料使得微生物細(xì)胞膜的完整性喪失，電子傳遞鏈?zhǔn)艿揭种?，膜通透性增強以及多不飽和脂肪酸氧化。此外，較高的染料含量會對微生物的發(fā)育和代謝過程產(chǎn)生負(fù)面影響，從而影響本地土壤微生物群落[18]。

2.3 人體健康

印染染料有致敏和致癌風(fēng)險，還有可能引發(fā)肝臟、腎臟損傷，并且具有中樞神經(jīng)毒性。AZO是紡織行業(yè)中最常見印染染料，部分AZO本身并無毒性，但在還原條件下會生成芳香胺，而芳香胺已被證明是有致癌風(fēng)險的[19]。未與紡織品結(jié)合的染料與人類的皮膚接觸后，被人體汗液溶解，會引發(fā)皮炎、濕疹等皮膚過敏癥狀，甚至引起皮膚壞死[20]。目前，在GB/T 18885—2020《生態(tài)紡織品技術(shù)要求》中對致敏、致癌以及其他禁用對染料的限量值為50 mg/kg，規(guī)定每種可分解的致癌芳香胺和可能以化學(xué)殘留物形式存在的致癌芳香胺總量合格限量值為20 mg/kg[21]。此外，如不慎吸入氯苯后，會表現(xiàn)出麻木，感覺異常和肌肉痙攣等中樞神經(jīng)中毒的癥狀[22]。染料進入水生生物和農(nóng)作物后，通過食物鏈富集到人體身上，引發(fā)高血壓、腎衰竭，痙攣等疾病。

3 印染廢水中染料的生物脫色降解

生物處理法是微生物或酶通過破壞發(fā)色團上的不飽和鍵，將有害大分子染料轉(zhuǎn)化為無害的小分子或原生物質(zhì)，使印染廢水脫色[23]。因其不容易產(chǎn)生二次污染，廉價，并且在脫色后產(chǎn)物無毒，被認(rèn)為是一種更加環(huán)保的處理方式[24]。

3.1 細(xì)菌降解染料

對于AZO，細(xì)菌通過體內(nèi)的酶切割偶氮鍵，使其脫色的同時解除染料的毒性，單一菌株就有優(yōu)秀的染料降解和脫色能力。銅綠假單胞菌RKS6能在30 ℃、pH值7、靜置狀態(tài)下于12 h內(nèi)去除99%甲基橙（MO），降低96%TOC，并且解除MO對種子的毒性[25]。除了針對單一染料，細(xì)菌還能對不同類型的多種染料進行脫色，但脫色能力存在差異。Bacillussp.DMS2能對30種不同染料進行脫色，其中，對直接紅81（DR81）脫色率最高（＞80%），對天空藍的脫色效率最低（＞30%）[26]。

由于印染廢水常為高鹽狀態(tài)，因此不少研究者將目光放在能耐受高鹽且依舊具有高降解力的菌株上。DMS2在高鹽（50 g/L）的環(huán)境下，也能使97%的DR81脫色[26]；Exiguobateriumsp.S2在5%鹽度下，能在8 h內(nèi)去除95%以上酸性金黃G[27]；Liu等發(fā)現(xiàn)，Bacillus circulans BWL 1061在pH值在6.0～8.0范圍內(nèi)能保持＞94%降解率，在60 g/L的NaCl濃度下能同時去除MO和Cr[28]。經(jīng)過細(xì)菌處理后的染料的產(chǎn)物無毒，能解除染料對水生植物、陸地植物、線蟲的毒性和遺傳毒性[29]。

3.2 真菌降解染料

真菌可以產(chǎn)生大量的胞外和胞內(nèi)酶，具有能夠去除各種有機污染物，包括染料廢水、有機廢物、類固醇化合物和多環(huán)芳烴。白腐真菌是生物脫色降解中最為常見的真菌，Trametes versicolorZ-1對多種芳香類染料均表現(xiàn)出較強的脫色能力，其中對剛果紅、孔雀石綠和考馬斯亮藍R-250這3種染料的脫色率能達到100%[30]。

以染料和其他碳源為共底物時能增強脫色降解能力，Irpex lacteus2-1-1對7種染料均有脫色能力，補充果糖為額外碳源后能顯著增加菌株2-1-1對剛果紅的脫色率[31]。當(dāng)然，不同菌株所需的額外碳源量不同，同一菌株降解不同的染料所需的額外碳源量也有所不同。從腐木中分離的Trichoderma koningiopsisS1和Trichoderma atrovirideS2分別在添加45%的葡萄糖和60%的葡萄糖后能對Procion Red MX-5B（PRMX5B）有效脫色，但當(dāng)降解Remazol Brilliant Violet 5R（RBV5R）時，則分別需要添加80%和52%葡萄糖[32]。

細(xì)菌能在較短的時間內(nèi)對染料進行脫色降解，真菌由于生長緩慢，對染料的脫色時間也相對較長，約6～10 d左右。有趣的是，一株耐寒的菌株Bjerkandera adustaSWUSI4 在含4種TPM染料（100 mg/L）平板上的脫色時間為14 d，而在含50 mg/L的TPM染料液體培養(yǎng)基中150 r/min培養(yǎng)時，在24 h的脫色率可達90%以上[33]。

3.3 酶介導(dǎo)的降解

酶也稱為生物催化劑，是一種廉價、高效、可再生和選擇性的生物物質(zhì)，可以通過將目標(biāo)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物來特異性地去除特定的頑固污染物。偶氮還原酶、漆酶、NADH-DCIP、木質(zhì)素過氧化物酶、錳過氧化物酶和酪氨酸酶等酶被認(rèn)為參與了染料的脫色降解過程[34]，不少研究人員利用DNA重組技術(shù)將能夠脫色降解的基因轉(zhuǎn)入其他菌，利用重組工程菌生產(chǎn)大量的降解酶。Liang等將來自枯草芽孢桿菌的漆酶基因cotA整合到Synechococcus elongatusPCC7942中，并靶向中性位點NSIIP；由重組菌株CC7942-NSII-CotA生產(chǎn)的漆酶，不需要ABTS的介導(dǎo)，也能夠在7 d內(nèi)將蒽醌型、偶氮型和靛藍型三種染料降解[35]。Cagide等將在Pseudomonassp.AU10的基因組中的染料脫色過氧化物酶dyp基因重組到大腸桿菌中，該酶在30 min內(nèi)使孔雀石綠、甲基橙和甲基紫35B脫色[36]，而嗜鹽菌重組偶氮還原酶不僅具有耐鹽性，還能在18 h內(nèi)將降解99.3%的甲基紅[37]。

3.4 混合菌群

純菌株大多是對單一染料的脫色降解，而印染廢水中的染料種類繁多，因此，純菌株多種不同結(jié)構(gòu)類型染料的脫色降解有一定的局限性。通過使不同類型的菌協(xié)同作用，實現(xiàn)對不同結(jié)構(gòu)的染料的脫色[38]。陳國濤等構(gòu)建了嗜熱偶氮染料降解復(fù)合菌群，該菌群不僅耐熱，且耐受3000 mg/L的直接黑G，對不同結(jié)構(gòu)的AZO都有較好的脫色能力，經(jīng)優(yōu)化后的降解率能達到99%，此外降解前后的染料化學(xué)鍵及表面官能團發(fā)生了明顯的變化，并且能大大降低AZO對植物的毒性[39]。

微藻主要是通過吸附作用使染料脫色，可以利用這一特質(zhì)將其與降解菌聯(lián)合使用。湯偉華構(gòu)建了小球藻Chlorella sorokinianaXJK與曲霉Aspergillussp.XJ-2聚生體系，在增強脫色率、降低廢水理化指標(biāo)的同時，也提高了染料和鹽耐受性，并且最終將分散紅3B轉(zhuǎn)化成小分子。

4 結(jié)論與展望

印染廢水中的染料已被證實對環(huán)境生物和人體健康有急性、慢性和遺傳毒性，需要合理處置，生物法是一種較為理想的處理辦法，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)篩選和發(fā)現(xiàn)到許多能對印染廢水中的染料進行脫色降解的菌株，并對參與脫色降解的酶的脫色降解能力進行評估。為彌補單一菌株脫色降解能力的不足，也對混合菌群進行了初步探索。遺憾的是，有關(guān)模擬真實印染廢水中染料的脫色降解仍然少見。印染廢水排放相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺少生態(tài)毒性的指標(biāo)，因此需要進一步完善法規(guī)，同時，對于生物脫色產(chǎn)物的毒性不應(yīng)僅限于植物、動物，還應(yīng)包括環(huán)境微生物以及群落結(jié)構(gòu)；另外，使用菌株進行降解時也應(yīng)將菌株的生態(tài)毒性和致病性納入考量范圍。印染廢水的環(huán)境相對惡劣，因此，來自其他極端環(huán)境的微生物也可能具有脫色降解潛力。