脫色之反應機制

論及脫色操作最佳化，不得不對脫色機制有深入之瞭解。微生物之脫色 機制有許多種類，如吸附、氧化還原、分解礦化等，其中最簡單之脫色機 制為吸附作用，由於染料受微生物吸附後濃縮於菌泥中，因此吸附會隨時 間增加而逐漸達到飽和(註：生物吸附又至少分為表面吸附及胞內吸附兩 種；Chen et al., 2000)，而此種機制與一般其他物理吸附(如活性碳)之脫色機 制相類似，因此並不利於長期操作或連續式之處理。因此染料與菌體間之 生物相關性勢必成為偶氮染料生物還原之第一步驟(Southern, 1995)。

某些好氧菌(如：Phanerochaete chrysosporium)於有氧之控制條件下，可 將合成具高專一性之偶氮還原酵素以還原之方式來使特定結構之偶氮基斷 裂。相反的，在厭氧條件下菌體之還原酵素，若較不具專一性則可能具較 廣泛之脫色能力，由於工業偶氮染料廢水含有多種染料成分，因此這類菌 種多被應用於工業偶氮染料廢水脫色上。因此生物分解程序可能為厭氧、

好氧或兩者相結合串聯之處理系統。事實上，當考慮菌體與偶氮染料間之 反應時，必須同時亦考慮到菌體於好氧及厭氧條件間之生長代謝活性差異 (Stolz et al., 2001)。再者，由於多數偶氮染料皆具有磺酸取代基及具較大分 子量，因而無法輕易通過細胞膜，因此論及還原脫色活性，一般而言並非 取決於細胞內之染料脫色作用途徑。Russ et al. (2000)亦提出含黃素(flavin) 之共輔因子並無法滲透過菌體胞膜，因而限制黃素在細胞質內將磺酸化偶 氮染料還原之可能性，因此造成細胞質與細胞外膜間之偶氮還原酵素形成 是主要負責還原磺酸偶氮染料之機制。此類反應機制中，包含在胞外環境 中偶氮染料進行電子傳遞相關之還原作用。為達到此目的，菌體必須建立 出胞內細胞電子傳遞系統及大分子量偶氮染料分子間之關聯。欲完成此種 關聯，其電子傳遞元素(如：cytochrome C)則必須位於菌體胞外之胞膜上(如 格蘭式陰性菌)，於此種情形下菌體可使胞膜表面之偶氮染料或氧化還原介 質(redox mediator) 直接接觸。而 Gingell 與 Walker (1971)亦發現位在外膜之 低分子量之氧化還原介質化合物(如：外加可溶性黃素(soluble flavin)更可作 為電子梭(electron shuttles)，可用來扮演偶氮染料與 NADH 相關偶氮還原酵 素之部分角色。事實上，此種介質更可經由基質之代謝生成或外加方式而 得到。而外加合成還原介質(如 anthraquinone sulphonates)即使在極低的濃度 下，仍可加強胞外環境非酵素相關之偶氮染料還原作用；但若胞外為好氧 之環境時，由於氧氣較此類介質更易得到電子，因此會由於氧氣的存在勢

必抑制了染料還原作用。另一方面，Kudlich et al. (1997)亦支持此類細胞膜 相結合之偶氮還原酵素活性，這不同於在細胞質中可經由胞膜滲透的非磺 酸類染料之還原作用，這顯示在對硫醇具專一性之抑制因子作用下，

Sphingomonas sp.菌體中與胞膜結合之偶氮還原酵素會完全失活，但與細胞 質中相關之偶氮還原酵素則不具影響，因此可知與細胞膜結合及在細胞質 中作用之偶氮還原酵素應分屬兩種不同之酵素系統。

圖2.4 菌體於厭氧條件下以氧化還原介質進行偶氮染料還原之反應機構圖 示 (引自 Keck et al., 1997)

上圖2.4 為菌體於厭氧條件下以氧化還原介質進行偶氮染料還原之反應 機構圖示，菌體胞外之染料還原主要是依賴化學氧化還原反應，其氧化還

原介質則需細胞質之還原酵素所提供之電子，而此種化學氧化還原反應亦 可能伴隨偶氮還原酵素一併發生，這可能是經由細胞質內合成及胞內所釋 放之脫氫酵素所造成(Bragger et al., 1997)。

總結上述文獻可知，細菌系統之偶氮染料脫色至少涵蓋有兩種機制，(1)菌 體分解有機碳，再利用ATP 產生酵素來直接轉移電子至最終電子接受者(偶 氮染料)；(2)不經由 ATP 產生而經由細菌分解基質之最終產物來降解偶氮染 料。而有機(如：丙酮酸(pyruvate))或無機物質(如：硫酸)則可在上述機制中 可扮演還原當量及偶氮染料之電子梭(electron shuttle)作用(Yoo et al., 2000)。