丝状真菌在废水处理中的应用研究进展*

陈义琴，周 丹，孙大亮，吴 昊

(1 贵州师范学院,贵州 贵阳 550018；2 贵州省计量测试院,贵州 贵阳 550001)

废水包括生活污水和工业废水两大类，自2010年以来，中国的城市污水排放总量已经远超过了1050亿m3，但污水总的处理率不足50%[1]。其中污染物主要有重金属、酚类、蛋白质、氨氮、及大量的病原微生物等，城市污水汇入湖泊、河流和海湾等水域中，使其受到严重污染，导致水体恶化，进一步加剧水资源的危机，最终危害人类健康[2]。

传统的废水处理方法有物理、化学方法，这些方法对某些污染物具有较高的去除效率，但是存在操作成本高和二次污染等诸多方面的缺陷，使其在应用时受到了限制[3-4]。相比于传统的方法，生物处理法是更加经济、安全的处理方式，除了比较粗犷的活性污泥处理方法以外，还有一些较为精细的生物方法也受到了重视[5]，如利用白腐真菌处理制革废水[6]，研究好氧反硝化菌对尾水中常规污染物的去除效果[7]等，这使得微生物成为生物处理的主体。其中真菌被应用于废水处理中，主要是由于在真菌的细胞壁上有许多的功能基团(磷酰基和硫酸酯基等)，使真菌对废水中的污染物具有强大的吸附功能[8]。同时，真菌还可以产生对污染物具有催化作用的漆酶。除了应用于传统的工业废水外，真菌漆酶还用于处理许多含有新兴污染物的废水[9-10]，如隋明[11]分析真菌处理造纸废水的案例时有说明漆酶降解废水的作用方式。因此，利用真菌特别是丝状真菌(Filamentousfungi)对废水进行生物脱除，在国内得到广泛研究。

本文主要综述丝状真菌的生物学特征、对废水的作用机理及其应用研究。

1 丝状真菌的生物学特征

1.1 应用在废水中的丝状真菌

丝状真菌常指霉菌，是一种呈丝状，广泛分布于土壤、水域、空气及动植物体内外等自然环境中无光合作用的微生物[12-13]，因其结构特点越来越多,不同来源的霉菌分离后被应用于废水处理中。如由陈碧娥等[14]在含油的表层海水中所分离曲霉菌(Aspergillus.spp)、青霉菌(Penicillium.sp)和木霉菌(Trichodezma.sp)对石油烃有较好的生物吸咐及生物降解作用；叶晨松等[15]从生活污水中所分离青霉菌(Penicillium)作为球藻的载体协同应用于废水的净化；张颖慧等[16]总结发现黄曲霉(Aspergillusflavus)、酱油曲霉(Aspergillussojae)、米曲霉(Aspergillusaryzae)、黑曲霉(Aspergillusniger)、里氏木霉(Trichodermareesei)、绿色木霉菌(Trichodermaviride)、拟康宁木霉(Trichodermakoningiopsis)等霉菌对废水中重金属有较好的吸附作用；王惠娥等[17]利用白腐真菌结合泥炭处理高含氮的有机废水时取得有效的降解效果。

1.2 丝状真菌的生物结构特性

真菌的形态及其强大的生长代谢能力，促使丝状真菌具有较强的生态适应能力[18]，使其在废水处理中展现出较好的吸附特性和较大的吸附量。一方面是由于丝状真菌的菌丝粗而长，且具有巨大的表面积使其更好的与污染物接触[12-13]；其次是基于真菌表面和内部都具有十分丰富的化学官能团(如磷酸盐和脂质成分等官能团)；再者是因为真菌细胞壁由多糖(几丁质或纤维素等)与蛋白质结合呈多层网结构，使其存在着大量的小孔等生物结构特性[19-20]。

2 丝状真菌对废水的作用机理

2.1 丝状真菌对废水中污染物的吸附机理

废水中的污染物多种多样，尤其所含的重金属是一种典型的难处理物质，自1949年Ruchhoft[21]提出生物吸附法处理废水中的重金属以来，众多的研究者们聚焦于微生物对各类废水污染物的去除机理研究[22]。

目前普遍认同的微生物吸附污染物的机理主要有：表面络合机理、离子交换机理、氧化还原机理、静电吸附机理、酶促机理、无机微沉淀作用，这些机理既可单独作用，也可以协同作用[23-24]。而丝状真菌对废水中污染物的去除，主要由于其菌丝粗而长、巨大的表面积、十分丰富的化学官能团和多层网结构等独特的生物特性，以及其真菌细胞代谢类型及作用方式的不同，使其对污染物所展现的生物吸附机理也有所不同[25]，因而近年来丝状真菌在污水处理中的应用备受关注。

2.1.1 细胞新陈代谢关联机理

越来越多的研究表明，丝状真菌对污染物的吸附作用，不仅表现于活菌体，无活性的灭活菌体也对污染物同样有较好的吸附作用，有研究者将这一现象解释为生物吸附与细胞新陈代谢相关联。因此将其分为依赖新陈代谢型和不依赖新陈代谢型[19]。一方面活体丝状真菌对污染物的吸附作用机制较为复杂，主要属于依赖新陈代谢型，其是一个主动吸附且需要能量的过程。由于细胞在代谢过程中，对营养物质的吸收、呼吸转化和代谢物的排放等属于一个主动过程，而这一主动过程可能会改变被吸附的微环境，因而这一过程同时存在被动吸附。另一方面对于灭活菌体而言，属于不依赖新陈代谢，其吸附过程可能是由于污染物直接与真菌的细胞壁上具有络合、配位等能力的官能团结合，因而具有了络合、离子交换、沉淀、配位、物理吸附(如范德华力、静电作用)等作用，是一个被动吸附且不需要能量的过程[19-25]。

2.1.2 细胞的结合位点机理

污染物与丝状真菌的结合方式主要为细胞表面、胞内和胞外结合，因而将根据结合方式的不同，其机理分为三类：胞外富集或沉淀、细胞表面吸附或沉淀、胞内富集。细胞表面吸附或沉淀的机理包括离子交换、络合作用、物理吸附和沉淀[25]，这一机理对活菌体和死菌体都存在。细胞壁主要由可提供丰富官能团的蛋白质、几丁质、多糖类物质、脂质、肽聚糖等成分构成[23-26]，如提供-SH、-COOH、-OH、C=O等官能团，因而成为丝状真菌吸附和富集废水中污染物的主要场所，且无论是活体还是死体丝状真菌因拥有这些官能团进而对污染物都具有较强的吸附能力[27]。除此之外，丝状真菌与污染物接触时，会分泌易与污染物质结合后发生络合或沉淀的胞外代谢物，如多糖、脂类、草酸和柠檬酸等[26]。虽然丝状真菌在胞外可以吸附或沉淀污染物，但吸附的部分污染物与特定的酶结合仍可以进入菌体内部，污染物离子与细胞内的化学基团结合后在胞内沉淀，从而将废水中的污染物去除[28]。

2.2 丝状真菌对废水中污染物的降解机理

丝状真菌除了吸附废水中的污染物外，对其还具有降解作用。活菌体或死菌体都可以进行生物吸附，但是生物降解只能由活菌体完成。因为生物降解完全依赖丝状真菌分泌的胞外酶[19]，如漆酶、木素过氧化酶等。其中漆酶是对污染物具有催化氧化作用的酶之一。

漆酶是1883年由日本学者Yoshida从紫胶漆树的分泌物中发现的一种糖蛋白[29]，后来被报道还是一种能由真菌产生的蓝色胞外含铜多酚氧化酶[30]。漆酶具有较强的催化氧化能力，且可催化的底物种类较多，尤其是在催化底物时不需要启动剂的参与，因而被广泛应用于降解废水中的污染物，如催化氧化废水中的氯酚类污染物、染料脱色、纸浆漂白[31-33]，任大军等[34]报道了白腐菌所分泌的漆酶可有效的降解焦化废水中的喹啉。漆酶的降解机理主要是利用了漆酶能够还原反应体系中的一些小分子使其重新进入催化体系，从而通过离子氧化、电子转移、自由基氢转移等方式，进而促进漆酶与大分子作用，实现大分子物质的降解。由于漆酶是利用氧气完成催化氧化的过程，不同漆酶和不同底物的作用机理有所差异，因而可总结为漆酶直接催化氧化底物的同时将氧气还原成水[11，35-36]。

3 丝状真菌在废水处理方面的应用

3.1 重金属废水处理

水体重金属污染，大部分是人为原因(如开采矿山、冶炼金属)，少部分是自然原因(如侵蚀，风化)。重金属(如 Cr、Mn和Pb) 具有毒性大、可在生物体内蓄积、在水体环境中无法被降解等特点[2]，汇入水域，造成水体污染，导致水质恶化，不仅对微生物的生长和丰富度造成影响，还可能通过食物链危害人体健康[37-38]。

丝状真菌细胞壁的表面具有许多可以与重金属离子相结合的官能团(如-SH、-COOH)，使其被吸附后富集在真菌的细胞壁上；同时真菌会分泌一些胞外代谢物，使其与重金属发生络合或沉淀，并且许多真菌具有耐受重金属的能力，从而将重金属离子更好的从水中去除[39-40]。目前在重金属治理上应用的丝状真菌有白腐菌(Phanerochaetechrysosporium)、黑跟根霉菌(Rhicopusnigricans)、米曲霉(Aspergillusoryzae)、绿色木霉(Trichodermaviride)、黑曲霉(Aspergillusniger)、硬田头菇(Agrocybedura)、青霉菌(Penicillium)等。这些丝状真菌都可以用于吸附重金属离子，但不同的丝状真菌吸附重金属离子的种类和能力都有所不同，例如绿色木霉对Zn2+、Pb2+的富集量分别达到23.6 mg·mL-1、31.7 mg·mL-1[41]；青霉菌(Penicillium)对Ni2+、Pb2+的富集量分别达到82.5 mg·mg-1、116 mg·mg-1[27]。

3.2 印染废水处理

印染废水包括预处理、染色、印花、整理四个阶段排出的综合废水，其组成成分复杂，具有难降解、脱色难度大、废水量大等特点[42]。印染废水每年排出量约6.5亿吨[43]，汇入水体导致溶氧减少，抑制水体生物生存与繁殖，对环境和人类健康造成威胁。

处理印染废水的关键是对染料的脱色，目前主要处理方法包括物理法、化学法、生物法[36]。相对物理和化学的方法，生物法因经济、高效且无二次污染等特点，被广泛应用在印染废水的处理。生物法降解印染废水主要依靠真菌的吸附或降解作用。丝状真菌细胞壁上存在丰富的官能团(如羧基、磷酸盐、氨基等官能团)，使其具有吸附染料分子的能力[44]。在处理印染废水过程中，丝状真菌还会分泌一些对污染物具有脱色作用的酶(如木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶等)。其中漆酶起主导作用，将废水中的污染物降解为低毒或者无毒、无害的物质[36]，从而达到降解效果。

漆酶不仅对印染废水具有脱色作用，还能氧化一些有害的物质，如废水中的双酚A、氯酚等，因而真菌在印染废水中得到广泛的应用[36，43，45]。如贺晓凌[46]研究固定化真菌对工厂印染废水作用效果时，其结果表明真菌的脱色率可达到90%左右；黄新华的研究表明，在最佳降解条件下游离漆酶对印染废水的脱色率为58.63%，固定化漆酶的脱色率为81.09%[43]。

4 结 语

丝状真菌具有强大的吸附作用，且多数真菌自身也会产生一些具有降解作用的酶，使丝状真菌对多种污染物都具有吸附和降解作用。而大量研究也表明丝状真菌对废水水质有良好的调控效果，但目前仍然存在一些未解的难题，如针对特定的废水丝状真菌不能将其中污染物完全降解，且大多数研究仅限于实验条件下。为此，我们还需要进一步对废水的治理进行研究。