劉依林，殷茹，王劍橋，肖唐付

(廣州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 珠江三角洲水質(zhì)安全與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006)

白腐真菌是一類引起木材呈白色腐爛的絲狀真菌[1]。通過分泌胞外氧化酶實(shí)現(xiàn)對木質(zhì)素的強(qiáng)降解能力，使木材呈現(xiàn)淺白色腐爛狀態(tài)[2]。從1971年Sarkenen和Ludwig發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)開始，科學(xué)家們對能夠降解木質(zhì)素的白腐真菌產(chǎn)生了極大的研究熱情[3-4]。1985年Bumpus等發(fā)現(xiàn)白腐真菌黃孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)能夠降解滴滴涕、二惡英等有機(jī)污染物[5]。隨后，環(huán)境學(xué)家們開始探索白腐真菌在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)白腐真菌對于多種難降解有機(jī)污染物，如芳烴、鹵代芳烴、酚類、聯(lián)苯等都有很強(qiáng)的降解能力，這些發(fā)現(xiàn)為白腐真菌研究開辟了新的發(fā)展方向[6]。

20世紀(jì)90年代開始，科學(xué)家們在研究幾種經(jīng)典白腐真菌的同時(shí)，還著力開發(fā)其他有效菌種。伴隨著研究的不斷深入，現(xiàn)代白腐真菌修復(fù)技術(shù)多采用與其他成熟修復(fù)方法的聯(lián)用以提高處理效果。例如陳興建立了電芬頓技術(shù)協(xié)同白腐真菌Coriolusversicolor降解木質(zhì)素的反應(yīng)體系，結(jié)果顯示不僅C.versicolor的生長速度和生物量得到顯著提高，分泌的胞外酶活性也得到增強(qiáng)，木質(zhì)素的降解率大大提高[7]。另外，對白腐真菌的研究從對單一污染物的降解逐漸擴(kuò)大到污水處理、污染土壤治理和大氣污染治理等應(yīng)用領(lǐng)域，如李振偉等通過改變土壤理化性質(zhì)改善了白腐真菌降解石油烴的常規(guī)技術(shù)，處理35 d后，降解率達(dá)42%[8]。王娟等將白腐真菌與其他細(xì)菌共同投加到生物滴濾器中處理苯、甲苯和二甲苯等苯系污染氣體，結(jié)果顯示苯和甲苯可被完全降解，證明了白腐真菌在大氣污染防治領(lǐng)域的應(yīng)用潛力[9]。白腐真菌應(yīng)用于各類廢水處理更為廣泛，已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，本文將對白腐真菌應(yīng)用于各主要行業(yè)有機(jī)廢水處理的研究進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 白腐真菌對有機(jī)污染物的降解

研究發(fā)現(xiàn)，白腐真菌在降解木質(zhì)素時(shí)產(chǎn)生過氧化物酶(PODs)和漆酶(laccase)兩類胞外酶，而PODs主要包含木質(zhì)素過氧化物酶(LiP)、錳過氧化物酶(MnP)和多功能過氧化物酶(VP)等[10]。在白腐真菌對污染物的降解過程中，LiP、MnP和laccase等各種胞外酶起到關(guān)鍵作用。這些胞外酶利用外部環(huán)境提供的氧氣啟動胞外降解反應(yīng)，將有機(jī)污染物的基團(tuán)轉(zhuǎn)化為氧自由基，從而促進(jìn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)生更多的自由基，最終將污染物徹底氧化[11]。

白腐真菌具有一些其他微生物并不具備的獨(dú)特優(yōu)勢：①生存條件要求較低。白腐真菌對于營養(yǎng)物質(zhì)濃度較低的環(huán)境依然有良好的適應(yīng)性，所處環(huán)境中的污染物濃度對它的影響也較小。②對污染物降解完全。白腐真菌對污染物的降解過程具有不可逆的特點(diǎn)，污染物通?？梢员煌耆到?。③對污染物的非特異選擇性。白腐真菌處理方法具有廣譜性，對于多種單一污染物及多種污染物的復(fù)合體都具有良好的處理效果。④在體系中通常是優(yōu)勢菌種。白腐真菌會干擾體系中其他微生物的生長，從而減少對營養(yǎng)物質(zhì)的競爭[12]。

2 白腐真菌處理有機(jī)廢水的研究現(xiàn)狀

近年來，我國已經(jīng)建立了2 500多個(gè)國家級和省級的經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)[13]。這些工業(yè)集中化的開發(fā)區(qū)為我國經(jīng)濟(jì)的增長注入了新的動力，但與此同時(shí)帶來的污染也不容小覷。研究發(fā)現(xiàn)白腐真菌能夠有效處理印染廢水、造紙廢水、農(nóng)藥廢水和醫(yī)療廢水以及其他如火炸藥行業(yè)、石油行業(yè)、橄欖油制造行業(yè)和焦化工業(yè)等行業(yè)產(chǎn)生的廢水。

2.1 印染廢水

印染行業(yè)產(chǎn)生的廢水具有水量大、堿性大、可生化性差、色度深且多變等特點(diǎn)[14]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，印染行業(yè)每加工1 t紡織品需要消耗100～200 t水資源，而其中80%～90%將會成為廢水[15]。印染廢水的化學(xué)需氧量(COD)較高且其中含有多種難降解化合物，主要包括生產(chǎn)原料中的有機(jī)污染物、脂類以及生產(chǎn)過程中添加的各類染料和活性劑等。

由于白腐真菌分泌的胞外降解酶非特異性結(jié)合能力較強(qiáng)，因此對不同種類的染料均具有良好的脫色能力[16]。研究者們篩選出了多種脫色能力較強(qiáng)的白腐真菌(表1)，如Andrés等研究了在固態(tài)發(fā)酵(SSF)條件下8種白腐真菌對玉米芯上吸附的亮藍(lán)FCF和誘惑紅AC進(jìn)行脫色，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中的Trametesversicolor、BjerkanderaadustaBOS55和Irpexlacteus對混合染料的脫色效果最好，脫色率分別可達(dá)81%，83%和86%，其中三種白腐真菌在脫色過程中酶的活性與脫色動力學(xué)之間顯著相關(guān)，I.lacteus和B.adusta僅存在MnP的活性，T.versicolor則同時(shí)具有MnP和laccase的活性[17]。Barbora等發(fā)現(xiàn)T.versicolor產(chǎn)生的laccase對偶氮染料橙色2和酸性橙6的脫色率分別可達(dá)73%和45%[18]。司靜等在42種白腐真菌中進(jìn)行篩選，最終得到絨毛栓孔菌(Trametespubescens)能夠高效降解偶氮染料剛果紅并且將其代謝成聯(lián)苯、聯(lián)苯胺等產(chǎn)物，在脫色過程中l(wèi)accase起到了至關(guān)重要的作用[19]。Wang等在腐爛的桑樹枝中分離得到一種白腐真菌ZJSY，在pH=8和30 ℃的條件下對100 mg/L剛果紅的降解率可達(dá)90%，但是其代謝產(chǎn)物(聯(lián)苯胺和萘胺等)比剛果紅的毒性更強(qiáng)，因此應(yīng)該提高處理時(shí)間或?qū)ふ移渌臒o毒化處理方法[20]。根據(jù)已發(fā)表的研究成果，白腐真菌處理印染廢水的具體過程為：首先，白腐真菌將染料吸附在其表面，有少量的染料可以進(jìn)入菌體的內(nèi)部；白腐真菌分泌胞外酶來破壞染料分子的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到脫色的效果；最后，產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物被徹底分解為CO2、水和其它白腐真菌自身代謝所需要的營養(yǎng)物質(zhì)[21-25]。

表1 印染行業(yè)廢水中典型污染物的白腐真菌降解效果Table 1 Degradation of typical pollutants in printing and dyeing wastewater by white-rot fungi

2.2 造紙廢水

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局2014年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，造紙行業(yè)年排水量為27.6億t，占全國工業(yè)排水量的15%；COD年排放量為47.8萬t，占全國COD總排放量的17%，因此造紙廢水具有水量大、COD含量高、可生化性能差的特點(diǎn)，成為污水處理的一大難點(diǎn)[26]。造紙廢水的主要來源是其生產(chǎn)過程中的制漿和洗滌步驟，其中含有大量的木質(zhì)素、染料和無機(jī)填料等。

造紙廢水的COD和色度都比較高的主要原因是其中含有大量木質(zhì)素，而白腐真菌是現(xiàn)階段降解木質(zhì)素最有效的微生物，利用其來處理造紙廢水具有良好效果(表2)。最早利用白腐真菌對造紙廢水進(jìn)行脫色處理的研究要追溯到1980年，Eaton等報(bào)道了P.chrysosporium和Tinctopotiasp.對含有木質(zhì)素的造紙廢水有良好的脫色效果[27]，自此展開了利用白腐真菌對各類有機(jī)廢水的生物脫色研究。Kulshreshtha等利用P.chrysosporium在添加外源營養(yǎng)和非營養(yǎng)修正的條件下處理手工造紙廢水，結(jié)果顯示在兩種條件下都能使大型手工造紙工業(yè)(LS-HMP)和小規(guī)模手工造紙工業(yè)(SS-HMP)所產(chǎn)生的廢水達(dá)到行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，此外還可以降低廢水的COD、色度以及其對哺乳動物的致突變性[28]。Wu等發(fā)現(xiàn)P.chrysosporium和Pleurotusostreatus在添加1 g/L葡萄糖和0.2 g/L酒石酸銨，pH=8.0～10.0的條件下對黑液中木質(zhì)素和COD的降解效果最明顯[29]。此外，徐俊霞等通過白腐真菌來強(qiáng)化活性炭處理造紙廢水技術(shù)，結(jié)果顯示P.chrysosporium可增強(qiáng)活性炭對于造紙廢水的脫色率和COD的去除率[30]。

表2 造紙行業(yè)廢水中典型污染物的白腐真菌降解效果Table 2 Degradation of typical pollutants in papermaking wastewater by white-rot fungi

2.3 農(nóng)藥廢水

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展，殺蟲劑和除草劑等被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。不僅如此，殺蟲劑也在城市中被用來除掉室內(nèi)的蚊蟲。研究表明農(nóng)藥在農(nóng)村的河流和城市中的地表徑流以及地下水中均有檢出，并且由于其在自然環(huán)境中降解速度較慢，因此將會對環(huán)境造成持久性危害。

農(nóng)藥多為人工合成的復(fù)雜有機(jī)物，主要分為有機(jī)氯農(nóng)藥、有機(jī)磷農(nóng)藥、氨基甲酸酯類和擬除蟲菊酯類農(nóng)藥等。白腐真菌對于這些農(nóng)藥都有良好降解效果(表3)。白腐真菌PhlebiabrevisporaTMIC34596對有機(jī)氯農(nóng)藥林丹的降解率達(dá)86%[31]。唐瑩等利用P.chrysosporium和T.versicolor處理有機(jī)磷農(nóng)藥毒死蜱時(shí)，降解率分別可達(dá)96%和70%[32]。吳賀軍等將白腐真菌Irpexlacteus固定在秸稈上處理農(nóng)藥克百威，結(jié)果顯示在30 ℃，pH=6，克百威初始濃度為80 mg/kg，白腐真菌量為1.0 g的最優(yōu)降解條件下的降解率可達(dá)72%[33]。Mir-Tutusaus等在擬除蟲菊酯類農(nóng)藥炔咪菊酯和氯氰菊酯混合物中加入白腐真菌T.versicolor，2 d后發(fā)現(xiàn)90%的炔咪菊酯被降解，15 d后90%的氯氰菊酯被降解，且其環(huán)境毒性顯著降低[34]。

表3 農(nóng)藥廢水中典型污染物的白腐真菌降解效果Table 3 Degradation of typical pollutants in pesticide wastewater by white-rot fungi

2.4 醫(yī)療廢水

醫(yī)院產(chǎn)生的廢水成分復(fù)雜，不僅含有病人的生活污水、血液和身體組織等，也含有大量的病毒和細(xì)菌，更重要的是其中含有大量的藥物殘留和其他有毒物質(zhì)[35]，同時(shí)一些特種醫(yī)院如傳染病醫(yī)院產(chǎn)生的廢水則更加危險(xiǎn)，如若直接排放，不僅會對生態(tài)環(huán)境造成污染，而且會嚴(yán)重危害人類健康。醫(yī)療廢水成分復(fù)雜導(dǎo)致其處理難度較高，需要考慮多方面因素，經(jīng)過多級處理才可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

白腐真菌生物技術(shù)在近幾十年發(fā)展迅猛，利用其處理醫(yī)療廢水的案例也有很多(表4)。多項(xiàng)數(shù)據(jù)證明白腐真菌T.versicolor對多種藥物都具有強(qiáng)降解能力[36]，Gros等將T.versicolor接種到10 L的生物反應(yīng)器中來處理含有碘溴X射線造影劑(IOP)和氟喹諾酮類抗生素氧氟沙星(OFLOX)的模擬醫(yī)院廢水，結(jié)果顯示兩種抗菌藥物在未滅菌條件的反應(yīng)器中均被完全降解[37]。Laura等在此研究基礎(chǔ)上建立了接種T.versicolor的流化床生物反應(yīng)器來處理含有高濃度抗癌藥的廢水，其中包括鹽酸環(huán)丙沙星、環(huán)磷酰胺、多西他賽和異環(huán)磷酰胺等數(shù)10種抗癌藥物，結(jié)果顯示通過8 d的處理，除環(huán)磷酰胺和異環(huán)磷酰胺之外的其它8種藥物均能夠被完全降解[38]。Carles等利用接種T.versicolor的流化床生物反應(yīng)器在滅菌和非滅菌的條件下處理51種藥物活性化合物(PhACs)和內(nèi)分泌化合物(EDCs)，兩種條件下的去除率分別可達(dá)83%和53%，并且廢水對水生生物的毒性也有較為顯著的降低[39]。Ledys等利用哥倫比亞的一種原生白腐真菌Leptosphaerulinasp.處理含有奧沙西林(OXA)、氯西林(CLX)和雙氯西林(DCX)3種典型的異惡唑基-青霉素抗生素的廢水，結(jié)果顯示Leptosphaerulinasp.可以將OXA、CLX和DCX完全降解。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，laccase和VP在3種抗生素降解過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，而MnP對于CLX和DCX的降解同樣重要[40]。

表4 醫(yī)療廢水典型污染物及利用白腐真菌降解效果Table 4 Degradation of typical pollutants in medical wastewater by white-rot fungi

2.5 其他廢水

除印染廢水、造紙廢水、農(nóng)藥廢水和醫(yī)療廢水等典型有機(jī)廢水以外，其他行業(yè)如火炸藥行業(yè)、石油行業(yè)、橄欖油制造行業(yè)和焦化工業(yè)等產(chǎn)生的廢水在近年來均有利用白腐真菌處理的報(bào)道。

TNT炸藥廢水中COD和毒性都極高，我國對于TNT的一級排放標(biāo)準(zhǔn)為2.0 mg/L[41]。殷琴利用P.chrysosporium聯(lián)用微電解技術(shù)處理含有高濃度硝基苯的廢水，出水中硝基苯去除率可達(dá)96.9%，達(dá)到了我國的一級排放標(biāo)準(zhǔn)[42]。石油行業(yè)產(chǎn)生的廢水成分復(fù)雜，處理難度極大。Laura等在無菌條件下由2種白腐真菌B.adusta和P.ostreatus來處理石油廢水中的2-萘磺酸聚合物(NSAP)，結(jié)果顯示70%的NSAP 可被去除[43]。橄欖廠廢水(OMW)具有有機(jī)負(fù)荷高、多酚含量高、有機(jī)酸和鹽類高等特點(diǎn)，Spyridon等在39種白腐真菌中篩選對OMW處理效果較好的菌種，發(fā)現(xiàn)多種白腐真菌如Agrocybecylindracea、Inonotusandersonii、P.ostreatus和T.versicolor等都對OMW有良好的處理效果，進(jìn)一步的研究顯示白腐真菌分泌的laccase和PODs主要參與OMW的降解[44]。焦化廢水成分復(fù)雜，含有上百種有機(jī)污染物，并且包含酚化物、氰化物等多種有毒物質(zhì)，水質(zhì)變化幅度較大，因此焦化廢水是一類難處理的高毒性廢水[45]。Lu等以鋸木屑固定P.chrysosporium對焦化廢水進(jìn)行生物降解，發(fā)現(xiàn)在pH=5.0，35 ℃的最優(yōu)條件下對其中的酚類化合物的降解率達(dá)84%以上，COD去除率可達(dá)80%[46]。

3 結(jié)語與展望

綜上所述，白腐真菌因其分泌獨(dú)特的胞外酶而對多種有機(jī)廢水有著顯著的處理效果，并且其營養(yǎng)條件要求低、對污染物有廣譜結(jié)合性、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，符合構(gòu)建“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”社會的發(fā)展理念，是一種有機(jī)廢水處理的理想微生物資源。但是自白腐真菌被發(fā)現(xiàn)以來，利用其進(jìn)行廢水處理的研究多停留在實(shí)驗(yàn)室平臺上，缺乏中試處理過程以及實(shí)際應(yīng)用，并且存在培養(yǎng)周期較長導(dǎo)致處理時(shí)間久等不足。

在未來的研究中需要多關(guān)注以下幾點(diǎn)：①白腐真菌生物技術(shù)與其它如物理法、化學(xué)法以及物理化學(xué)法等既有成熟技術(shù)的聯(lián)用。②尋找新的有效菌種或采用多種菌種的聯(lián)用來提高廢水的處理效果。③非滅菌條件下的廢水處理更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和意義，需要投入更多的精力來研究。④加大對復(fù)合污染的處理研究。⑤掌握白腐真菌生物反應(yīng)器的啟動與運(yùn)行條件并開發(fā)更有效的新型反應(yīng)器。⑥積極將實(shí)驗(yàn)室研究成果放到中試過渡階段，并且綜合考慮實(shí)際運(yùn)行條件，加快其轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)中的處理技術(shù)?？傊瑢Π赘婢M(jìn)行合理開發(fā)和利用，其應(yīng)用于有機(jī)廢水處理領(lǐng)域的發(fā)展空間和潛力將是十分巨大的。