皮革染料生物降解探究
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本文作者：鄭力文、李彥春、吳渝玉、陳玉峰、劉潔 單位：山東輕工業(yè)學(xué)院
前言
在皮革染色過程中，所用染料并不能被皮革完全吸收，一部分染料隨廢水排放而造成污染。廢水中殘存的染料即使?jié)舛群艿停湃胨w也會(huì)造成水體透光率和氣體溶解度降低，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的破壞。皮革生產(chǎn)中所用染料種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又多屬于難降解物質(zhì)。同時(shí)，人工合成的染料通常含有復(fù)雜的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，化學(xué)穩(wěn)定性高，還具有一定程度的生物毒性，尤其是部分染料的降解中間體的毒性強(qiáng)，其排放嚴(yán)重污染環(huán)境。近年來隨著對(duì)高濃度染料廢水處理研究的增多，出現(xiàn)了如光催化、吸附等新型物化處理材料，但對(duì)染料的物化法處理運(yùn)行成本通常較高，且容易產(chǎn)生二次污染。
微生物具有繁殖速度快、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，利用高效脫色微生物進(jìn)行環(huán)境污染整治不僅成本低，且可減少二次污染的產(chǎn)生，因此，制革廠對(duì)含染料廢水的處理依然以生物處理方法為主。研究皮革染料的生物降解性對(duì)于評(píng)估其在生態(tài)環(huán)境中的滯留情況以及指導(dǎo)染料的選用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且可以為選擇合理的染料生物處理方案提供理論依據(jù)。染料的種類繁多，按照其發(fā)色基團(tuán)的不同可將其分為偶氮染料、三苯基甲烷類染料和蒽醌型染料等。其中偶氮染料是目前制革生產(chǎn)中使用最廣、用量最大的染料，占染料總用量的70%。本文以偶氮染料、三苯基甲烷類染料和蒽醌染料的生物降解機(jī)理和脫色酶等為基礎(chǔ)，綜述了皮革相關(guān)染料的生物降解研究進(jìn)展，以期為皮革染料生物降解的深入研究乃至工程應(yīng)用提供借鑒作用。
1染料降解菌及脫色路徑研究進(jìn)展
1．1偶氮染料降解菌及脫色路徑
1．1．1偶氮染料的降解菌研究進(jìn)展
偶氮染料是制革生產(chǎn)過程中使用量最大的一類染料，約占全部染料的70%左右。偶氮染料的發(fā)色基是偶氮雙鍵，助色基是氨基、羥基、甲基和磺酸基等。自20世紀(jì)70年代末發(fā)現(xiàn)某些可以降解偶氮染料的腸道細(xì)菌以來，染料的生物脫色和降解研究越來越受到學(xué)者們的重視，目前已分離出對(duì)偶氮染料具有脫色效應(yīng)的菌株主要包括芽孢桿菌、黃單胞菌、克雷伯氏菌等十幾個(gè)菌屬。已發(fā)現(xiàn)的偶氮脫色菌大多數(shù)是在厭氧條件下非特性還原偶氮鍵，從而使染料產(chǎn)生脫色。OAn-janeya等人［1］從染料污染土壤中提取出了2種在酸性間胺黃的生物脫色過程中，均具有一定作用的菌種，分別為Bacillussp．AK1和Lysinibacillussp．AK2。許玫英等人［2］從印染廢水活性污泥中分離得到一株脫色希瓦氏菌(Shewanelladecolorationis)S12，具有高效的染料脫色活性，該菌株在偶氮染料濃度為50mg/L的培養(yǎng)基中培養(yǎng)4h后，對(duì)染料的去除率達(dá)到96%。好氧條件下對(duì)偶氮染料具有還原脫色能力的菌株近年來也被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，但這些菌株多較難以偶氮染料作為唯一碳源和能源進(jìn)行好氧生長。E．Franciscon等人［3］則將一株兼氣性克雷伯氏菌用于微好氧/好氧降解偶氮染料的工程應(yīng)用。研究也發(fā)現(xiàn)了少量能以偶氮染料為唯一碳源和能源進(jìn)行好氧生長的菌株，Kul．la等人［4－5］從菌群中分離出XenophilusazovoransKF46F和PigmentiphagakullaeK24，它們可分別以偶氮染料羧基橙Ⅰ和Ⅱ?yàn)榈孜镞M(jìn)行生長。Coughlin等人［6］研究證明了Sphingomonas1CX對(duì)幾種磺化偶氮染料和低濃度的酸性橙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搖床好氧條件下以較大接種量培養(yǎng)，因此這類好氧偶氮染料脫色效應(yīng)，實(shí)質(zhì)可能是通過好氧菌對(duì)培養(yǎng)基中氧氣的大量消耗，造成局部厭氧條件，從而促進(jìn)偶氮雙鍵的酶促還原，其偶氮還原的實(shí)質(zhì)仍然是厭氧還原。
1．1．2偶氮染料脫色路徑研究進(jìn)展
在偶氮雙鍵斷裂的過程中，參與催化的酶通常統(tǒng)稱為偶氮還原酶。對(duì)于偶氮類化合物在偶氮還原酶催化下的降解機(jī)理，到目前為止研究得并不十分清晰。過去認(rèn)為偶氮染料還原生成芳香胺是一步反應(yīng)，然而隨著研究的深入，有人指出在這一過程中有可能存在一個(gè)反應(yīng)中間體。Chang等人［7］在偶氮染料Red22脫色研究中，認(rèn)為這個(gè)過程中可能有不完全還原中間體的存在。Nakanishi等人［8］則在偶氮還原酶酶促動(dòng)力學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，在酶促脫色反應(yīng)中染料和NADH作為雙底物符合乒乓原理。通過計(jì)量學(xué)計(jì)算，推導(dǎo)出還原過程可能存在加氫偶氮苯的中間體。嚴(yán)濱等人［9］則以甲基紅為底物，運(yùn)用紫外光譜、液相色譜與質(zhì)譜研究了偶氮染料的降解過程，驗(yàn)證了在偶氮染料還原過程中加氫中間體的存在，提出甲基紅偶氮雙鍵的還原機(jī)理，如圖1所示。在厭氧條件下細(xì)菌的偶氮還原反應(yīng)，是在非特異性還原酶作用下的電子傳遞過程。偶氮染料作為末端電子受體，接受從還原中間體傳遞來的電子而被還原，細(xì)菌可能在這一過程中獲得生長所需的能量。
1．2三苯基甲烷染料降解菌及脫色路徑研究進(jìn)展
三苯基甲烷染料結(jié)構(gòu)為一個(gè)碳原子連有3個(gè)苯環(huán)，不同染料的苯環(huán)上還帶有不同的側(cè)鏈基團(tuán)。Nelson等人［10］在關(guān)于三苯基甲烷染料龍膽紫和結(jié)晶紫的生物毒性研究中發(fā)現(xiàn):2種染料對(duì)中國大頰鼠類的CHO細(xì)胞和其它5種哺乳動(dòng)物細(xì)胞的有絲分裂具有生物毒性。三苯基甲烷染料對(duì)生物細(xì)胞的致癌性和致突變性也被大量研究所證明，而能夠?qū)θ交淄轭惾玖线M(jìn)行初級(jí)脫色的微生物種類則多種多樣，細(xì)菌、放線真菌以及藻類中不同的屬種均發(fā)現(xiàn)有脫色菌株。20世紀(jì)80年代，Yatome等人［11］分離出能對(duì)甲基紫和結(jié)晶紫具有脫色能力的Psendomonaspseudomallei13NA，經(jīng)檢測其屬于假單胞菌屬菌株，同時(shí)采用TLC技術(shù)對(duì)甲基紫和結(jié)晶紫的降解產(chǎn)物進(jìn)行分離，發(fā)現(xiàn)了某些未知產(chǎn)物。Yatome等人［12－13］在后期的研究中，利用TLC和GC－MS技術(shù)發(fā)現(xiàn)了結(jié)晶紫在枯草桿菌B．subtilisIF013719和放線菌N．corallina降解作用下的主要代謝產(chǎn)物均為4，4’－bisdimenthylaminobenzophenone和α－dimethylaminophenol。Chin－HungChen等人［14］在Shewanellasp．NTOU1厭氧降解結(jié)晶紫的研究中，同樣檢測出了上述2種產(chǎn)物。這說明細(xì)菌降解三苯基甲烷類染料過程的初步降解機(jī)理可能是相同的，見圖2。
而對(duì)于三苯基甲烷類染料具有脫色效應(yīng)的真菌，其脫色降解酶屬于非特異性降解酶系，因此具有脫色效應(yīng)的真菌多對(duì)三苯基甲烷類染料具有廣泛脫色降解作用。而真菌中木質(zhì)酶系對(duì)三苯基甲烷類染料的脫色，則主要是通過去甲基化過程實(shí)現(xiàn)的。1．3蒽醌染料降解菌及降解路徑研究進(jìn)展含有蒽醌結(jié)構(gòu)或多環(huán)酮結(jié)構(gòu)的染料稱為蒽醌染料，染色具有色澤鮮艷、固色率高、染色牢度好等眾多優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)檫@種多芳環(huán)結(jié)構(gòu)的高化學(xué)穩(wěn)定性，使其更難降解。盡管蒽醌類染料的使用量僅次于偶氮染料，但目前關(guān)于蒽醌染料生物降解的脫色菌和脫色機(jī)理報(bào)道很少。
目前，如Bacillussubtilis、Pichiaanomala和Coriolusversucilor等部分微生物已被證明對(duì)蒽醌染料具有降解作用，并對(duì)蒽醌染料的降解路徑進(jìn)行了初步研究。許玫英等人［2］對(duì)脫色希瓦氏菌S12蒽醌染料脫色的研究結(jié)果表明:該菌株先與染料形成絮凝物，使水體中染料濃度迅速下降，再通過生物降解逐步實(shí)現(xiàn)染料的開環(huán)降解，該菌株的脫色關(guān)建酶屬于組成型表達(dá)。SaadiaAndleeb等人［15］則利用高效液相色譜，對(duì)蒽醌染料的真菌降解產(chǎn)物進(jìn)行了測定。而細(xì)菌生物降解蒽醌染料時(shí)，通常認(rèn)為初始階段通過未知還原酶的催化作用下還原裂解其共軛鍵，從而改變其結(jié)構(gòu)。同時(shí)染料的脫色還原速率與其醌環(huán)取代基性質(zhì)有很大關(guān)系，取代基的供電性越大，其脫色速率越快。王曉春等人［16］對(duì)4種蒽醌酸性染料的細(xì)菌脫色能力研究，驗(yàn)證了弱酸艷綠5G的脫色降解主要靠胞內(nèi)酶的酶促作用。
2染料生物降解的脫色酶研究進(jìn)展
2．1偶氮還原酶研究進(jìn)展
厭氧條件下進(jìn)行的偶氮還原反應(yīng)過程的底物的專一性很低，多種還原性中間介質(zhì)均能還原偶氮化合物。早期研究認(rèn)為，細(xì)菌經(jīng)由還原酶催化產(chǎn)生的黃素對(duì)偶氮染料進(jìn)行非特性的還原斷鍵，同時(shí)由于強(qiáng)極性的染料難以穿透細(xì)胞膜，因此細(xì)胞提取物對(duì)偶氮化合物的厭氧還原速率通常比完整細(xì)胞更快，這種機(jī)理模型認(rèn)為黃素還原酶即是文獻(xiàn)上泛指的偶氮還原酶。而另一種機(jī)理模型則認(rèn)為細(xì)菌厭氧還原偶氮染料這一過程，并不需要偶氮染料或是還原黃素傳遞穿過細(xì)胞膜。Keck等人［17］在Sphingomonasxenopha-gaBN6的偶氮染料脫色機(jī)理研究中則發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞中存在2套偶氮還原酶系統(tǒng)，一套是位于細(xì)胞質(zhì)中的黃素氧化還原酶，還有一套是蒽醌類化合物(2，6－雙磺酸蒽醌)，其在偶氮染料非特異性還原過程中，起到一種氧化還原介質(zhì)的功能，該物質(zhì)通過細(xì)胞膜上的蒽醌還原酶還原生成羥基蒽醌，從而還原基質(zhì)中的偶氮染料。泛醌氧化還原酶AQS能顯著提高細(xì)菌的厭氧偶氮還原率，但對(duì)細(xì)胞提取物影響不大，此反應(yīng)機(jī)理如圖3所示。
發(fā)現(xiàn)從腸道分離出的嚴(yán)格厭氧偶氮脫色菌的偶氮還原過程，不需要穿過細(xì)胞膜。NAM等人［19］則發(fā)現(xiàn)NADH在無偶氮還原酶存在的情況下，也可自身通過四電子方式將幾種偶氮染料還原為相應(yīng)的芳香胺。Run等人［20］從大腸桿菌中分離出一種NADH依賴性的lawsone還原酶，分析表明:lawsone還原酶就是氧不敏感的硝酸還原酶NfsB，在基質(zhì)中添加lawsone能顯著提高不同磺化偶氮染料的還原脫色效率。Maier等人［21］報(bào)道從芽孢桿菌SF中可提取出一種具有耐堿、耐熱性的偶氮還原酶，屬于NADH依賴性還原酶，厭氧條件下添加黃素腺嘌呤二核苷酸二鈉鹽(FAD)，可有效促進(jìn)酶的脫色活性。許玫英等人［2］則對(duì)脫色希瓦氏菌S12的脫色酶位置進(jìn)行測定，研究發(fā)現(xiàn):S12T脫色酶屬于組成型表達(dá)的胞內(nèi)酶，不需要通過與底物接觸而誘導(dǎo)產(chǎn)生。該酶位于細(xì)胞膜內(nèi)，對(duì)分子氧本身并不敏感，但須在厭氧條件下才顯示出脫色活性。細(xì)胞膜上脫色酶的脫色活性與FAD的量成正相關(guān)，加入NADH可進(jìn)一步增強(qiáng)FAD對(duì)脫色酶活性的促進(jìn)作用。
另外，近幾年研究也發(fā)現(xiàn)了幾種好氧偶氮還原酶，通過對(duì)其純化、特征分析得到了它們的基因序列，對(duì)其序列分析表明，好氧偶氮還原酶之間不具有明顯的同源性。表明，這幾種蛋白質(zhì)是按不同進(jìn)化方式成為具有偶氮還原活性的酶，而好氧條件下偶氮鍵的代謝不能限制偶氮復(fù)合物的降解。對(duì)于好氧條件下的偶氮生物還原，基本認(rèn)為是由特異性酶催化完成的。盡管在有氧條件下，一種好氧的偶氮還原酶能降解幾種偶氮染料，但每一種酶對(duì)染料催化脫色具有不同的特異性。例如，從Xenophi-lusazovoransKF46F和PigmentiphagakullaeK24分別分離純化得到的羧基橙Ⅰ偶氮還原酶和羧基橙Ⅱ偶氮還原酶，都是單體非黃素依賴性還原酶，并且NADPH是其最適輔助因子，但羧基橙Ⅰ還原偶氮酶要求偶氮鍵的β位上為羧基，而羧基橙Ⅱ偶氮還原酶則嚴(yán)格要求在偶氮鍵的α位上為羧基基團(tuán)［4－5］。
2．2木質(zhì)酶系脫色酶的研究進(jìn)展
由于真菌脫色降解酶屬于非特異性降解酶系，真菌多表現(xiàn)為對(duì)多種染料具有脫色效應(yīng)，對(duì)染料具有廣譜性降解作用。例如，黃孢原毛平革菌，其降解酶屬于木質(zhì)素降解體系。其降解過程中的關(guān)鍵氧化酶主要為LiP和MnP。對(duì)于大部分染料，LiP的降解機(jī)理主要為直接氧化導(dǎo)致C—C鍵斷裂、芳香環(huán)開環(huán)、羧基化、芐基醇化、去甲基化、羥基化和二聚化等。LiP對(duì)染料的催化降解機(jī)理如圖4所示。研究表明:LiP以VA為中間電子遞體，VA是LiP酶合成誘導(dǎo)物，添加一定量VA可較大促進(jìn)染料的脫色效應(yīng)。MnP的降解機(jī)理與LiP類似，也產(chǎn)生2種酶的中間體MnPⅠ和MnPⅡ，而MnP以Mn2+為中間電子遞體［22］。Bonnarnle等人［23］研究表明:Mn2+對(duì)MnP合成起調(diào)節(jié)作用，基質(zhì)中不添加Mn2+，MnP幾乎不合成，而Mn2+濃度在0～40mg/L間時(shí)，濃度越高越利于MnP的合成。由于這2種過氧化物酶只提供電子的轉(zhuǎn)移而不是直接與化合物結(jié)合，從而使該類菌具有廣泛的脫色降解作用，而且不易受化合污染物的毒性影響。研究證明:木質(zhì)酶系中的漆酶也對(duì)染料具有廣泛的脫色作用，其為一種以O(shè)2為電子受體的含銅蛋白質(zhì)，能經(jīng)4次單電子傳遞催化多酚化合物，形成醌和自由基，再以鏈?zhǔn)椒磻?yīng)傳遞自由基以氧化底物，從而使染料脫色［22］。同時(shí)研究還證明，在基質(zhì)中添加一定的小分子氧化還原介體，有助于漆酶的催化脫色作用［24］。
2．3脫色還原酶TMR的研究進(jìn)展
Moon－SunJang等人［25］從對(duì)三苯基甲烷類染料具有脫色效應(yīng)的Citrobactersp．strainKCTC18061P中分離純化出還原酶TMR，經(jīng)分析該酶由2個(gè)31kDa分子質(zhì)量的亞基組成的同型二聚體。還原酶TMR為NAD(P)H依賴型還原酶且具有底物特異性，并在60℃和pH值9．0條件下酶催化活性最大。根據(jù)紫外－可見光譜分析和薄層色譜法測定，TMR是通過去甲基化反應(yīng)催化三苯基甲烷類染料脫色，因此對(duì)于無烷基側(cè)鏈的三苯基甲烷類染料不具有催化活性。對(duì)還原酶的氨基酸序列進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該酶的N端序列與NAD(P)H依賴型酶具有很高的同源性，即包含有核苷酸結(jié)合基序“GXXGXXG”。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，將序列中的3個(gè)甘氨酸分別用丙氨酸替代，酶促脫色效率均有不同程度的降低，說明這3個(gè)甘氨酸在酶與底物和輔酶的結(jié)合上均具有不同作用，并都與酶活相關(guān)。
2．4其它脫色酶的研究進(jìn)展
除上述脫色酶外，SeongJunKim等人［26］研究還發(fā)現(xiàn)了一種糖蛋白的過氧化酶(DyP)，其對(duì)21種不同類型染料中的9種染料(主要為蒽醌類顏料)具有脫色效應(yīng)，同時(shí)2，6－二甲氧基和愈創(chuàng)木酚可作為DyP合成的誘導(dǎo)物。另外，從小鼠肝臟微粒體中提取的細(xì)胞色素P450單氧加氫酶，對(duì)染料也具有脫色作用，其催化過程可被CO和甲吡酮所抑制。研究發(fā)現(xiàn):甲吡酮能抑制部分真菌對(duì)三苯甲基類染料的脫色效應(yīng)［27］，因此，細(xì)胞色素P450單氧加氫酶也可能參與了真菌的脫色作用。任隨周等人［28］從嗜水性單胞菌DN322中分離純化出一種對(duì)三苯基甲烷類染料具有高效脫色效應(yīng)的NAD(P)H依賴型氧化酶，命名為TpmD，研究發(fā)現(xiàn)，甲吡酮及維生素C(VC)對(duì)該酶活性具有明顯抑制作用。張培培等人［29］對(duì)有機(jī)溶劑和抑制劑對(duì)TpmD酶活的影響進(jìn)行了進(jìn)一步研究，結(jié)果表明:乙醇、丙酮和SDS均會(huì)使TpmD的酶活迅速喪失，而低濃度(＜10%)的二甲基亞砜則有利于重組酶活性的維持，同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)二硫蘇糖醇(DDT)可取代NADH作為TpmD的輔酶，并且催化脫色效率有明顯提高，而脫色產(chǎn)物的全譜掃描分析表明，DDT輔助TpmD酶促脫色機(jī)理與NADH作為輔酶的機(jī)理表觀是完全不同的，氧化酶TpmD的脫色機(jī)理有待進(jìn)一步研究。
3皮革染料生物降解性研究展望
隨著綠色化學(xué)的理念成功引入皮革化學(xué)品的分子設(shè)計(jì)中，近幾年對(duì)于各類皮革化學(xué)品結(jié)構(gòu)與生物降解性相關(guān)性的研究開始增加。染料作為制革廢水中主要難降解有機(jī)污染物之一，對(duì)其生物降解性能的研究也是重點(diǎn)工作之一。張文軍等人［30］對(duì)5種皮革常用染料的好氧生物降解性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:好氧條件下活性污泥對(duì)5種染料的脫色效應(yīng)較低，主要依賴菌膠體的吸附作用。染料及其降解中間體多不能被生物好氧降解，但在厭氧條件下卻能被降解或部分降解，并改變其分子結(jié)構(gòu)，使其成為易于好氧生物降解的有機(jī)物。因此，對(duì)于皮革染料而言，應(yīng)主要集中于厭氧條件下的生物降解性能研究，探索染料結(jié)構(gòu)與厭氧降解效應(yīng)的一般關(guān)系。
同時(shí)，染料生物降解效率較低，一方面是因?yàn)槲⑸镙^難以其為唯一碳源進(jìn)行生長，另一方面則因?yàn)閱位|(zhì)中缺乏脫色酶的誘導(dǎo)物，因此，基質(zhì)的組分對(duì)染料生物降解的影響較大。皮革行業(yè)應(yīng)側(cè)重于基質(zhì)對(duì)染料生物降解的影響效應(yīng)研究，并結(jié)合自身工業(yè)廢水特點(diǎn)，尋找有利于染色廢水脫色的共基質(zhì)降解物質(zhì)。例如，制革生產(chǎn)過程中，復(fù)鞣染色加脂工序通常是同浴進(jìn)行，而加脂劑作為易降解物質(zhì)，可為染料降解菌的生長提供有效的碳源和能源，同時(shí)，加脂劑的降解過程可快速消耗水體中的溶解氧，從而形成厭氧的微環(huán)境促進(jìn)染料的厭氧脫色。另外，乳化成分則可促進(jìn)水體底部的氣質(zhì)傳遞，本課題組前期試驗(yàn)研究已證明:氧化－亞硫酸化牛蹄油在靜置培養(yǎng)下，對(duì)酸性品紅和酸性大紅的生物脫色具有明顯效用，其促進(jìn)機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。復(fù)鞣工序中常用的植物鞣劑和苯磺酸類合成鞣制，其生物降解過程中所產(chǎn)生的部分中間體，可誘導(dǎo)真菌過氧化酶的產(chǎn)生，從而具有提高制革染色廢水生物脫色效率的可能性。
