白腐真菌处理有机废水的研究进展

刘依林，殷茹，王剑桥，肖唐付

(广州大学 环境科学与工程学院 珠江三角洲水质安全与保护教育部重点实验室，广东 广州 510006)

白腐真菌是一类引起木材呈白色腐烂的丝状真菌[1]。通过分泌胞外氧化酶实现对木质素的强降解能力，使木材呈现浅白色腐烂状态[2]。从1971年Sarkenen和Ludwig发现木质素的结构开始，科学家们对能够降解木质素的白腐真菌产生了极大的研究热情[3-4]。1985年Bumpus等发现白腐真菌黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)能够降解滴滴涕、二恶英等有机污染物[5]。随后，环境学家们开始探索白腐真菌在环境修复领域中的应用。研究发现白腐真菌对于多种难降解有机污染物，如芳烃、卤代芳烃、酚类、联苯等都有很强的降解能力，这些发现为白腐真菌研究开辟了新的发展方向[6]。

20世纪90年代开始，科学家们在研究几种经典白腐真菌的同时，还着力开发其他有效菌种。伴随着研究的不断深入，现代白腐真菌修复技术多采用与其他成熟修复方法的联用以提高处理效果。例如陈兴建立了电芬顿技术协同白腐真菌Coriolusversicolor降解木质素的反应体系，结果显示不仅C.versicolor的生长速度和生物量得到显著提高，分泌的胞外酶活性也得到增强，木质素的降解率大大提高[7]。另外，对白腐真菌的研究从对单一污染物的降解逐渐扩大到污水处理、污染土壤治理和大气污染治理等应用领域，如李振伟等通过改变土壤理化性质改善了白腐真菌降解石油烃的常规技术，处理35 d后，降解率达42%[8]。王娟等将白腐真菌与其他细菌共同投加到生物滴滤器中处理苯、甲苯和二甲苯等苯系污染气体，结果显示苯和甲苯可被完全降解，证明了白腐真菌在大气污染防治领域的应用潜力[9]。白腐真菌应用于各类废水处理更为广泛，已经成为国内外的研究热点，本文将对白腐真菌应用于各主要行业有机废水处理的研究进展进行详细介绍。

1 白腐真菌对有机污染物的降解

研究发现，白腐真菌在降解木质素时产生过氧化物酶(PODs)和漆酶(laccase)两类胞外酶，而PODs主要包含木质素过氧化物酶(LiP)、锰过氧化物酶(MnP)和多功能过氧化物酶(VP)等[10]。在白腐真菌对污染物的降解过程中，LiP、MnP和laccase等各种胞外酶起到关键作用。这些胞外酶利用外部环境提供的氧气启动胞外降解反应，将有机污染物的基团转化为氧自由基，从而促进链式反应的进行，产生更多的自由基，最终将污染物彻底氧化[11]。

白腐真菌具有一些其他微生物并不具备的独特优势：①生存条件要求较低。白腐真菌对于营养物质浓度较低的环境依然有良好的适应性，所处环境中的污染物浓度对它的影响也较小。②对污染物降解完全。白腐真菌对污染物的降解过程具有不可逆的特点，污染物通常可以被完全降解。③对污染物的非特异选择性。白腐真菌处理方法具有广谱性，对于多种单一污染物及多种污染物的复合体都具有良好的处理效果。④在体系中通常是优势菌种。白腐真菌会干扰体系中其他微生物的生长，从而减少对营养物质的竞争[12]。

2 白腐真菌处理有机废水的研究现状

近年来，我国已经建立了2 500多个国家级和省级的经济开发区[13]。这些工业集中化的开发区为我国经济的增长注入了新的动力，但与此同时带来的污染也不容小觑。研究发现白腐真菌能够有效处理印染废水、造纸废水、农药废水和医疗废水以及其他如火炸药行业、石油行业、橄榄油制造行业和焦化工业等行业产生的废水。

2.1 印染废水

印染行业产生的废水具有水量大、碱性大、可生化性差、色度深且多变等特点[14]。据统计，印染行业每加工1 t纺织品需要消耗100～200 t水资源，而其中80%～90%将会成为废水[15]。印染废水的化学需氧量(COD)较高且其中含有多种难降解化合物，主要包括生产原料中的有机污染物、脂类以及生产过程中添加的各类染料和活性剂等。

由于白腐真菌分泌的胞外降解酶非特异性结合能力较强，因此对不同种类的染料均具有良好的脱色能力[16]。研究者们筛选出了多种脱色能力较强的白腐真菌(表1)，如Andrés等研究了在固态发酵(SSF)条件下8种白腐真菌对玉米芯上吸附的亮蓝FCF和诱惑红AC进行脱色，结果发现其中的Trametesversicolor、BjerkanderaadustaBOS55和Irpexlacteus对混合染料的脱色效果最好，脱色率分别可达81%，83%和86%，其中三种白腐真菌在脱色过程中酶的活性与脱色动力学之间显著相关，I.lacteus和B.adusta仅存在MnP的活性，T.versicolor则同时具有MnP和laccase的活性[17]。Barbora等发现T.versicolor产生的laccase对偶氮染料橙色2和酸性橙6的脱色率分别可达73%和45%[18]。司静等在42种白腐真菌中进行筛选，最终得到绒毛栓孔菌(Trametespubescens)能够高效降解偶氮染料刚果红并且将其代谢成联苯、联苯胺等产物，在脱色过程中laccase起到了至关重要的作用[19]。Wang等在腐烂的桑树枝中分离得到一种白腐真菌ZJSY，在pH=8和30 ℃的条件下对100 mg/L刚果红的降解率可达90%，但是其代谢产物(联苯胺和萘胺等)比刚果红的毒性更强，因此应该提高处理时间或寻找其他的无毒化处理方法[20]。根据已发表的研究成果，白腐真菌处理印染废水的具体过程为：首先，白腐真菌将染料吸附在其表面，有少量的染料可以进入菌体的内部；白腐真菌分泌胞外酶来破坏染料分子的结构，从而达到脱色的效果；最后，产生的代谢产物被彻底分解为CO2、水和其它白腐真菌自身代谢所需要的营养物质[21-25]。

表1 印染行业废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 造纸废水

根据国家统计局2014年统计数据显示，造纸行业年排水量为27.6亿t，占全国工业排水量的15%；COD年排放量为47.8万t，占全国COD总排放量的17%，因此造纸废水具有水量大、COD含量高、可生化性能差的特点，成为污水处理的一大难点[26]。造纸废水的主要来源是其生产过程中的制浆和洗涤步骤，其中含有大量的木质素、染料和无机填料等。

造纸废水的COD和色度都比较高的主要原因是其中含有大量木质素，而白腐真菌是现阶段降解木质素最有效的微生物，利用其来处理造纸废水具有良好效果(表2)。最早利用白腐真菌对造纸废水进行脱色处理的研究要追溯到1980年，Eaton等报道了P.chrysosporium和Tinctopotiasp.对含有木质素的造纸废水有良好的脱色效果[27]，自此展开了利用白腐真菌对各类有机废水的生物脱色研究。Kulshreshtha等利用P.chrysosporium在添加外源营养和非营养修正的条件下处理手工造纸废水，结果显示在两种条件下都能使大型手工造纸工业(LS-HMP)和小规模手工造纸工业(SS-HMP)所产生的废水达到行业排放标准，此外还可以降低废水的COD、色度以及其对哺乳动物的致突变性[28]。Wu等发现P.chrysosporium和Pleurotusostreatus在添加1 g/L葡萄糖和0.2 g/L酒石酸铵，pH=8.0～10.0的条件下对黑液中木质素和COD的降解效果最明显[29]。此外，徐俊霞等通过白腐真菌来强化活性炭处理造纸废水技术，结果显示P.chrysosporium可增强活性炭对于造纸废水的脱色率和COD的去除率[30]。

表2 造纸行业废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 农药废水

随着农业机械化的快速发展，杀虫剂和除草剂等被广泛应用于农业生产中。不仅如此，杀虫剂也在城市中被用来除掉室内的蚊虫。研究表明农药在农村的河流和城市中的地表径流以及地下水中均有检出，并且由于其在自然环境中降解速度较慢，因此将会对环境造成持久性危害。

农药多为人工合成的复杂有机物，主要分为有机氯农药、有机磷农药、氨基甲酸酯类和拟除虫菊酯类农药等。白腐真菌对于这些农药都有良好降解效果(表3)。白腐真菌PhlebiabrevisporaTMIC34596对有机氯农药林丹的降解率达86%[31]。唐莹等利用P.chrysosporium和T.versicolor处理有机磷农药毒死蜱时，降解率分别可达96%和70%[32]。吴贺军等将白腐真菌Irpexlacteus固定在秸秆上处理农药克百威，结果显示在30 ℃，pH=6，克百威初始浓度为80 mg/kg，白腐真菌量为1.0 g的最优降解条件下的降解率可达72%[33]。Mir-Tutusaus等在拟除虫菊酯类农药炔咪菊酯和氯氰菊酯混合物中加入白腐真菌T.versicolor，2 d后发现90%的炔咪菊酯被降解，15 d后90%的氯氰菊酯被降解，且其环境毒性显著降低[34]。

表3 农药废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 医疗废水

医院产生的废水成分复杂，不仅含有病人的生活污水、血液和身体组织等，也含有大量的病毒和细菌，更重要的是其中含有大量的药物残留和其他有毒物质[35]，同时一些特种医院如传染病医院产生的废水则更加危险，如若直接排放，不仅会对生态环境造成污染，而且会严重危害人类健康。医疗废水成分复杂导致其处理难度较高，需要考虑多方面因素，经过多级处理才可达到排放标准。

白腐真菌生物技术在近几十年发展迅猛，利用其处理医疗废水的案例也有很多(表4)。多项数据证明白腐真菌T.versicolor对多种药物都具有强降解能力[36]，Gros等将T.versicolor接种到10 L的生物反应器中来处理含有碘溴X射线造影剂(IOP)和氟喹诺酮类抗生素氧氟沙星(OFLOX)的模拟医院废水，结果显示两种抗菌药物在未灭菌条件的反应器中均被完全降解[37]。Laura等在此研究基础上建立了接种T.versicolor的流化床生物反应器来处理含有高浓度抗癌药的废水，其中包括盐酸环丙沙星、环磷酰胺、多西他赛和异环磷酰胺等数10种抗癌药物，结果显示通过8 d的处理，除环磷酰胺和异环磷酰胺之外的其它8种药物均能够被完全降解[38]。Carles等利用接种T.versicolor的流化床生物反应器在灭菌和非灭菌的条件下处理51种药物活性化合物(PhACs)和内分泌化合物(EDCs)，两种条件下的去除率分别可达83%和53%，并且废水对水生生物的毒性也有较为显著的降低[39]。Ledys等利用哥伦比亚的一种原生白腐真菌Leptosphaerulinasp.处理含有奥沙西林(OXA)、氯西林(CLX)和双氯西林(DCX)3种典型的异恶唑基-青霉素抗生素的废水，结果显示Leptosphaerulinasp.可以将OXA、CLX和DCX完全降解。进一步研究发现，laccase和VP在3种抗生素降解过程中发挥着关键作用，而MnP对于CLX和DCX的降解同样重要[40]。

表4 医疗废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 其他废水

除印染废水、造纸废水、农药废水和医疗废水等典型有机废水以外，其他行业如火炸药行业、石油行业、橄榄油制造行业和焦化工业等产生的废水在近年来均有利用白腐真菌处理的报道。

TNT炸药废水中COD和毒性都极高，我国对于TNT的一级排放标准为2.0 mg/L[41]。殷琴利用P.chrysosporium联用微电解技术处理含有高浓度硝基苯的废水，出水中硝基苯去除率可达96.9%，达到了我国的一级排放标准[42]。石油行业产生的废水成分复杂，处理难度极大。Laura等在无菌条件下由2种白腐真菌B.adusta和P.ostreatus来处理石油废水中的2-萘磺酸聚合物(NSAP)，结果显示70%的NSAP 可被去除[43]。橄榄厂废水(OMW)具有有机负荷高、多酚含量高、有机酸和盐类高等特点，Spyridon等在39种白腐真菌中筛选对OMW处理效果较好的菌种，发现多种白腐真菌如Agrocybecylindracea、Inonotusandersonii、P.ostreatus和T.versicolor等都对OMW有良好的处理效果，进一步的研究显示白腐真菌分泌的laccase和PODs主要参与OMW的降解[44]。焦化废水成分复杂，含有上百种有机污染物，并且包含酚化物、氰化物等多种有毒物质，水质变化幅度较大，因此焦化废水是一类难处理的高毒性废水[45]。Lu等以锯木屑固定P.chrysosporium对焦化废水进行生物降解，发现在pH=5.0，35 ℃的最优条件下对其中的酚类化合物的降解率达84%以上，COD去除率可达80%[46]。

3 结语与展望

综上所述，白腐真菌因其分泌独特的胞外酶而对多种有机废水有着显著的处理效果，并且其营养条件要求低、对污染物有广谱结合性、设备结构简单，符合构建“资源节约型，环境友好型”社会的发展理念，是一种有机废水处理的理想微生物资源。但是自白腐真菌被发现以来，利用其进行废水处理的研究多停留在实验室平台上，缺乏中试处理过程以及实际应用，并且存在培养周期较长导致处理时间久等不足。

在未来的研究中需要多关注以下几点：①白腐真菌生物技术与其它如物理法、化学法以及物理化学法等既有成熟技术的联用。②寻找新的有效菌种或采用多种菌种的联用来提高废水的处理效果。③非灭菌条件下的废水处理更具有实际应用价值和意义，需要投入更多的精力来研究。④加大对复合污染的处理研究。⑤掌握白腐真菌生物反应器的启动与运行条件并开发更有效的新型反应器。⑥积极将实验室研究成果放到中试过渡阶段，并且综合考虑实际运行条件，加快其转化为实际生产中的处理技术。总之，对白腐真菌进行合理开发和利用，其应用于有机废水处理领域的发展空间和潜力将是十分巨大的。