耐金属离子的辣椒溶菌杆菌（Lysinibacillus capsici）对活性红120偶氮染料的生物脱色作用及其在纺织废水处理中的潜在应用

《Frontiers in Environmental Science》：Biodecolorization of Reactive Red 120 azo dye by metal-ion-tolerant Lysinibacillus capsici and its potential application in textile effluent treatment

本研究从Peltophorum pterocarpum树皮蛀虫虫道中分离出Lysinibacillus capsici菌株，发现其能高效降解Reactive Red 120（>95%）及其他偶氮染料，通过优化pH（8）、温度（40℃）、碳氮源（葡萄糖/铵态氮）及固定化技术（SA-PVA载体）显著提升降解效率，并验证了降解产物为芳香胺类，同时发现该菌株对Cu、Zn等重金属具有耐受性，为纺织废水生物处理提供了新策略。

　　纺织业作为全球经济快速增长的领域之一，同时也是水污染的主要来源之一，其废水处理技术的研究具有重要的现实意义。合成染料的广泛应用使得水体中残留的染料成为污染源，尤其以偶氮染料为主。偶氮染料因其分子结构中含有偶氮键（–N=N–），在环境中具有较强的稳定性，容易造成长期污染。这些染料在低浓度下也可能对生态和人类健康产生危害，包括致癌和致突变等风险。因此，开发高效、环保的废水处理方法成为当前研究的热点。

目前，传统的物理化学处理技术虽然在某些方面表现出色，但往往伴随着二次污染、高成本以及污泥处理困难等问题。相比之下，生物修复技术，特别是利用微生物降解染料，展现出更大的潜力。微生物能够通过自身酶系统将染料分解为无害物质，这一过程不仅环保，而且具有较高的降解效率。本研究聚焦于一种从植物虫蛀隧道中分离出的潜在高效降解染料的细菌——*Lysinibacillus capsici*，并探讨其在偶氮染料处理中的应用前景。

### 微生物在染料降解中的作用

*L. capsici* 被证实能够有效降解多种偶氮染料，如 Reactive Red 120（RR120）的降解率超过95%，其他染料如 AB-113、Orange II、Congo red、Phenol red 等的降解率也分别达到85%、94.62%、94.62%、94.54% 和 81.66%。这表明该菌株在处理偶氮染料方面具有广泛的应用潜力。研究还发现，该菌株能够利用漆酶（laccase）和锰过氧化物酶（manganese peroxidase）等氧化酶，对染料进行高效降解，同时这些酶还能进一步分解染料降解过程中产生的芳香胺，从而提高整个降解过程的效率。

为了进一步提高降解效率，研究人员还开发了由 *L. capsici* 与 *Alcaligenes faecalis subsp. phenolicus*、*Acinetobacter baumannii* 和 *Pseudomonas aeruginosa* 组成的微生物联合培养体系。这种联合培养体系不仅能够加速染料的降解过程，还能在更短时间内实现更高的降解率。例如，在优化的条件下，联合培养体系在8小时内就能实现90%以上的偶氮染料降解，而单一菌株则需要更长时间。这表明，通过微生物之间的协同作用，可以显著提高染料处理的效率。

### 微生物的固定化处理技术

为了提高微生物的重复使用性和稳定性，研究还采用了固定化技术。固定化是指将微生物固定在某种载体上，使其在处理过程中不易流失，同时提高其对环境变化的耐受能力。本研究使用了藻酸钠（SA）和聚乙烯醇（PVA）作为固定化载体，通过将细菌细胞与这些材料混合并形成凝胶珠，实现了对 RR120 染料的高效降解。实验结果表明，固定化后的细菌在6个批次中仍能保持较高的降解效率，其中前两个批次的降解率超过96%，而第六个批次的降解率略有下降，但仍高于传统处理方法。这一结果表明，固定化技术能够显著提升微生物在实际应用中的稳定性和可持续性。

### 染料降解的环境因素影响

在实际应用中，染料降解受到多种环境因素的影响，包括 pH 值、温度、碳源、氮源以及染料浓度等。本研究通过手动优化和 Taguchi 设计方法，对这些因素进行了系统分析。结果表明，pH 值对降解效率有显著影响，最佳 pH 值为8，且在该条件下，降解效率最高。同时，温度对微生物活性也有重要影响，40°C 是最佳处理温度。此外，碳源和氮源的选择也对降解效率有明显作用，其中葡萄糖和铵硝酸盐作为碳源和氮源时，能够显著提高 *L. capsici* 的降解能力。这些研究结果为实际应用中微生物处理技术的优化提供了重要依据。

### 重金属对染料降解的影响

在实际的工业废水中，除了染料外，还常常含有多种重金属离子，如铜（Cu）、钯（Pd）、锌（Zn）、镍（Ni）和镉（Cd）。这些重金属离子对微生物的活性和染料降解过程会产生一定影响。研究发现，在一定浓度范围内，重金属离子的存在会显著降低染料的降解效率。例如，当 Cu 浓度为1 mg/L 时，RR120 的降解率增加了39%，而当浓度为10 mg/L 时，降解率仅增加了6.5%。这表明，虽然某些重金属离子（如 Cu）对降解过程有一定的促进作用，但高浓度的重金属则会抑制微生物活性。因此，在实际应用中，需要对重金属的浓度进行严格控制，以确保微生物的正常运作。

### 染料在纺织品上的降解

除了在水体中的降解，染料在纺织品上的去除同样受到关注。本研究使用了市售的100%棉布，分别测试了红色和蓝色布料的降解效果。实验结果表明，红色布料在微生物处理后能够完全褪色，而蓝色布料的褪色效果则不完全。这可能与染料的化学结构和布料的吸附特性有关。此外，通过 FT-IR、UV–Vis 和 GC–MS 等分析手段，研究确认了染料在微生物作用下被分解为芳香胺，这些产物相较于原始染料具有更低的毒性。这为染料在纺织品上的生物降解提供了理论依据。

### 微生物联合培养与固定化技术的前景

微生物联合培养和固定化技术为染料处理提供了一种新的思路。联合培养体系通过多种微生物的协同作用，能够更全面地降解染料，减少单一菌株在处理复杂污染物时的局限性。同时，固定化技术则提高了微生物的重复使用率和稳定性，使其更适用于实际废水处理工程。这两种技术的结合，不仅提高了处理效率，还降低了运行成本，为纺织行业废水处理提供了可持续的解决方案。

### 结论

综上所述，*L. capsici* 菌株在处理偶氮染料方面表现出优异的性能，其降解效率高且环境适应性强。通过优化培养条件，如 pH、温度、碳源和氮源的选择，可以进一步提高其降解能力。同时，固定化技术和微生物联合培养体系为染料处理提供了更高效、环保的方法。这些研究成果不仅有助于解决纺织业带来的水污染问题，也为其他工业染料的生物降解提供了参考。未来，随着技术的不断进步，这些微生物处理方法有望在更大范围内推广应用，为环境保护和可持续发展做出贡献。