吸附脫色

　　微生物對偶氮染料的脫色機制主要有吸附脫色、酶降解以及兩者的共同作用,目前用于偶氮染料吸附脫色的微生物主要有藻類、酵母菌、絲狀真菌以及細菌等。微生物的吸附性能主要取決于菌體表面所含的蛋白質、脂質、糖類等大分子物質,以及分子上所含的多種功能基團,如氨基、羧基、羥基、磷酸鹽及其他帶電荷基團,這些基團通過極性作用、氫鍵、靜電作用以及成鍵作用將偶氮染料吸附于細胞壁上。適當?shù)念A處理能夠優(yōu)化微生物的吸附性能,如對微生物進行滅菌,添加酸、甲醛、NaOH、NaHCO3或CaCl2等物質,能夠改變細胞的表面性能,增加吸附性能的結合位點。另外,以滅活微生物作為脫色偶氮染料的吸附劑具有明顯優(yōu)勢,因為死細胞不需要營養(yǎng)物質,能夠長期保存使用,而且可通過有機溶劑和表面活性劑再生。微生物的吸附效率受多種因素的影響,如pH、溫度、離子強度、接觸時間、吸附劑和染料的濃度、染料的結構以及微生物的種類等。

　　有氧條件下偶氮的降解

　　偶氮染料的微生物降解可分為好氧和厭氧2種機制。對于好氧條件下的偶氮還原,基本認為是由特異性酶催化完成的,這些酶是非黃素依賴的偶氮還原酶。最早純化的偶氮還原酶是由羧基橙降解菌株K22產(chǎn)生的OrangeⅠ偶氮還原酶和菌株KF46產(chǎn)生的OrangeⅡ偶氮還原酶,這2個酶都是單體非黃素依賴還原酶。目前在有氧條件下作用的偶氮還原酶有6種已被純化,這些酶都有1個NAD(P)H結合位點,即都以NAD(P)H作為輔酶。一些好氧微生物在偶氮還原酶和輔助因子存在的條件下,能夠還原偶氮化合物產(chǎn)生芳香胺類物質,然后芳香胺類物質在好氧條件下進一步被微生物降解。Yan等將類球紅細菌的偶氮還原酶基因在大腸桿菌中進行表達純化,發(fā)現(xiàn)在純化酶還原偶氮染料生成芳香胺的過程中有羥基化偶氮中間體存在,為偶氮染料還原必須通過一個非完全的還原過渡階段提供了依據(jù)。另外,單加氧和雙加氧酶能與還原偶氮染料形成的芳香胺類物質的芳香環(huán)結合,使芳香環(huán)開裂繼而進一步使偶氮染料降解礦化。具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.jianfeilema.cn更多相關技術文檔。

　　許多具有偶氮染料還原能力的外酶,如木質素過氧化物酶(LiP)、錳過氧化物酶(MnP)以及漆酶也是從微生物中分離出來的。LiP和MnP均為血紅素蛋白酶,具有相似的降解反應機制:以H2O2為最初氧化底物,先將染料氧化形成高度活性的自由基中間體,繼而發(fā)生鏈反應產(chǎn)生許多自由基促使底物氧化。此類降解反應在細胞外進行,從而使得菌體對降解底物的毒性有較高耐受能力并表現(xiàn)出廣譜性。漆酶是一類含銅的多酚氧化酶,其利用O2作為電子受體,催化多酚類物質經(jīng)4次單電子傳遞形成醌及自由基,不需要H2O2參與。這種自由基反應是高度非特異性的和無立體選擇性的,因此在降解有機物時呈現(xiàn)廣譜有效的特性。

　　1.3厭氧條件下偶氮染料的降解

　　厭氧條件下偶氮染料的降解是一種非特異性的還原過程,其中包括直接酶催化和依賴氧化還原中間體的偶氮還原過程。直接酶催化是指微生物體內存在非特異性的偶氮還原酶可以直接催化偶氮染料接受電子被還原。例如在利用腸道菌Clostridiumperfringens厭氧脫色偶氮染料的過程中,發(fā)現(xiàn)菌體培養(yǎng)基的上清液仍然有偶氮還原活性,可能是菌體分泌了一種胞外的偶氮還原酶,且其活性與黃素無關,但對于這種酶的存在目前仍沒有確鑿的證據(jù),所以依賴輔助因子以及氧化還原中間體降解還原反應可能是厭氧條件下去除偶氮染料的主要機理。目前,主要的氧化還原中間體有醌、2-萘醌硫磺酸酯(2-anthraquinonesulfonateAQS)、2-羥基-1,4-萘醌(lawsone)、FAD、NAD(P)H等,其可以接受來自偶氮還原酶的電子而被還原,然后又將電子轉移給偶氮染料使偶氮鍵(-N=N-)斷裂,產(chǎn)生芳香胺類物質,從而使偶氮染料脫色。在偶氮染料與氧化還原中間體之間進行的是自發(fā)非特異性的還原反應,主要決定于兩者氧化還原電勢的大小。氧化還原電勢為-320~-50mV的醌類氧化還原中間體通常具有厭氧還原偶氮染料的能力,這是由氧化還原輔助因子NAD(P)H等的氧化還原電勢和偶氮復合物的氧化還原電勢共同決定的。

　　目前已經(jīng)分離出了多種偶氮還原酶,其作用方式各有不同。其中一種酶是位于細胞質中的黃素氧化還原酶,其對偶氮染料的降解速率取決于細胞對染料的透性,而且對于不同的染料具有選擇透過性,分子體積大的較難進入細胞,如酸性染料的摩爾體積小于直接染料,從而比較容易進入細胞中而被胞質黃素氧化還原酶所還原,但染料分子的透性并不僅僅取決于分子大小,同時還取決于分子的極性。由于細胞膜含有大量的脂質及部分蛋白質和糖類,所以極性親水的偶氮染料不易進入細胞,而且染料分子中的極性基團能和細胞膜上的某些官能團形成氫鍵從而更加不利于染料分子進入細胞。另外一種酶是位于細胞膜上與呼吸鏈有關的泛醌類氧化還原酶,其不依賴于偶氮染料進入細胞內部,對偶氮染料的還原集中于細胞膜上。泛醌類偶氮還原酶接受來自呼吸鏈的電子并將其用于氧化還原中間體的還原,然后氧化還原中間體將電子轉移給偶氮染料從而使其還原。由于不依賴染料分子的透過性,因此泛醌類氧化還原酶的還原速率大大提高,而且向反應體系中加入氧化還原中間體也將有利于偶氮染料的還原。另外,在利用大腸桿菌厭氧降解偶氮染料的過程中,前人在細胞質中發(fā)現(xiàn)了一種NADH依賴的lawsone還原酶,而且發(fā)現(xiàn)lawsone還原酶的活性幾乎完全存在于細胞質部分,向反應體系添加lawsone能顯著提高還原速率,可能是lawsone將還原力從胞內帶到了胞外。lawsone作為一個合適的氧化還原中間體,不僅僅因為其具有氧化還原電勢,而且因為其具有良好的脂溶性,可通過菌體細胞膜擴散,取代了偶氮染料的跨膜擴散,從而使還原速率增大。