全球每年產(chǎn)生的合成染料達(dá)7×107噸，其中有3×104–1.5×105噸的染料排放進(jìn)入水環(huán)境中，且很大一部分以分散的形式排入，是面源污染物類型之一。莧菜紅（Amaranth）、甲基橙（methyl orange）和結(jié)晶紫（crystal violet）這些染料在面源污水中廣泛存在，對(duì)水生動(dòng)植物及人類造成嚴(yán)重的潛在威脅。在傳統(tǒng)的生物處理方法中，一般都是利用馴化的辦法，培養(yǎng)出能降解特定染料的純微生物菌株，但這些純菌株面對(duì)組分復(fù)雜的面源污水時(shí)，效率會(huì)降低，甚至出現(xiàn)“中毒”現(xiàn)象。

　　為解決這一科學(xué)難題，中國科學(xué)院南京土壤研究所吳永紅課題組提出利用自然生物膜凈化面源污水中染料的設(shè)想，首先在室內(nèi)培養(yǎng)出了三種類型的自然生物膜（epiphyton、metaphyton 和 epilithon），利用這三種自然生物膜設(shè)計(jì)和制作了相應(yīng)的生物反應(yīng)器，利用這些反應(yīng)器去除面源污水中的結(jié)晶紫（crystal violet）、甲基橙（methyl orange）和莧菜紅（amaranth），并闡明其作用機(jī)制。

　　三種自然生物膜對(duì)結(jié)晶紫的耐受程度都很高，最高濃度達(dá)1000mg/L，且在30℃，pH=7的環(huán)境下，可在168h內(nèi)使其完全脫色。自然生物膜對(duì)結(jié)晶紫的降解途徑是生物降解，以及吸附（包括微量的解吸）的協(xié)同作用，最終產(chǎn)物為無毒的脂類化合物，且未產(chǎn)生任何有毒的次生代謝產(chǎn)物。

　　三種自然生物膜可以72h內(nèi)使?jié)舛葹?00mg/L的甲基橙轉(zhuǎn)化為更加簡(jiǎn)單的化合物，如苯酚、乙酸乙酯等。自然生物膜對(duì)甲基橙的去除是生物降解和生物吸附的協(xié)同作用，但其生物吸附過程可以用偽二階吸附動(dòng)力學(xué)來描述。Elovich（葉洛維奇）、Langmuir（朗格繆爾）方程式以及內(nèi)部的擴(kuò)散模型都適合于自然生物膜對(duì)甲基橙的吸附過程。

　　對(duì)于莧菜紅，三種自然生物膜可以30℃，pH=7的環(huán)境下，使500mg/L的莧菜紅在84h內(nèi)使其完全脫色。自然生物膜的主要作用類群包括藍(lán)細(xì)菌，變形桿菌和類桿菌屬，其對(duì)莧菜紅染料的去除機(jī)制是生物降解，自然生物膜通過破壞莧菜紅的偶氮鍵，使莧菜紅被轉(zhuǎn)化為無毒的脂族化合物，包括異丁烯、乙酸乙酯等非有毒的化合物。

　　總的來說，自然生物膜對(duì)不同染料其去除機(jī)制不同，但都可以使面源污水中的染料完全脫色，處理后的污水達(dá)到農(nóng)業(yè)灌溉標(biāo)準(zhǔn)，滿足農(nóng)業(yè)灌溉用水要求。這說明，自然生物膜可以彌補(bǔ)單一菌、藻去除染料時(shí)易中毒的缺陷，是十分有前景的處理染料污水的生物材料。

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三種自然生物膜（I. metaphyton、II. epilithon和 III. epiphyton）降解結(jié)晶紫的途徑