皮革染料生物降解探究(共6930字).doc

皮革染料生物降解探究（共6930字）本文刖S在皮革染色过程中，所用染料并不能被皮革完全吸收，一 部分染料随废水排放而造成污染废水中残存的染料即使浓 度很低，排入水体也会造成水体透光率和气体溶解度降低, 导致生态系统的破坏皮革生产中所用染料种类多、结构复 杂，又多属于难降解物质同时，人工合成的染料通常含有 复杂的芳香环结构，化学稳定性高，还具有一定程度的生物 毒性，尤其是部分染料的降解中间体的毒性强，其排放严重 污染环境近年来随着对高浓度染料废水处理研究的增多, 出现了如光催化、吸附等新型物化处理材料，但对染料的物 化法处理运行成本通常较高，且容易产生二次污染微生物具有繁殖速度快、适应性强等特点，利用高效脱色 微生物进行环境污染整治不仅成本低，且可减少二次污染的 产生，因此，制革厂对含染料废水的处理依然以生物处理方 法为主研究皮革染料的生物降解性对于评估其在生态环境 中的滞留情况以及指导染料的选用具有重要的现实意义，而 且可以为选择合理的染料生物处理方案提供理论依据染料 的种类繁多，按照其发色基团的不同可将其分为偶氮染料、 三苯基甲烷类染料和蔥醍型染料等其中偶氮染料是目前制 革生产中使用最广、用量最大的染料，占染料总用量的70%。

本文以偶氮染料、三苯基甲烷类染料和蔥醍染料的生物降解 机理和脱色酶等为基础，综述了皮革相关染料的生物降解研 究进展，以期为皮革染料生物降解的深入研究乃至工程应用 提供借鉴作用1染料降解菌及脱色路径研究进展1. 1偶氮染料降解菌及脱色路径1. 1. 1偶氮染料的降解菌研究进展偶氮染料是制革生产过程中使用量最大的一类染料，约占 全部染料的70%左右偶氮染料的发色基是偶氮双键，助色 基是氨基、瓮基、甲基和磺酸基等自20世纪70年代末发 现某些可以降解偶氮染料的肠道细菌以来，染料的生物脱色 和降解研究越来越受到学者们的重视，目前已分离出对偶氮 染料具有脱色效应的菌株主要包括芽抱杆菌、黄单胞菌、克 雷伯氏菌等十几个菌属已发现的偶氮脱色菌大多数是在厌 氧条件下非特性还原偶氮键，从而使染料产生脱色OAn-janeya等人［1］从染料污染土壤中提取出了 2种在酸 性间胺黄的生物脱色过程中，均具有一定作用的菌种，分别 为 Bac订lussp. AK1 和 Lysinibac订lussp. AK2许玫英等 人［2］从印染废水活性污泥中分离得到一株脱色希瓦氏菌 (Shewanelladecolorationis)S12,具有高效的染料脱色活 性，该菌株在偶氮染料浓度为50mg/L的培养基中培养4h后, 对染料的去除率达到96%。

好氧条件下对偶氮染料具有还原 脱色能力的菌株近年来也被陆续发现，但这些菌株多较难以 偶氮染料作为唯一碳源和能源进行好氧生长E. Franciscon 等人［3］则将一株兼气性克雷伯氏菌用于微好氧/好氧降解 偶氮染料的工程应用研究也发现了少量能以偶氮染料为唯 一碳源和能源进行好氧生长的菌株，Kul. la等人［4—5］ 从菌群中分离出 XenophilusazovoransKF46F 和 PigmentiphagakullaeK24,它们可分别以偶氮染料竣基橙I 和II为底物进行生长Coughlin等人［6］研究证明了 SphingomonaslCX对几种磺化偶氮染料和低浓度的酸性橙7 具有降解能力然而，目前研究的好氧生物降解偶氮染料多 是在摇床好氧条件下以较大接种量培养，因此这类好氧偶氮 染料脱色效应，实质可能是通过好氧菌对培养基中氧气的大 量消耗，造成局部厌氧条件，从而促进偶氮双键的酶促还原,其偶氮还原的实质仍然是厌氧还原1. 1. 2偶氮染料脱色路径研究进展在偶氮双键断裂的过程中，参与催化的酶通常统称为偶氮 还原酶对于偶氮类化合物在偶氮还原酶催化下的降解机理, 到目前为止研究得并不十分清晰。

过去认为偶氮染料还原生 成芳香胺是一步反应，然而随着研究的深入，有人指出在这 一过程中有可能存在一个反应中间体Chang等人［7］在偶 氮染料Red22脱色研究中，认为这个过程中可能有不完全还 原中间体的存在Nakanishi等人［8］则在偶氮还原酶酶促 动力学研究中发现，在酶促脱色反应中染料和NADH作为双 底物符合乒乓原理通过计量学计算，推导出还原过程可能 存在加氢偶氮苯的中间体严滨等人［9］则以甲基红为底 物，运用紫外光谱、液相色谱与质谱研究了偶氮染料的降解 过程，验证了在偶氮染料还原过程中加氢中间体的存在，提 出甲基红偶氮双键的还原机理，如图1所示在厌氧条件下 细菌的偶氮还原反应，是在非特异性还原酶作用下的电子传 递过程偶氮染料作为末端电子受体，接受从还原中间体传 递来的电子而被还原，细菌可能在这一过程中获得生长所需 的能量1. 2三苯基甲烷染料降解菌及脱色路径研究进展三苯基甲烷染料结构为一个碳原子连有3个苯环，不同染 料的苯环上还带有不同的侧链基团Nelson等人［10］在关 于三苯基甲烷染料龙胆紫和结晶紫的生物毒性研究中发 现:2种染料对中国大颊鼠类的CH0细胞和其它5种哺乳动物 细胞的有丝分裂具有生物毒性。

三苯基甲烷染料对生物细胞 的致癌性和致突变性也被大量研究所证明，而能够对三苯基 甲烷类染料进行初级脱色的微生物种类则多种多样，细菌、 放线真菌以及藻类中不同的属种均发现有脱色菌株20世纪 80年代，Yatome等人［11］分离出能对甲基紫和结晶紫具 有脱色能力的Psendomonaspseudomalleil3NA,经检测其属 于假单胞菌属菌株，同时采用TLC技术对甲基紫和结晶紫的 降解产物进行分离，发现了某些未知产物Yatome等人［12 -13］在后期的研究中，利用TLC和GC-MS技术发现了结 晶紫在枯草杆菌B.subtilisIF013719和放线菌N .corallina 降解作用下的主要代谢产物均为4 , 4 —bisdimenthylaminobenzophenone 和 a —dimethyl ami nophenolChin — HungChen 等人 ［14 ］ 在 Shewanellasp. NT0U1厌氧降解结晶紫的研究中，同样检测 出了上述2种产物这说明细菌降解三苯基甲烷类染料过程 的初步降解机理可能是相同的，见图2而对于三苯基甲烷类染料具有脱色效应的真菌，其脫色降 解酶属于非特异性降解酶系，因此具有脱色效应的真菌多对 三苯基甲烷类染料具有广泛脱色降解作用。

而真菌中木质酶 系对三苯基甲烷类染料的脱色，则主要是通过去甲基化过程 实现的1. 3蔥醍染料降解菌及降解路径研究进展含有蔥醍 结构或多环酮结构的染料称为蔥醍染料，染色具有色泽鲜艳、 固色率高、染色牢度好等众多优点，但因为这种多芳环结构 的高化学稳定性，使其更难降解尽管蔥醍类染料的使用量 仅次于偶氮染料，但目前关于蔥醍染料生物降解的脱色菌和 脱色机理报道很少目前， 女口 Bacillussubtilis 、 Pichiaanomala 禾口 Coriolusversuc订or等部分微生物已被证明对蔥醍染料具 有降解作用，并对蔥醍染料的降解路径进行了初步研究许 玫英等人［2］对脱色希瓦氏菌S12蔥醍染料脫色的研究结 果表明：该菌株先与染料形成絮凝物，使水体中染料浓度迅 速下降，再通过生物降解逐步实现染料的开环降解，该菌株 的脱色关建酶属于组成型表达SaadiaAndleeb等人［15］ 则利用高效液相色谱，对蔥醍染料的真菌降解产物进行了测 定而细菌生物降解蔥醍染料时，通常认为初始阶段通过未 知还原酶的催化作用下还原裂解其共轨键，从而改变其结构 同时染料的脱色还原速率与其醍环取代基性质有很大关系， 取代基的供电性越大，其脱色速率越快。

王晓春等人［16］ 对4种蔥醍酸性染料的细菌脱色能力研究，验证了弱酸艳绿 5G的脫色降解主要靠胞内酶的酶促作用2染料生物降解的脱色酶研究进展2. 1偶氮还原酶研究进展厌氧条件下进行的偶氮还原反应过程的底物的专一性很低, 多种还原性中间介质均能还原偶氮化合物早期研究认为， 细菌经由还原酶催化产生的黄素对偶氮染料进行非特性的 还原断键，同时由于强极性的染料难以穿透细胞膜，因此细 胞提取物对偶氮化合物的厌氧还原速率通常比完整细胞更 快，这种机理模型认为黄素还原酶即是文献上泛指的偶氮还 原酶而另一种机理模型则认为细菌厌氧还原偶氮染料这一 过程，并不需要偶氮染料或是还原黄素传递穿过细胞膜 Keck 等人［17］在 Sphingomonasxenopha-gaBN6 的偶氮染料 脱色机理研究中则发现，细胞中存在2套偶氮还原酶系统， 一套是位于细胞质中的黄素氧化还原酶，还有一套是蔥醍类 化合物（2, 6—双磺酸蔥醍），其在偶氮染料非特异性还原过 程中，起到一种氧化还原介质的功能，该物质通过细胞膜上 的蔥醍还原酶还原生成疑基蔥醍，从而还原基质中的偶氮染 料泛醍氧化还原酶AQS能显著提高细菌的厌氧偶氮还原率， 但对细胞提取物影响不大，此反应机理如图3所示。

发现从肠道分离出的严格厌氧偶氮脱色菌的偶氮还原过程, 不需要穿过细胞膜NAM等人［19］则发现NADH在无偶氮还 原酶存在的情况下，也可自身通过四电子方式将几种偶氮染 料还原为相应的芳香胺Run等人［20］从大肠杆菌中分离 出一种NADH依赖性的lawsone还原酶，分析表明:lawsone 还原酶就是氧不敏感的硝酸还原酶NfsB,在基质中添加 lawsone能显著提高不同磺化偶氮染料的还原脱色效率 Maier等人［21］报道从芽砲杆菌SF中可提取出一种具有耐 碱、耐热性的偶氮还原酶，属于NADH依赖性还原酶，厌氧 条件下添加黄素腺卩票吟二核昔酸二钠盐(FAD),可有效促进 酶的脱色活性许玫英等人［2］则对脱色希瓦氏菌S12的 脱色酶位置进行测定，研究发现:S12T脱色酶属于组成型表 达的胞内酶，不需要通过与底物接触而诱导产生该酶位于 细胞膜内，对分子氧本身并不敏感，但须在厌氧条件下才显 示出脱色活性细胞膜上脱色酶的脱色活性与FAD的量成正 相关，加入NADH可进一步增强FAD对脱色酶活性的促进作 用另外，近几年研究也发现了几种好氧偶氮还原酶，通过对 其纯化、特征分析得到了它们的基因序列，对其序列分析表 明，好氧偶氮还原酶之间不具有明显的同源性。

表明，这几 种蛋白质是按不同进化方式成为具有偶氮还原活性的酶，而 好氧条件下偶氮键的代谢不能限制偶氮复合物的降解对于 好氧条件下的偶氮生物还原，基本认为是由特异性酶催化完 成的尽管在有氧条件下，一种好氧的偶氮还原酶能降解几 种偶氮染料，但每一种酶对染料催化脱色具有不同的特异性 例 如, 从 Xenophi-lusazovoransKF46F 和 Pigmentiphagaku 11 aeK24分别分离纯化得到的竣基橙I偶 氮还原酶和竣基橙II偶氮还原酶，都是单体非黄素依赖性还 原酶，并且NADPH是其最适辅助因子，但竣基橙I还原偶氮 酶要求偶氮键的B位上为竣基，而竣基橙II偶氮还原酶则 严格要求在偶氮键的a位上为竣基基团［4 — 5］2. 2木质酶系脱色酶的研究进展由于真菌脱色降解酶属于非特异性降解酶系，真菌多表现 为对多种染料具有脱色效应，对染料具有广谱性降解作用 例如，黄抱原毛平革菌，其降解酶属于木质素降解体系其 降解过程中的关键氧化酶主要为LiP和MnP对于大部分染 料，LiP的降解机理主要为直接氧化导致C—C键断裂、芳香 环开环、竣基化、节基醇化、去甲基化、羟基化和二聚化等LiP对染料的催化降解机理如图4所示。

研究表明:LiP以VA 为中间电子递体，VA是LiP酶合成诱导物，添加一定量VA 可较大促进染料的脱色效应MnP的降解机理与LiP类似， 也产生2种酶的中间体MnP I和MnP II,而MnP以Mn2+为中 间电子递体［22］Bonnarnle等人［23］。