吸附脱色
微生物对偶氮染料的脱色机制主要有吸附脱色、酶降解以及两者的共同作用,目前用于偶氮染料吸附脱色的微生物主要有藻类、酵母菌、丝状真菌以及细菌等。微生物的吸附性能主要取决于菌体表面所含的蛋白质、脂质、糖类等大分子物质,以及分子上所含的多种功能基团,如氨基、羧基、羟基、磷酸盐及其他带电荷基团,这些基团通过极性作用、氢键、静电作用以及成键作用将偶氮染料吸附于细胞壁上。适当的预处理能够优化微生物的吸附性能,如对微生物进行灭菌,添加酸、甲醛、NaOH、NaHCO3或CaCl2等物质,能够改变细胞的表面性能,增加吸附性能的结合位点。另外,以灭活微生物作为脱色偶氮染料的吸附剂具有明显优势,因为死细胞不需要营养物质,能够长期保存使用,而且可通过有机溶剂和表面活性剂再生。微生物的吸附效率受多种因素的影响,如pH、温度、离子强度、接触时间、吸附剂和染料的浓度、染料的结构以及微生物的种类等。
有氧条件下偶氮的降解
偶氮染料的微生物降解可分为好氧和厌氧2种机制。对于好氧条件下的偶氮还原,基本认为是由特异性酶催化完成的,这些酶是非黄素依赖的偶氮还原酶。最早纯化的偶氮还原酶是由羧基橙降解菌株K22产生的OrangeⅠ偶氮还原酶和菌株KF46产生的OrangeⅡ偶氮还原酶,这2个酶都是单体非黄素依赖还原酶。目前在有氧条件下作用的偶氮还原酶有6种已被纯化,这些酶都有1个NAD(P)H结合位点,即都以NAD(P)H作为辅酶。一些好氧微生物在偶氮还原酶和辅助因子存在的条件下,能够还原偶氮化合物产生芳香胺类物质,然后芳香胺类物质在好氧条件下进一步被微生物降解。Yan等将类球红细菌的偶氮还原酶基因在大肠杆菌中进行表达纯化,发现在纯化酶还原偶氮染料生成芳香胺的过程中有羟基化偶氮中间体存在,为偶氮染料还原必须通过一个非完全的还原过渡阶段提供了依据。另外,单加氧和双加氧酶能与还原偶氮染料形成的芳香胺类物质的芳香环结合,使芳香环开裂继而进一步使偶氮染料降解矿化。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
许多具有偶氮染料还原能力的外酶,如木质素过氧化物酶(LiP)、锰过氧化物酶(MnP)以及漆酶也是从微生物中分离出来的。LiP和MnP均为血红素蛋白酶,具有相似的降解反应机制:以H2O2为最初氧化底物,先将染料氧化形成高度活性的自由基中间体,继而发生链反应产生许多自由基促使底物氧化。此类降解反应在细胞外进行,从而使得菌体对降解底物的毒性有较高耐受能力并表现出广谱性。漆酶是一类含铜的多酚氧化酶,其利用O2作为电子受体,催化多酚类物质经4次单电子传递形成醌及自由基,不需要H2O2参与。这种自由基反应是高度非特异性的和无立体选择性的,因此在降解有机物时呈现广谱有效的特性。
1.3厌氧条件下偶氮染料的降解
厌氧条件下偶氮染料的降解是一种非特异性的还原过程,其中包括直接酶催化和依赖氧化还原中间体的偶氮还原过程。直接酶催化是指微生物体内存在非特异性的偶氮还原酶可以直接催化偶氮染料接受电子被还原。例如在利用肠道菌Clostridiumperfringens厌氧脱色偶氮染料的过程中,发现菌体培养基的上清液仍然有偶氮还原活性,可能是菌体分泌了一种胞外的偶氮还原酶,且其活性与黄素无关,但对于这种酶的存在目前仍没有确凿的证据,所以依赖辅助因子以及氧化还原中间体降解还原反应可能是厌氧条件下去除偶氮染料的主要机理。目前,主要的氧化还原中间体有醌、2-萘醌硫磺酸酯(2-anthraquinonesulfonateAQS)、2-羟基-1,4-萘醌(lawsone)、FAD、NAD(P)H等,其可以接受来自偶氮还原酶的电子而被还原,然后又将电子转移给偶氮染料使偶氮键(-N=N-)断裂,产生芳香胺类物质,从而使偶氮染料脱色。在偶氮染料与氧化还原中间体之间进行的是自发非特异性的还原反应,主要决定于两者氧化还原电势的大小。氧化还原电势为-320~-50mV的醌类氧化还原中间体通常具有厌氧还原偶氮染料的能力,这是由氧化还原辅助因子NAD(P)H等的氧化还原电势和偶氮复合物的氧化还原电势共同决定的。
目前已经分离出了多种偶氮还原酶,其作用方式各有不同。其中一种酶是位于细胞质中的黄素氧化还原酶,其对偶氮染料的降解速率取决于细胞对染料的透性,而且对于不同的染料具有选择透过性,分子体积大的较难进入细胞,如酸性染料的摩尔体积小于直接染料,从而比较容易进入细胞中而被胞质黄素氧化还原酶所还原,但染料分子的透性并不仅仅取决于分子大小,同时还取决于分子的极性。由于细胞膜含有大量的脂质及部分蛋白质和糖类,所以极性亲水的偶氮染料不易进入细胞,而且染料分子中的极性基团能和细胞膜上的某些官能团形成氢键从而更加不利于染料分子进入细胞。另外一种酶是位于细胞膜上与呼吸链有关的泛醌类氧化还原酶,其不依赖于偶氮染料进入细胞内部,对偶氮染料的还原集中于细胞膜上。泛醌类偶氮还原酶接受来自呼吸链的电子并将其用于氧化还原中间体的还原,然后氧化还原中间体将电子转移给偶氮染料从而使其还原。由于不依赖染料分子的透过性,因此泛醌类氧化还原酶的还原速率大大提高,而且向反应体系中加入氧化还原中间体也将有利于偶氮染料的还原。另外,在利用大肠杆菌厌氧降解偶氮染料的过程中,前人在细胞质中发现了一种NADH依赖的lawsone还原酶,而且发现lawsone还原酶的活性几乎完全存在于细胞质部分,向反应体系添加lawsone能显著提高还原速率,可能是lawsone将还原力从胞内带到了胞外。lawsone作为一个合适的氧化还原中间体,不仅仅因为其具有氧化还原电势,而且因为其具有良好的脂溶性,可通过菌体细胞膜扩散,取代了偶氮染料的跨膜扩散,从而使还原速率增大。