利用Neurospora discreta生物膜优化处理高浓度木质素废水的创新工艺研究

针对造纸工业废水难降解木质素污染问题，研究人员开发了基于Neurospora discreta真菌生物膜的新型处理工艺。通过Taguchi实验设计优化pH、CuSO4 和微量元素浓度，实现88%木质素去除率，首次发现该菌产Versatile Peroxidase（VP）活性。该研究为高浓度木质素废水处理提供了高效可持续的解决方案。

　　

木质素作为植物细胞壁的主要成分，其复杂的β-O-4醚键和碳-碳键结构使其成为造纸废水处理中的"顽固分子"。传统活性污泥法面临微生物耐受性差、沉降性能不佳等瓶颈，而游离真菌处理又存在回收困难的问题。更严峻的是，当前研究多针对0.05-0.10 g/L低浓度木质素，远低于造纸漂白车间实际排放的17.5 g/L高浓度废水，这导致现有技术工业化应用面临巨大挑战。

针对这一难题，某研究团队创新性地利用Neurospora discreta这种能在气液界面自主形成生物膜的粉红色子囊菌，开发了无需载体支撑的生物膜反应系统。该真菌此前已被证实能降解农业残留物中的木质素，其独特的生物膜结构通过三维胞外聚合物(EPS)基质为微生物提供保护，显著提升了对有毒物质的耐受性。研究采用Taguchi实验设计法，系统考察了pH(5-7)、CuSO₄
(1-8 mg/L)和微量元素(0.05-0.30 mL/L)三个因素对木质素降解效率的影响，并通过反向高效液相色谱(RP-HPLC)、酶活性测定和扫描电镜(SEM)等多维度分析揭示了作用机制。

关键技术包括：1) 采用L9(3⁴
)正交阵列优化工艺参数；2) RP-HPLC定量分析木质素极性/非极性组分降解；3) 分光光度法检测多酚氧化酶(PPO)和多功能过氧化物酶(VP)活性；4) DNS法和比色法测定生物膜多糖/蛋白含量；5) ImageJ软件量化SEM图像中的菌丝形态和孔隙特征。

3.1 因素对木质素去除效率的影响
RP-HPLC显示pH 5时木质素降解率达71%，非极性峰(15.8 min)完全消失。ANOVA分析表明pH贡献68.93%方差(p=0.003)，酸性条件更利于真菌生长和木质素降解酶活化。值得注意的是，在pH 5时CuSO₄
浓度变化对总降解效率影响较小，因其对PPO的抑制效应与对VP的激活作用相互抵消。

3.2 木质素降解酶活性
研究首次报道Neurospora sp.产生VP活性(E.C.1.11.1.16)，这在传统认知中仅见于Pleurotus等属。pH 5时VP活性与木质素降解效率显著相关(R=0.86)，而PPO活性在低铜浓度(1 mg/L)时最高，高铜产生抑制。微量元素对VP活性影响呈现浓度依赖性，在pH 5时提升微量元素可增强VP活性达3倍。

3.3 生物膜组成与水保留值
酸性条件(pH 5)下生物膜含水率(WRV)提高32%，与木质素降解效率呈强相关(R=0.854)。EPS分析显示pH 5时多糖和蛋白含量分别是pH 7时的1.8倍和2.3倍，这解释了其更强的持水能力。铜离子浓度增加会抑制EPS分泌，在8 mg/L CuSO₄
时多糖产量下降40%。

3.4 生物膜微观结构
SEM显示pH 5时菌丝长度(218±15 μm)是pH 7时的3.2倍，且孔隙面积大57%。ImageJ分析证实总孔隙面积与木质素降解效率正相关(R=0.781)，长而细的菌丝结构更利于物质传递。中性条件下菌丝呈现球状聚集，导致传质通道减少。

3.5 多参数相关性
Pearson分析揭示蛋白含量与降解效率的关联性强于多糖，而菌丝直径与效率呈负相关(R=-0.72)。VP活性与孔隙面积的协同效应(R=0.83)表明，优化的膜结构能促进酶与底物接触。

该研究通过多尺度解析，确立了pH是调控生物膜处理系统的核心参数，在pH 5、CuSO₄
4 mg/L、微量元素0.30 mL/L时实现88%木质素去除率。其创新价值体现在：1) 开发了无需载体的自支撑生物膜反应器，简化了下游分离工艺；2) 将处理浓度提升至工业级水平(17.5 g/L)，较文献报道提高两个数量级；3) 首次揭示Neurospora产VP的生物学特性，拓展了木质素降解菌种资源库。研究为造纸行业废水处理提供了模块化解决方案，通过生物膜微环境调控实现了"降解效率-操作稳定性-经济性"的多目标优化，对推进工业废水处理的碳中和目标具有重要实践意义。