白腐菌对染料脱色的研究进展

摘要：染料作为环境的重要污染源，可通过食物链直接或间接影响人们的身体健康。本文概述了近年来白腐真菌对染料脱色的研究进展，重点介绍了影响白腐真菌对染料脱色的主要因素、白腐茵的染料降解酶系及机理、白腐菌降解染料的优势等。

关键词：白腐茵；染料；脱色；漆酶

中图分类号：Q931

文献标识码：A

白腐真菌主的一组丝状真菌对染料的降解脱色在近20年来成为染料生物脱色研究的热点和主流。白腐真菌分解木质素而剩下纤维素，导致木材腐朽呈白色，多为担子菌纲(Basidiomycetes)，大多数多孔菌、伞菌都属于这一类型，《中国真菌志》(多孔菌科卷)记载了46属137种。白腐真菌菌丝体为多核，少有隔膜，无锁状联合。多核的分生孢子常为异核，担孢子却是同核体。存在同宗配合和异宗配合两类系统。白腐真菌中的细胞外酶(木质素过氧化酶LiPs、锰过氧化酶MnPs、漆酶Lac)被认为是降解木质素和其它难降解物质的特殊酶系。这些酶具有非特异性的、无需底物诱导的独特性能，对许多结构不同的、高毒性、高分子难降解有机化学物质(如杀虫剂、染料、硝基炸药、氰化物、四氯化碳、杂酚油等)具有广谱的降解能力。

1　影响白腐真菌对染料脱色及降解的主要因素

1.1不同的菌种

虽然白腐真菌对许多染料均有良好的脱色及降解效果，但并非每一种属的白腐真菌对任何染料都能够脱色和降解，其效果也彼此有一定的差异。常见用于研究染料脱色的白腐菌有黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)，杂色云芝(Trametes versicolor)，平菇(Plerurotus osteatus)等。

1.2培养基成分

培养基中氮元素含量的高低对白腐真菌的脱色和降解效果有重要影响。在培养基中加入藜芦醇时，能够显著提高木质素过氧化物酶的产生，因为藜芦醇属于木质素过氧化物酶的激活剂。在难降解有机物的降解过程中，那些没有被木质素过氧化物酶氧化的物质被部分氧化的藜芦醇(阳离子自由基)进一步氧化，在此过程中它们充当着电子传递体的作用，故可以提高染料的降解效果，锰也起到相同的作用。

1.3培养基中氧的含量

增加培养基中氧的水平对木质素降解速度有很强的激活作用，在100％的纯氧的条件下达到最大的降解速度，而在空气中只能去除25％的色度。这可能是由于白腐菌是一种好氧微生物，并且其作用的酶是氧化酶类。

1.4培养过程中的搅拌作用

在搅拌和静止培养中菌体生长程度都很好，但搅拌引起菌丝球的生成而强烈抑制木质素酶的水解活力。搅拌培养虽然增强了氧供给，却妨碍了最佳的降解，这可能是由于菌丝球表面的细胞生理状态扰而阻碍了降解酶类的形成，而且真菌和木质素较紧密的物理结合可能也是木质素降解必须的。此外，菌丝球内部的氧分压太低，木质素降解根本不可能发生。

1.5培养体系中的缓冲液

不同的缓冲液对白腐真菌培养过程中pH值变化的缓冲作用也是不同的。常用的缓冲液有20mmol・L-1醋酸－醋酸钠、20mmol・L-1柠檬酸盐一磷酸盐、20retool・L“酒石酸钠盐、20mmol・L-1丁二酸二甲酯和2，2－二甲基丁二酸二甲酯。程永前等通过研究T.versicolor在3种不同的缓冲液中对不同染料的脱色效果表明：使用20mmol・L-1醋酸一醋酸钠和20retool・L-1的2，2－二甲基丁二酸二甲酯时得到的脱色效果最好，而使用20mmol・L-1的丁二酸二甲酯时的脱色效果较差。

1.6培养基中微量元素

Mn2+，Mg2+，Fe2+，Co2+，Ca2+，Zn2+，Cu2+，Mo2+，Al2+等离子为多种氧化酶的激活剂，它们在木质素废水处理过程中起到了一定的促进作用，但是，当CO2+，Cu2+和Zn2+等金属离子的浓度达到0.1mmol・L-1时P.chrysosporium的脱色能力就会被完全抑制，表明高浓度的金属离子对白腐菌的生长和酶活有强烈的毒害作用。

1.7培养基中的pH值

培养基的pH值对染料的降解是至关重要的，对于只chrysosporium来说，染料降解的最适pH为4.0-4.5，超过5.5和低于3.5会发生显著的抑制作用。

1.8染料的结构

不同的染料有不同的分子结构，因此，一种真菌对某种染料有脱色作用并不一定对另一种染料也具有脱色作用。Wong和Yu报道表明，T.versicolor的脱色效果主要依靠染料的结构，蒽醌类染料是该真菌产生的酶(漆酶)的底物，而偶氮、靛族染料并不是漆酶的底物。Spadaro等也发现苯环上带有羟基、氨基、硝基等取代基的染料比带有其他取代基的染料更易被脱色和降解。Knapp等研究了7种不同真菌对4种不同染料的脱色情况，发现虽然艳黄和大黄酚有几乎相同的结构，但是艳黄却比大黄酚容易脱色得多。他们认为很小的结构差别在脱色效果上就可以引起很大的差异，这可能与染料的电子分布、电荷密度及空间构形有关，并且发现脱色效果并不取决于染料的发色基团及特征性结构，而是取决于助色基团。染料的浓度也对色度的去除有一定的影响，随着染料浓度的增加，脱色率有降低的趋势。

2　白腐菌的染料降解酶系及机理

由于染料分子本身及酶学机制的复杂性，除黄孢原毛平革菌外，其他白腐菌对染料的详细降解机理及途径还未弄清楚，但不管怎样，木质素过氧化酶、锰过氧化酶、漆酶等酶类可能对白腐菌的染料代谢或多或少都起了重要的作用。另外，也可能还有其它机制，因为在最初的研究中，一般都是在木质素酶产生后再加入染料的，因此，可能排除了其他非木质素酶作用过程的发现，如Pasti等就提出质膜的氧化还原系统可能也是染料脱色机制，白腐菌对染料的降解主要是由其分泌的酶系共同作用的结果。它分泌的酶系包括：产生过氧化氢的氧化酶(如葡萄糖氧化酶和乙二醛氧化酶)，它们可产生木质素降解酶激活所需要的H2O2；需要过氧化氢的过氧化酶――Lip和Mnp，它们被H2O2激活后可催化降解染料；另外，还有漆酶、甲基化酶、还原酶等，这些酶都是白腐菌在营养条件限制的情况下，次生代谢过程中所产生。其中，木质索过氧化酶、锰过氧化酶、漆酶分别代表一系列同工酶，不同微生物

所产生的各种酶的种类、活性及酶学性质是不同的。一般来说，这3种酶的组合有3种类型：木质素过氧化酶一锰过氧化酶一漆酶、锰过氧化酶一漆酶、木质素过氧化酶一漆酶。Lip和Mnp均是含血红素辅基的过氧化酶，都以H2O2为电子受体，它们对底物的降解过程类似：在有氧存在下，Lip和Mnp被H2O2激活，经过单电子氧化、一系列非酶反应，生成两个有活性的酶中间体以攻击染料分子，并将其氧化成自由基，最后产生多种产物，这些反应包括C-C键断裂、开环反应、侧链裂解等。对于Lip，藜芦醇是中间递电子体；而对于Mnp，Mn2+是活性递电子体。漆酶则是含铜氧化酶，以氧气为电子受体，经过4次单电子传递氧化多酚化合物或在某些中介物存在下，氧化非酚型化合物。Heinfling等从Bjerkandera adusta和Pleurotus erynii发酵液中获得一种不同于Phanerochaete chrysosporium产生的Mnps，它不需要Mn“就可氧化芳香族化合物及某些染料类，发酵液中加入藜芦醇也不促进脱色，反之，Mn”的加入还会抑制脱色。

3　白腐菌降解染料的优势

3.1不需要经过特定污染物的预条件化

用细菌进行染料脱色，细菌必须先置于一定有效浓度的染料溶液中才能诱导合成所需的降解酶。这将导致细菌只能将染料降解到有效水平。而白腐菌的降解酶合成与降解底物的多少无关，它是靠营养限制(主要是N)来启动降解过程的，所以可以降解低浓度的染料废水，并且可以将其完全矿化。

3.2对其他微生物的拮抗

白腐菌的最佳生长pH较低，生长温度较高，产生降解酶系往往需要限氮或限碳培养基，不利于其它微生物生长。并且白腐菌能产生象・OH这样的氧自由基，氧化其他微生物的蛋白质、DNA，致使它们死亡，因此白腐菌能保持一种竞争上的优势。由于其对染料起降解作用的MnP、LiP和Lac皆为胞外酶，这使得白腐菌的降解系统可以产生非常强的有效氧化性物质而不构成对细胞的毒害，同时可以忍受较高浓度的染料废水。

3.3降解底物的非专一性

白腐菌的非专一性降解机制使其对染料的降解具有广谱性，而细菌对降解底物的专一性比较强。实际的印染废水往往含有多种染料，所以白腐菌处理印染废水效率更高。

3.4对营养物的要求不高

能利用木屑、农业废弃物、造纸废液等廉价营养源进行大量培养。

总之，白腐菌作为丝状真菌，不但可进行液态发酵，还可进行固态发酵，从而使其应用面更广，不仅可处理液态染料废水，还可处理木质纤维固态垃圾、农业废弃物甚至进行污染的土壤修复。