微生物單培養(yǎng)促進產(chǎn)生了蒽醌染料的降解，并通過產(chǎn)生特定的酶形成聯(lián)合體

https://doi.org/10.1038/s41598-021-87227-6

第一作者：Smati Sambita Mohanty和Arvind Kumar

通訊作者：斯瓦蒂桑比塔莫漢蒂

通訊單位：印度奧迪沙魯爾凱拉國家技術(shù)研究所化學(xué)工程系

研究亮點

本研究提出了一種新的生物降解方法，即聯(lián)合BP處理含蒽醌染料的紡織廢水。它能使染料完全脫色并將其轉(zhuǎn)化為無毒的化學(xué)形式。而采用傳統(tǒng)的物理法或化學(xué)法降解，存在難降解染料及其代謝物去除不徹底、污泥產(chǎn)生量增加、造成二次污染、難以實施的缺點。

成果簡介

開發(fā)了細菌聯(lián)盟BP，其中包括彎曲芽孢桿菌TS8，奇異變形桿菌PMS和銅綠假單胞菌NCH。所開發(fā)的BP聯(lián)合體可用于含蒽醌染料的紡織廢水脫色，同時降低其毒性，處理后的廢水的水質(zhì)可推薦用于農(nóng)田灌溉。

從生物降解過程中獲得的信息和降解活性染料所涉及的酶機制為蒽醌基染料在環(huán)境中的轉(zhuǎn)化提供了更好的知識，并解決了工業(yè)層面的關(guān)鍵。

要點一：利用微生物群體在代謝過程中的協(xié)同作用，使它們在降解合成染料方面表現(xiàn)出優(yōu)越的生物降解水平

此研究優(yōu)化了菌群對染料脫色所需的參數(shù)，一個由三種生物組成的發(fā)達聯(lián)盟，在好氧條件下對工業(yè)蒽醌染料靛蒽藍RS和各種染料的混合物進行脫色，單獨評價的三種細菌均為高效染料脫色劑。研究人員將單個菌株的一個接種環(huán)(彎曲芽孢桿菌TS8，奇異變形桿菌PMS和銅綠假單胞菌NCH）分別加入100mL營養(yǎng)肉湯中，在30℃有氧條件下培養(yǎng)24小時，將每株菌株的50ml培養(yǎng)24小時無菌地轉(zhuǎn)移到250ml燒瓶中得到聯(lián)合體BP，此過程使純培養(yǎng)物和聯(lián)合體中保持相同的細胞數(shù)。聯(lián)合體BP也被用作脫色研究的接種物。表1中的數(shù)據(jù)展示了不同蒽醌類染料（100ml）的平均脫色率和聯(lián)合體BP的平均脫色率。

研究人員研究了溫度、PH、染料濃度等物理化學(xué)因素對難降解靛蒽藍RS染料的脫色效果，并于單獨的純培養(yǎng)物（BF、PM、PA）及BP聯(lián)合作用進行了研究。具體實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表1：不同蒽醌類染料（100ml）的平均脫色率和聯(lián)合體BP的平均脫色率

表2：不同溫度、PH和染料濃度下，不同菌株和不同組合BP對靛蒽藍RS的脫色性能和培養(yǎng)時間

要點二：微生物聯(lián)合體產(chǎn)生的酶對染料脫色非常有效

微生物利用它們的多功能酶系統(tǒng)使染料脫色。本研究觀察了木質(zhì)素過氧化物酶、漆酶、酪氨酸酶、NADH-DCIP還原酶和偶氮還原酶對脫色機理的誘導(dǎo)作用，聯(lián)合BP培養(yǎng)可顯著誘導(dǎo)細胞內(nèi)木質(zhì)素過氧化物酶（375%）、細胞外木質(zhì)素過氧化物酶（332%）、漆酶（311%）、酪氨酸酶（350%）和偶氮還原酶（507%）的酶活性。三種微生物的協(xié)同作用可能導(dǎo)致BP群體中氧化還原酶的高誘導(dǎo)率。這種酶的作用機制使聯(lián)合體BP在較短的時間內(nèi)脫色ind蒽藍RS，這是因為它們提高了存活率、適應(yīng)性和酶活性，本研究探討了所開發(fā)的聯(lián)合體和純培養(yǎng)基對各種蒽醌染料的脫色能力。表3是聯(lián)合體BP（完全脫色）、彎曲芽孢桿菌TS8、奇異變形桿菌PMS和銅綠假單胞菌NCH中9小時后染料降解酶的活性。

表3

要點三：考察不同菌種的重復(fù)脫色并進行生物降解分析

細胞生物量的重復(fù)利用是脫色過程中的一個經(jīng)濟參數(shù)。在最佳條件下，考察了不同菌株（BF、PM、PA）和BP聯(lián)合體對吲哚蘭RS染料（100mg L）的重復(fù)脫色能力。個別菌株脫色可多達3個重復(fù)染料循環(huán)，聯(lián)合體BP可以維持到第7個周期，脫色率和時間要求略有不同，從而增加了聯(lián)合體對實際廢水脫色的相關(guān)性。圖1說明了從第6周期到第9周期脫色效率的降低，增加了時間要求。微生物培養(yǎng)物進入固定相并相繼進入死亡階段，可能導(dǎo)致脫色逐漸減少，從而導(dǎo)致酶系統(tǒng)的抑制。同樣，在第11個染料循環(huán)中沒有觀察到脫色。培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的耗盡可能導(dǎo)致脫色過程的完成。

苯甲酸經(jīng)歷環(huán)分裂和連續(xù)轉(zhuǎn)化，在微生物中產(chǎn)生TCA循環(huán)中間產(chǎn)物，苯甲酸作為最終產(chǎn)物的形成表明，通過氧化代謝過程將有毒化合物轉(zhuǎn)化為無毒化合物。圖2詳細說明了聯(lián)合體BP對靛蒽藍RS降解至礦化的詳細路徑

圖1 圖2

小結(jié)

我們從這項研究中得出結(jié)論，含有靛蒽藍RS染料的紡織廢水經(jīng)聯(lián)合培養(yǎng)物處理后，染料完全降解，用于農(nóng)業(yè)灌溉，表明代謝物產(chǎn)品無毒，這項研究為人類解決紡織廢水做出了重要的貢獻。

參考文獻

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https://doi.org/10.1038/s41598-021-87227-6