印染廢水脫色生物強化工程菌的構建及應用進展

謝學輝，劉 娜，朱文祥，范鳳霞，袁學武，柳建設

（東華大學環境科學與工程學院，上海 201620）

隨著經濟的快速發展，印染行業的排水量也大幅度增加。據不完全統計，我國當前印染廢水年排放量約為20 億噸，一般占綜合排水量的60%～80%，位于全國工業廢水排放量的第5 位[1]。因此為工業廢水的處理增加了很大的難度。

印染廢水，即纖維織物在預處理、染色、印花和整理4 個印染過程中產生的廢水，主要來自染整工段，包括退漿、煮煉、漂白、絲光、染色、印花和整理等。染整行業所用的染料大多是合成染料，加上一些新型助劑、PVA 漿料等的加入，使得印染廢水具有以下幾個特點：①色度大，有機物含量高，除含染料和助劑等污染物外，還含有大量的漿料，廢水黏性大。②COD 變化大，高時可達2000～3000 mg/L，BOD5也高達200～300 mg/L。③堿性大，如硫化染料和還原染料廢水pH 值可達10 以上。⑤可生化性較差，這是因為染料品種多，包括酸性染料、偶氮染料、還原性染料、陽離子染料、硫化染料等。⑥水溫水量變化較大，加工品種及產量經常變化。

目前國際上主要有物理化學法、化學法和生物法三類處理方法。物化法和化學法處理效果好，速度快，但因其存在運行費用高、易造成環境二次污染的缺點，從而應用受到限制。生物法以處理量大，費用少、較少產生二次污染等優點，在印染廢水處理中占有不可或缺的地位。其中細菌在偶氮染料處理中的應用已經初有成效，其生物脫色也有了一定的進展[2-5]。

生物強化技術是指在原有生物處理體系中投加具有特定功能的微生物來改善原有處理體系的處理效果[6]，特別是提高難降解有機物的去除率。生物強化技術的發展吸引了廣大學者的關注，在堅實的理論基礎之上，結合先進的技術，充分挖掘了微生物的潛力。強化菌在其它廢水如含吡啶廢水、石化廢水處理中的一些應用也證實了其強大的處理能力[7-8]。生物強化工程菌在印染廢水脫色處理中的研究應用也越來越廣泛，向印染廢水處理系統中投加具有特殊降解作用的微生物，能大大提高廢水的脫色處理效果。

1 生物強化工程菌及其構建

工程菌（engineering bacterium）可以分為狹義工程菌和廣義工程菌。狹義工程菌是指將已確定的多種降解性的目的基因分離出來，通過基因操作獲得的集多種微生物降解功能于一身，同時可以降解多種有機物的新型微生物。而廣義工程菌是指將從自然環境、污染環境或處理系統中分離、篩選和鑒定的高效降解菌加以合理組合，從而能高效降解多種有機物的混合菌群[8]。其中后者的應用更加廣泛。

1.1 基因工程菌

通過構建基因工程菌處理環境問題，是環境生物技術中的前沿課題，它將現代生物技術與環境問題相結合。基因工程菌能定向有效地利用環境微生物細胞中降解污染物的基因，去執行凈化污染物的功能。目前關于基因工程菌在環境領域中的應用并不少見，而對其在印染廢水處理中應用的研究也逐漸增多。

金玉潔等[9]第一次構建了降解偶氮染料的基因工程菌pGEX-AZR/E.coli JM-109，確定了其生長條件，并考察其偶氮染料脫色能力范圍。結果表明，最佳碳源、氮源分別是葡萄糖（5 g/L）、氯化銨（3 g/L），pH=7.5，溫度為35 ℃時菌體生長最好，接種量對菌體生長影響不大。工程菌對多種偶氮染料有很強的脫色能力，分子量小的脫色率高。茍敏等[10]構建了大插入片段宏基因組文庫，證明活性污泥Fosmid 文庫可用于功能基因的活性篩選，具有開發新基因的潛力，為構建需要的基因工程菌奠定基礎。

由于基因工程菌的表達成功率低，應用成本高，適應環境需要一定時間，且同時也存在一定的遺傳性、凈化功能和生物安全性問題。因此，基因工程菌的處理效果雖好，但其應用并不廣泛，在推廣方面也存在一定的難度。

1.2 生物強化工程菌

生物強化工程菌一般是從處理印染廢水的活性污泥中篩選出來，然后進一步培養馴化所得的高效菌株，他們對印染廢水中的污染物有特殊的降解效果。在投入使用之前，對工程菌進行初步的組合，使其具有良好的處理能力。然后根據處理裝置的構造和微生物的生態特性，進行工程菌的自適應構建。

目前報道的生物強化工程菌多是從污泥和被污染的環境中篩選分離得到的，進一步馴化后投入使用。Chen 等[11]從污泥中篩選出了6 個菌株，其中嗜水汽單胞菌表現出強大的脫色能力，在pH 值和溫度分別為5.5～10.0 和20～35℃的缺氧條件下，脫色率達到90%。樂毅全等[12]從印染廢水的處理裝置中分離到多株脫色菌，其中一株高效脫色菌經鑒定為腐敗希瓦氏菌（Shewanella putrefaciens）。該菌株在合適條件下能有效地去除印染生產上常用的多種染料，在6 h 內對活性艷紅染料的去除率可達到9%～10%。鄒新振等[13]從活性污泥中馴化出降解活性藍FNR 的脫色菌，研究了其脫色能力，并指出培養馴化的真菌對試驗用蒽醌結構活性染料具有較強的脫色能力，吸附速度較快，60 h 左右染料的脫色率基本達到最大值。Wang 等[14]第一次篩選出可以同時處理偶氮和蒽醌染料的一株腸桿菌EC3，在由葡萄糖供給，pH 值為7.0、溫度為37 ℃時它的處理效果最好，對活性黑5 的脫色率達92.56%。這個菌株可以處理多種活性染料。

Bella 等[15]紡織廢水處理廠中篩選出了一個細菌菌群——SKB-II，這個菌群對單一和混合染料都有較好的脫色效果。當淀粉供給為1 g/L 時，對單一染料（剛果紅，波爾多紅等）的脫色率達到80%～96%，對多種染料混合物（10 mg/L）的脫色率亦能達到50%～60%。李慧等[16]從土壤樣品中分離到一株高效染料脫色菌株N-4，利用表面響應法（RSM）對菌株N-4 脫色活性深藍K-R 的主要因素進行優化，實驗結果表明，菌株N-4 脫色K-R 的最優條件為：濕菌量10 g/L，染料濃度222 mg/L，硫酸銨1.5 g/L，果糖3.5 g/L，最佳脫色率為100%。此外，實驗證明其對多種染料均具有較高的脫色效率。

為使構建的工程菌更好的自適應反應器，一般采用固定化技術使其固定在懸浮物或固定載體上。馬放等[8]從廢水的活性污泥中篩出高效菌群后，將其投入反應器，采用火山浮石和人造棉為內填物的填料作為載體，該載體具有比表面積大、孔隙率大、親疏水平衡值良好、表面粗糙、機械強度高和表面帶正電荷等優點。工藝穩定運行期間，在進水水質波動較大（COD=370～910 mg/L，NH4+-N=10～70 mg/L）、水溫低于13 ℃的情況下，出水COD 和NH4+-N 平均濃度分別在80 mg/L-1和8 mg/L 左右，水質優于污水綜合排放標準（GB 8978—1996）中一級標準。

2 生物強化工程菌的應用

2.1 單菌株的應用

近年來，生物強化工程菌在廢水處理中的應用越來越廣泛，也有越來越多的學者構建它來處理印染廢水，并取得了一定的成果。

Li 等[17]篩選了一株能處理金屬復合偶氮染料的希瓦氏菌株J18 143。它的最佳pH 值為6.8，溫度為30 ℃，經處理過后的廢水濃度為0.12 g/L。張勝琴等[18]從浙江某污水處理廠的活性污泥中篩選出一株具有高效脫色活性的菌株Z1，經鑒定為巴斯德葡萄球菌（Staphylococcus pasteuri）。并對此菌株的脫色特性進行了初步研究。結果表明，在厭氧條件下，Z1 在pH 值7～12，40 h 對50 mg/L 的酸性大紅GR 脫色率均可達90%以上。該菌株對染料有較強的耐受力，在酸性大紅GR 濃度為300 mg/L 時，48 h 的脫色率仍可達93%。

單一菌種的脫色能力雖好，但單株菌在實際廢水處理中的應用目前還很難實現，一方面是菌株的產酶和脫色難以適應變化的復雜的廢水組分，另一方面是不能解決其它菌群的污染問題[19-20]。為克服單一菌種的局限性，廣大學者開始關注混合菌群的應用。

2.2 混合菌群的應用

混合菌群是兩種及其以上微生物共同培養，相互作用，相互影響，最終達到發揮其最大群體聯合作用優勢的微生態系統。由于各種菌之間的共代謝作用，可能使印染廢水中的有機物降解更徹底、更完全。混合菌群的脫色效率和降解效果都是單菌無法比擬的。目前已有很多學者在篩選馴化混合菌群方面進行了研究。

Safia 等[21]從染料污染的土壤中篩選純化出了一個混合菌群JW-2，經16S-RNA 確定，它包含類芽孢桿菌、黃微球菌和球菌3 種細菌，能快速高效地處理大量紡織染料廢水。JW-2 在36 h 內使活性紫5R 脫色完全，最佳pH 值和溫度分別是6.5～8.5和27～35 ℃，僅需少量底物（如葡萄糖0.1%g/L和酵母提取物0.05%g/L）就可以完全完成脫色。實驗表明此菌株可以對9 種不同的染料完全降解，并已在適當的生物反應器中應用。Taruna 等[22]篩選出了一個可以降解酸性橙7（AO7）和很多偶氮染料廢水的菌群TJ-1，經鑒定，它由氣單胞菌屬、變形桿菌屬和秋裝紅球菌組成。TJ-1 對AO7 的脫色率高于單一菌種，說明這些菌之間有相互作用。對200 mg/L 的AO7 溶液處理16 h 后脫色率就達到90%，可見其處理效果是非常好的。Saratale 等[23]用由普通變形桿菌NCIM-2027(PV)和谷氨酸微球菌NCIM-2168(MG)組成的混合菌群GR，在缺氧條件下，以16666 μg/h 的脫色率對偶氮染料鮮紅R 進行完全脫色，比單一菌種（PV 和MG）脫色都快。且與單一菌種相比，它在3 h 內具有很好的礦化作用（COD 和TOC 的去除率都大于90%）。實驗表明，混合菌群GR 的產物為1,4-二苯胺，毒性分析表明其降解產物無毒。另外，對混合染料廢水的處理中，在靜止條件下72 h 內，達到88%的脫色率，對TOC和COD 的去除率分別為62%和68%，從而顯示了GR 在處理印染廢水中的潛力。

除了細菌之外，許多真菌也有處理印染廢水的能力，而很多學者也將兩者組合在一起，探索其處理效果。Mayur 等[24]采用一個細菌-真菌聚生體BL-GG 處理含有分散紅RR 染料的印染廢水，實驗表明，處理48 h 后，對BOD 和COD 去除率分別達到68%和74%。BL-GG 對單一分散紅RR 染料進行脫色時，18 h 后，其脫色率可達到98%，參與脫色的酶經鑒定有藜蘆醇氧化酶、漆酶、絡氨酸酶和NADH-DCIP 還原酶。此實驗證明了聚生體在處理印染廢水中的巨大潛力。Harshad 等[25]通過利用聚生體AP（由赭曲霉NCIM-1146 和假單胞菌SUK1組成）處理偶氮染料寶石紅GFL 和紡織出水，以確定這兩種菌是否有強化脫色能力。實驗表明，在微溶解氧條件下，聚生體AP 顯示了強大脫色率，對染料處理30 h 后脫色率達到95%，紡織出水在35 h內ADMI 去除率為98%，且不產生芳香胺。而單一赭曲霉NCIM-1146 對染料和紡織出水處理效果分別是63%和44%，且伴隨芳香胺的產生。通過這兩個案例說明，細菌和真菌通過他們的相互作用使處理效果更理想。

由上述案例可以看出，混合菌群確實有良好的脫色率和降解效果。很多學者已不僅僅局限于混合菌群的實驗室研究，而是將它與反應器結合起來，以實現混合菌群在工程上的應用和推廣。

2.3 工程菌結合反應器的應用

近年來很多篩選出來的菌群被應用于反應器中，結合反應器的作用，處理大量的印染廢水并達到良好的處理效果。

徐灝龍等[26]開發了復合水解酸化/懸浮生物濾池的印染廢水生化處理工藝，并在此基礎上投加專性脫色菌進行生物強化脫色處理。結果表明，在穩定運行條件下，系統對色度的去除率提高了10%～20%，對色度的總去除率達到80%以上，對COD的去除率達到90%左右。可見，通過生物強化技術提高生化處理的脫色能力是可行的。Imen Khouni等[27]利用一種名為Bx 的新細菌菌群結合SBR 工藝處理一種活性染料廢水，結果表明，在有氧條件下，當體積染料負荷率低于15 g/(m3·d)時，Bx 的脫色率達到88%～97%，COD 去除率達到95%～97%。徐綺坤等[28]研究曝氣生物濾池在印染廢水處理中的應用，試驗表明，在二級生化處理后加一級曝氣生物濾池，COD 可穩定低于80 mg/L，色度低于16倍，二者去除率約50%，出水可直接達一級排放標準。

生物工程菌的構建大大增強了廢水的處理效果，也是生物技術在廢水中成功應用的案例。在了解生物工程菌的處理能力之后，如何優化其性能也是研究者一直探討的問題之一。

2.4 外源物的生物強化作用

工程菌的強化作用已有很多實驗驗證過，在篩選馴化工程菌的基礎上，許多學者通過優化現有處理系統的營養供給，添加基質（底物）類似物來刺激微生物生長或提高工程菌的活力，以對印染廢水的處理進行進一步強化。

周集體課題組[29-33]研究了蒽醌中間體對染料廢水脫色的強化作用。他們考察了醌還原菌群利用6 種蒽醌染料中間體對偶氮染料生物脫色的催化強化作用，結果表明，溴氨酸（1-氨基-4-溴蒽醌-2-磺酸，BAA)的催化強化效果最好；游離態菌群以BAA 作為氧化還原介體可催化強化多種偶氮染料的生物脫色[30]。為了增加其強化作用，他們采用非水溶性蒽醌固定化技術對偶氮染料生物降解促進作用進行了研究，研究結果表明，固定化蒽醌可提高多種偶氮染料生物厭氧脫色速度1.5～2 倍和降低偶氮染料脫色過程氧化還原電位-10～-15 mV；經4 次循環使用后，其加速作用仍保持在90%以上；固定化蒽醌微生物系統具有很強抗氧沖擊能力[32]。

為了考察生物強化是否會對處理系統中原有的生物特性及群落結構產生影響，周集體課題組[34]采用高效菌強化膜生物反應器對溴氨酸廢水進行處理，考察了生物強化前后系統對溴氨酸的降解能力及其內部微生物生理狀態變化。實驗表明，投菌后在進水負荷增加的條件下，上清液和膜出水的溴氨酸脫色率分別約為50%和65%，相應的COD 去除率分別約為25%和50%，和投菌前基本保持一致；TTC-脫氫酶活性和胞外聚合物（EPS）濃度略有波動，但是運行一段時間后即恢復到投菌前水平。群落分析表明高效菌可以在系統中穩定存在，并且不對原菌群結構造成較大影響。

周集體等通過一系列實驗證明了外源物對工程菌的強化作用，并證實了工程菌的加入不會破壞原有系統的結構和特性，從而優化了工程菌，提高了其處理能力。

3 展 望

印染廢水由于組分復雜、色度大、COD 含量高、水質變化大等特性，為對其處理帶來了很大難度。而生物強化工程菌憑借它強大的處理能力、良好的脫色效果和不對原處理系統的群落結構造成影響等優點，在印染廢水處理中占有不可取代的地位。生物工程菌除了可以直接加入處理系統外，還可以在構建時先進行組合，再投入使用，通過菌群之間的相互作用，提高其脫色效果和降解速率。

將生物工程菌投加到反應器中，實現了工程菌與處理工藝的結合，優化了處理工藝。傳統處理工藝本身具有處理量大、負荷承載能力強等優點，加上篩選出具有強大脫色能力的工程菌，整個系統的處理能力顯著增強，同時實現了工程菌在實際應用中的推廣，使得對其各方面性能的研究具有更加重要的實際意義。

在生物強化工程菌處理印染廢水過程中，一些外源物（如營養或底物類似物）的加入優化了工程菌的性能，提高了工程菌的處理印染廢水的能力，進一步強化了對染料的脫色效果。

目前，對生物強化工程菌的脫色已有所研究，也篩選馴化出了很多高效菌群，但是如何進一步強化工程菌，如何將工程菌進一步投產大量使用，如何實現它的價值是以后努力的方向。

[1] 王俊峰，趙英武，毛燕芳. 我國印染廢水處理概況及研究進展[J].中國環保產業，2012：30-33.

[2] Saratale R G，Saratale G D，Chang J S，et al.Bacterial decolorization and degradation of azo dyes：A review[J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers，2011，42（1）：138-157.

[3] Manjinder S K，Harvinder S S，Deepak K S，et al.Decolorization of various azo dyes by bacterial consortium[J]. Dyes and Pigments，2005，67（1）：55-61.

[4] Anjali P，Poonam S，Leela I.Bacterial decolorization and degradation of azo dyes[J]. International Biodeterioration & Biodegradation，2007，59（2）：73-84.

[5] 宋智勇，周集體，王競，等. 偶氮染料廢水的生物脫色研究進展[J].環境科學與技術，2003，26（s1）：78-80.

[6] 韓力平. 生物強化技術在難降解有機物處理中的應用[J]. 環境科學，1999，20（6）：100-102.

[7] 喬琳，趙宏，王建龍. 生物強化去除吡啶的特性及微生物種群動態變化分析[J]. 環境科學，2012，33（6）：2052-2060.

[8] 馬放，郭靜波，趙立軍，等. 生物強化工程菌的構建及其在石化廢水處理中的應用[J]. 環境科學學報，2008，28（5）：885-891.

[9] 金玉潔，金若非，王競，等. 基因工程菌的發酵及偶氮染料脫色研究[J]. 工業安全與環保，2005，31（9）：10-12.

[10] 茍敏，曲媛媛，周集體，等. 活性污泥宏基因組Fosmid 文庫的構建[J]. 華南理工大學學報：自然科學版，2012，40（1）：120-123.

[11] Chen K，Wu J Y，Liou D J，et al.Decolorization of the textile dyes by newly isolated bacterial strains[J]. Journal of Biotechnology，2003，101（1）：57-68.

[12] 樂毅全，朱核光，王士芬. 高效染料脫色菌的分離鑒定及其脫色特性[J]. 上海環境科學，2003，22 （8）：556-558.

[13] 鄒新振，李美真. 活性藍FNR 降解脫色菌的培養及其脫色性能的研究[J]. 染料與染色，2012，49（1）：56-58.

[14] Wang H，Zheng X W，Su J Q，et al.Biological decolorization of the reactive dyes Reactive Black 5 by a novel isolated bacterial strain Enterobacter sp. EC3[J]. Journal of Hazardous Materials，2009，（171）：654-659.

[15] Bella D T，Dinesh G，Sunil K.Decolorization of textile azo dyes by aerobic bacterial consortium[J]. International Biodeterioration &Biodegradation，2009，（63）：462-469.

[16] 李慧，曲媛媛，時勝男，等. 一株高效廣譜染料降解細菌的分離鑒定及其脫色特性初探[J]. 微生物學通報，2011，38（4）：523-530.

[17] Li Tie，James T G. Colour removal from aqueous solutions of metal-complex azo dyesusing bacterial cells of Shewanella strain J18 143[J].Bioresource Technology，2010，101（12）：4291-4295.

[18] 張勝琴，陳必強，楊光，等. 耐堿的偶氮染料脫色菌篩選及其特性研究[J]. 中國生物工程雜志，2010，30（5）：76-80.

[19] 楊清香，賈振杰，李慧君，等. 高效脫色菌群的脫色、產酶及群落分析[J]. 中國環境科學，2007，27（6）：763-767.

[20] Brown M A，de Vito S C. Predicting azo dye toxicity[J]. Critical Reviews in Environmental Sciences and Technology，1993，23（8）：249-324.

[21] Safia M ，Xama K，Datta M. Isolation，characterization and decolorization of textile dyes by a mixed bacterial consortium JW-2[J].Dyes and Pigments，2007，74（3）：723-729.

[22] Taruna J ，Leela I，Karunakar S，et al.Isolation，identification and application of novel bacterial consortiumTJ-1 for the decolourization of structurally different azo dyes[J].Bioresource Technology，2008，99（15）：7115-7121.

[23] Saratale R G，Saratale G D，Kalyani D C，et al. Enhanced decolorization and biodegradation of textile azo dye Scarlet R by using developed microbial consortium-GR[J]. Bioresource Technology，2009，100（9）：2493-2500.

[24] Mayur B K，Tatoba R W，Anuradha N K，et al. Decolorization of textile industry effluent containing disperse dye Scarlet RR by a newly developed bacterial-yeast consortium BL-GG[J]. Chemical Engineering Journal，2012，184（11）：33-41.

[25] Harshad S L ，Tatoba R W ，Avinash A K ，et al. Enhanced biodegradation and detoxification of disperse azo dye Rubine GFL and textile industry effluent by defined fungal-bacterial consortium[J].International Biodeterioration&Biodegradation，2012，72：94-107.

[26] 徐灝龍，白俊躍，章一丹，等. 生物強化脫色處理印染廢水的中試研究[J]. 中國給水排水，2010，26（23）：91-93.

[27] Imen K，Beno M，Raja B A. Treatment of reconstituted textile wastewater containing a reactive dye in an aerobic sequencing batch reactor using a novel bacterial consortium[J]. Separation and Purification Technology，2012，87：110-119.

[28] 徐綺坤，汪曉軍. 曝氣生物濾池在印染廢水處理中的應用[J]. 環境科學與技術，2010，33（6）：177-180.

[29] 焦玲，呂紅，周集體，等. 醌介導染料脫色菌株的分離鑒定及特性[J].中國環境科學，2009，29（2）：191-195.

[30] 蘇妍彥，王競，周集體，等. 蒽醌染料中間體催化強化偶氮染料生物脫色[J]. 環境科學，2008，29（7）：1986-1991.

[31] 王競，蘇妍彥，李麗華，等. 共固定化醌還原菌群與蒽醌促進偶氮染料生物脫色[J]. 大連理工大學學報，2011，51（2）：174-179.

[32] 郭建博，周集體，王棟，等. 固定化蒽醌對偶氮染料生物降解促進作用研究[J]. 環境科學，2006，27（10）：2071-2075.

[33] 方連峰，王競，周集體，等. 醌化合物強化偶氮染料的生物脫色[J].中國環境科學，2007，27（2）：174-178.

[34] 邢林林，王競，曲媛媛，等. 生物強化對MBR 系統生物特性及群落結構的影響[J]. 環境工程學報，2007，1（4）：70-73.