耐盐单胞菌A3菌株对油溶性偶氮染料甲苯胺红的生物脱色机制及降解途径研究

本研究针对高盐工业废水中油溶性偶氮染料处理难题，首次系统探讨了Halomonas strain A3对甲苯胺红(TR)的生物降解性能。通过单因素优化法确定最佳降解条件（染料浓度25 ppm，pH 6.5，盐度5%，温度35℃），结合UV-Vis、HPLC和GC-MS多技术手段证实其通过不对称裂解偶氮键产生苯重氮盐(m/z 105)和3-苯基丙烯酸(m/z 149)的降解机制，为高盐含油染料废水生物处理提供了创新性解决方案。

　　

合成染料废水，特别是纺织、印染行业排放的废水，一直是环境保护领域的重大挑战。传统处理方法因染料稳定的化学特性而成本高昂且效率低下，尤其对于油溶性（溶剂溶性）偶氮染料的处理更是如此。这类染料因其在油脂和有机溶剂中的溶解特性，被广泛应用于塑料、化妆品和食品工业，但其疏水性导致在废水处理中更难被降解。近年来，生物降解技术因其可持续性和高效性受到广泛关注，该技术利用特定微生物降解这些顽固污染物。然而，关于油溶性偶氮染料细菌脱色的详细研究仍然有限，特别是在高盐条件下。

针对这一空白，本研究探索了耐盐细菌Halomonas strain A3对油溶性偶氮染料甲苯胺红（Toluidine Red, TR）的脱色能力。研究人员通过单因素优化法（one-factor-at-a-time method）系统研究了初始染料浓度、pH、盐度（NaCl百分比）和培养温度对脱色效果的影响，并以染料作为唯一碳源和能源。在最佳条件下（25 ppm染料浓度、5% NaCl、pH 6.5、35°C培养温度），采用紫外-可见分光光度法（UV-Vis）、高效液相色谱（HPLC）和气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析了脱色机制。

研究发现，与母体染料相比，上清液的紫外-可见扫描表明颜色去除的主要原因是降解机制而非非活性表面吸附，HPLC分析进一步证实了这一结论。TR降解的最终产物被鉴定为苯重氮盐（m/z 105±1）和3-苯基丙烯酸（m/z 149±1）。结果表明，Halomonas strain A3是高盐条件下含油溶性偶氮染料废水降解的实用替代方案。基于获得的中间体和最终产物，研究人员预测了染料降解的途径。

本研究主要采用了微生物培养与优化、紫外-可见分光光度分析、高效液相色谱（HPLC）和气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术。菌株来自德黑兰大学极端微生物实验室（基因库登录号DQ372909），使用添加7.5% NaCl的营养琼脂培养基在35°C下培养。染料储备液用二甲基甲酰胺（DMF）溶解，并添加0.25% Tween 80作为表面活性剂增强染料生物可及性。

效果不同参数对染料脱色的影响

通过研究不同初始染料浓度（10-25 ppm）、pH（4.5-10.5）、温度（25-40°C）和盐度（2.5-10% NaCl）的影响，发现最佳条件为25 ppm染料、pH 6.5、5%盐度和35°C温度，此时脱色率达到66%。高盐度（>5%）会通过改变细菌表面电荷、增加离子强度（削弱疏水相互作用）以及引起渗透胁迫和质壁分离现象来抑制脱色效率。

Halomonas strain A3的脱色方式

在最佳条件下通过UV-Vis光谱扫描（200-800 nm）分析表明，可见光最大吸收峰（λ_max=490 nm）完全消失且没有出现新峰，证明颜色去除的主要机制是染料结构分解而非物理表面吸附。偶氮键和胺基团的共轭结构是TR红色的原因，芳香环通过-N=N-连接产生490 nm处的最大吸收峰。吸收光谱的显著变化表明染料化学结构发生改变，偶氮基团在脱色过程中断裂。

HPLC分析

HPLC色谱图显示，初始样品在保留时间1.290和1.911分钟处有两个主峰，在2.887分钟处有一个肩峰。脱色完成后出现新峰（0.556、1.292和2.86分钟处三个主峰，3.719和4.646分钟处两个弱峰），表明由于染料结构分解产生了比母体组分极性更高的新代谢物。

最佳条件下染料还原代谢物的鉴定

GC-MS分析揭示了分子量低于对照染料（Mw=307）的峰值。基于产生的中间体质谱和染料化学结构，提出了TR降解的可能途径（图9）。保留时间7.2分钟的最终产物被鉴定为苯重氮盐（Mw=105），分子离子峰m/z 105；保留时间16.14分钟的代谢物被识别为3-苯基丙烯酸，分子离子峰149。

研究表明偶氮染料的降解可以对称或不对称发生。本研究中，偶氮基团氮与2-萘酚环碳之间的键断裂是染料分解的第一阶段。不对称裂解偶氮染料然后丢失NO₂基团形成对甲基苯重氮盐（m/z 120±1），随后去甲基化生成苯重氮盐（m/z 105）。假设不对称裂解偶氮染料产生中间代谢物2-萘酚，然后生成萘-1,2-二醇，进一步还原产生2-（2-羧基乙烯基）苯甲酸，最终形成质量峰（m/z）149的3-苯基丙烯酸片段，这是2-（2-羧基乙烯基）苯甲酸的裂解产物。

本研究证实了Halomonas strain A3在表面活性剂Tween 80存在下，以染料为唯一碳源，对油溶性偶氮染料进行脱色和降解的能力。通过单因素法优化了染料浓度、pH、温度和NaCl百分比等参数的影响，在25ppm染料、pH 6.5、5%盐度和35°C培养温度下获得最佳脱色效果。使用分光光度、HPLC和GC-MS分析在最佳条件下Halomonas strain A3的颜色去除机制，染料降解的最终化合物出现在m/z 105和149处，分别被鉴定为苯重氮盐和3-苯基丙烯酸。

基于GC-MS结果，Halomonas strain A3是一种潜在的处理含油溶性偶氮染料、盐和有毒金属的工业废水的生物。研究表明，Halomonas strain A3在高盐条件下对模型油溶性偶氮染料甲苯胺红具有脱色能力，效率约达60%。这些结果可作为概念验证，表明该菌株在处理含盐和有毒废水方面的潜力。未来研究应评估其在不同染料和真实工业废水中的性能，并探索微生物群落、细胞固定化和反应器优化等策略以提高效率和工业适用性。

需要注意的是，脱色通常是不同过程的组合，包括吸附到死亡或非活性细胞上、酶降解和絮凝。由于本研究未使用死细胞进行吸附实验，吸附对整体脱色过程的相对贡献仍未知。未来研究应评估吸附和絮凝对整体脱色效率的贡献程度，特别关注比较活细胞和死细胞的性能，以提供对脱色机制更全面的理解。

该研究发表于《Scientific Reports》，为高盐工业环境中难降解油溶性染料的生物处理提供了新的微生物资源和理论依据，对推进纺织、印染等行业的废水处理技术发展具有重要意义。