白腐菌在环境污染治理方面的应用研究概述

白腐菌在环境污染治理方面的应用研究概述

作者：方金涛

指导老师：夏敏

摘要：白腐菌是一种特殊的真菌，通过分泌特殊酶系统能降解多种污染物质、多种人工合成的染料，具有彻底、高效、无专一性的特点，是一种新兴的废水处理技术。文章就近几年来国内对白腐菌处理环境中存在废水的研究现状进行了综述。展望了白腐菌在废水处理方面的应用前景。

关键词：白腐菌；污染物质；染料废水

0 引言：

近年来，环境污染日益严重，其中水污染是重要因素之一，它严重地影响了人们的身体健康和生活质量。印染行业、造纸行业都是用水大户，随着工业的迅速发展，染料品种和数量不断增加，目前我国产量已达到150000t，位居世界前列，其中约有10%-15%的染料随废水排入环境，对环境造成严重的污染，这也意味着对染料的生产及使用中产生的废水的处理难度加大。随着人们环境保护意识的增强和国家对环境保护力度的加强，染料污染物排放标准的制定，这使染料废水的排放更加规范化，并对该类废水的处理要求更加严格。因此有关废水的有效处理及对环境"人体影响研究也得到很多研究者的关注。

1、白腐菌的生物学特征

白腐菌属于担子菌纲，腐生在木材或死树桩上，引起木质腐烂，故此得名[1]其菌丝体为多核，少有隔膜，无锁状联合!多核的分生孢子常为异核，但孢子是同核体，存在同宗配合和异宗配合两种交配系统。它是整个碳素循环的中心，是已知的唯一能在纯系培养中将木质素降解成CO2和H2O的一类微生物[2]白腐菌种类很多，其中典型的有:黄孢原毛平革菌、特罗格粗毛盖菌、变色栓菌等。目前研究比较深入的是黄孢原毛平革菌。

2、白腐菌对废水的降解机理

2.1 白腐菌对染料废水的降解机理

白腐菌的降解活动发生在次级代谢过程.在培养基中营养物限制情况下，菌体细胞内会形成一系列酶系。首先产生H2O2的氧化酶，如胞内的葡萄糖氧化酶和胞外的乙二醛氧化酶。这些氧化酶在分子氧的参与下，氧化相应底物，而形成H2O2，H2O2激活相应的过氧化物酶，过氧化物酶是反应启动者，先形成高度活性的自由基中间体，然后以链反应方式产生许多不同自由基，促使底物氧化。其中比较重要的有LiP和MnP。LiP是一系列含有Fe(Ⅲ)-卟啉环(Ⅸ)血红素辅基的同功酶，能通过单电子氧化并引起一系列自由基反应。催化氧化富含电子的非酚类芳香族底物。而mnp是一系列血红素的同功酶，能催化氧化酚类"胺类等底物。此外，还有漆酶"还原酶"蛋白酶及其他酶的产生。从总体来看，白腐菌的降解机制就是产生H2O2的氧化酶和需要H2O2的过氧化物酶，形成一个有多种酶组成的降解系统，然后由酶启动一系列自由基链式反应降解底物。

2.2 白腐菌对造纸废水中木质素的降解

白腐菌是一类能够引起木质白色腐烂的丝状真菌。迄今的研究结果表明，白腐菌是整个碳素循环的中心，能够将木质素彻底分解为CO2和H2O据目前相关资料记载白腐菌有46属1000多种，主要分布在革盖菌属、多孔菌属、原毛平革菌属、侧耳菌属和层孔菌属等。木质素是植物的主要成分之一，是细胞间层和初生壁的主要填充物质，主要由C、H、O 3种元素组成，还有极少量的N，是由苯丙烷类化合物通过碳碳键和醚键形成的复杂高聚物，具有三维立体结构, 组成单元的结构及其连接键复杂且稳定, 非常难降解，并且木质素与半纤维素和纤维素紧密结合，阻碍了半纤维素和纤维素的降解。自然界中真菌和细菌对木质素具有一定的降解作用。细菌的降解能力弱于真菌，因此近十几年来人们更广泛研究真菌对木质素的降解。白腐菌是真菌中对木质素降解较强的一类菌，对木质素的降解是非专一的、非水解的、胞外的次生代谢过程。白腐菌对木质素的降解主要依赖一些酶的产量和分泌物，这些酶主要由H2O2产生酶系、氧化木素酶系、纤维二糖/醌还原酶系、CBQ和CBO酶系以及芳香环开裂酶系。其中最有效的是氧化木素酶系，包括木素过氧化物酶(LiP)、锰过氧化物酶(MnP)和漆酶(Laccase)等。

木素过氧化物酶(LiP)对木质素降解机理LiP是含有卟啉环(IX)、Fe3+和血红素辅基的同工酶，以H2O2为电子受体，其活性与藜芦醇(V A)有关。LiP在自然状态下含有Fe3+离子，被H2O2氧化后形成LiPⅠ，LiP Ⅰ经单电子还原形成LiPⅡ，LiPⅡ再经一次单电子还原到自然状态，完成一次催化过程。LiPⅠ的氧化还原电位很高，能催化木质素中酚型或非酚型芳香化合物的芳香环发生单电子氧化，形成阳离子活性基，然后发生一系列的非酶促裂解反应，实现氧化过程[3-5]。LiP降解木质素的机理如图1.

锰过氧化物酶(MnP)对木质素降解机理MnP是最普遍的木质素降解过氧化物酶，与LiP一样具有一系列同工酶。MnP同工酶与LiP同工酶的不同之处在于MnP同工酶不发生磷酸化。与LiP一样，MnP以H2O2为电子受体，但MnP绝对需要MnⅡ作为还原性底物。MnP被H2O2氧化后形成3价锰离子Mn3+，Mn3+被由白腐菌分泌的有机酸螯合剂固定。Mn3+从酶的活性位点释放出来，变成一种可扩散的、分子质量较低的氧化还原调节剂，或直接将木质素单元氧化成对应的自由基，或在共氧化剂的协助下，将非酚型芳香族化合物氧化成相应的自由基，然后发生一系列的反应，实现对木质素的降解[6]。MnP降解木质素机理如图2.

漆酶对木质素降解机理Laccase(对苯二酚)是一种多铜过氧化酶。目前认为真菌特别是白腐菌产生的漆酶降解木质素效果最佳。白腐菌产生的漆酶具有广泛的底物作用范围，能氧化酚类和芳香类化合物，在氧化还原介质存在情况下，还能氧化一些非酚类和异生类物质。Laccase 以O2为电子受体，其活性受Cu2+的调控。对于木质素类型的化合物，漆酶催化反应主要是在芳香环开裂、脱除甲氧基和Cα-氧化等部位[7]。漆酶电子受体氧被氧化为水，在BTS的作用下，实现木质素的降解，氧化的ABTS自由基的形式在漆酶分子与木质素分子间传递电子，形成完整氧化还原过程[8-9]。Laccase对木质素降解机理如图3.

最新研究发现，在有氧的情况下，漆酶催化酚型化合物脱去羟基上的电子或质子形成自由基，从而导致酚型木质素侧链脱氧、脱羧，造成碳碳键断裂。与LiP和MnP 不同的是完成氧化反应不需要H2O2。

3、白腐菌在环境污染治理方面的应用

3.1、处理造纸废水

造纸废水中主要含有难降解的木质素及其衍生物等，能引起水体污染和生态环境的严重破坏，而日益受到高度的重视。一般的物化法、生物法等对废水中的木质素去除率很低。白腐菌是自然界降解木素最有效的一类微生物，它能产生木素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶降解木素。因此白腐菌大量应用于造纸废水的处理，对其处理效果的研究也较多。

刘波等[10]探索了产酸白腐菌处理碱性造纸黑液的机制。用该菌处理碱性造纸黑液5d以后，pH值降低，COD去除率为73%，黑液中固形物与可溶木质素随着时间增加。研究结果表明，黑液碱性是影响产酸白腐菌生长的限制因子之一，产酸白腐菌可以通过产酸代谢调节黑液碱性以适应与改变环境，同时通过木质素酸析及吸附效应降低黑液COD，此时，白腐菌对黑液中木素降解作用处于次要地位，说明使用产酸白腐菌进行造纸黑液的处理具有明显环境效应与巨大的潜力。张燕等[11]用紫外灯对白腐菌照射处理，研究其变异前后对造纸黑液里的木素降解效果，发现照射10min，白腐菌的降解率可达最高，比未变异菌悬液处理木素溶液降解率高出10%~20%，从而说明了变异从一定程度上可以提高白腐菌处理造纸黑液的能力。由以上研究可以看出，白腐菌具有的特有降解机制能很好地净化造纸废水。微生物固定化技术的发展及酶的工业化生产，将大大促进白腐菌在造纸工业废水中的应用。但在实际应用方面，仍然存在很多问题。如白腐菌在处理过程的最大困难是难以迅速、大量地发酵产生木素降解酶，导致废水处理的周期较长；白腐菌在降解木素的同时也伴随有纤维素的降解，这将影响纸张的强度性能。

3.2 处理印染废水

印染废水具有色度高、生化性菌体吸附染料特性、影响因素及吸附机理，并采用分光光度法、吸附热特性、傅立叶变换红外光谱分析等系统地对菌体吸附特性及机理进行研究。结果表明，白腐菌BP对不同类型的染料有不同的吸附效果，240min 内染料RBBR脱色率能达82.35%。菌体对RBBR的合适吸附条件为：温度28℃、转速

100r·min-1、菌体粒径小于0.25mm。菌体吸附染料主要通过菌体表面的羟基、羧基、胺基及磷酸基团与染料分子以共价键、离子交换或氢键结合来进行。结论：利用白腐菌菌体能有效地对部分染料进行吸附脱色。赵春芳等[12]用云芝属和革耳菌属2种典型白腐菌降解金属络合染料，结果表明，白腐菌对这类染料有明显的脱色作用，经驯化的白腐菌对染料废液处理72h，脱色率可达90%以上。张晓昱等[13]研究了稻草秆粉基质中白腐菌对三苯甲烷类染料(孔雀绿、溴酚蓝和结晶紫)的降解特性。结果表明，白腐菌10d内对三苯甲烷类染料脱色率均可达到93%以上；染料加入对木素过氧化物酶分泌有抑制作用。随着培养过程的进行，染料脱色率增加，脱色降解以漆酶为主。紫外扫描发现，染料吸收波长有偏移，标志着染料结构发生变化，其中溴酚蓝能被完全矿化。谭国民等采用白腐菌纤维球载体固定化生物处理已用内电解法预处理过的染料废水，结果表明，当内电解进水pH=3.5、停留时间15min、进水pH=4.5、溶解氧浓度＞8 mg·L-1、停留时间12h 时，脱色率达到99.5%，COD、BOD5去除率分别达到90.7%及94.8%。范伟平等利用微电解—白腐菌生物降解—絮凝沉降联合处理系统对活性染料生产废水进行处理，结果表明，当温度控制在32~35℃，pH 控制在4~4.5，接触停留时间在8~12h时，处理效果最佳，COD 去除率达90%以上，色度去除率在95%以上。侯思琰等[14]将厌氧折流板反应器(ABR)与好氧白腐菌脱色相结合处理染料废水，比较不同充氧方式对脱色效果的影响。实验结果表明，白腐菌在微孔曝气状态下脱色效果最好，总体的脱色率达到92.0%；并确定适宜的脱色条件为初始pH=6，最适宜温度为36℃。白腐菌所分泌的特殊的降解酶系或其他机制将各种人工合成的染料彻底降解为CO2和H2O，对脱色具有良好的效果，并且投资少、操作简便。如果采用适当的物化方法与之配合，有望成为一种既有良好治理效果又具有经济可行性的废水处理方法。

4、白腐菌在环境污染治理方面的展望

从上述分析可以看出，白腐菌可以在一定程度上改善对染料工业废水的处理效果，为工业废水处理开辟了新的思路!白腐菌可以进行液态和固态发酵，并且由于其酶系的非专一性，可以处理液态废水，

也可以处理固态垃圾，进行土壤修复，因而应用前景极广。但是我国对白腐菌处理废水的研究时间不长还处于初级阶段，在大规模生产中应用还存在很多问题，如处理效果不稳定，周期长，连续化培养生产各种白腐菌的生物反应器尚待进一步研究和完善，菌种筛选困难，白腐菌的作用机制还不完全清楚等。

对白腐菌的主要研究方向为：（1）筛选成长繁殖快的菌种，选择合适的固定载体以及适当的技术与之联合处理；（2）染料废水一般为碱性，如果可以通过细胞融合或基因工程方法获得在碱性条件下生长良好且有很好降解能力的菌株，将很大程度地节约成本; （3）进一步研究已有菌株的代谢调空机制，优化反应条件和发酵反应器的设计。（4）基于白腐菌对污染物降解的广谱性，研发广谱生物吸附剂。相信随着技术研究的不断深入开展，白腐菌必将在环境保护中显现出广阔的应用潜力。

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Research and application of white rot fungi in the area of

environmental pollution remediation

Fang Jintao

Abstract: the white rot fungus is a fungus, secreted by special enzyme system can degrade a variety of pollutants, a variety of synthetic dyes, has the characteristics of complete, efficient, no specific, is a new technology for wastewater treatment. In recent years the domestic research status of white rot fungi in the presence of the environmental waste water treatment are reviewed. Application prospect of white rot fungi in effluent treatment.

Keywords: white rot fungus; pollutants; dye wastewater