全球每年产生的合成染料达7×107吨，其中有3×104–1.5×105吨的染料排放进入水环境中，且很大一部分以分散的形式排入，是主要的面源污染物类型之一。苋菜红（Amaranth）、甲基橙（methyl orange）和结晶紫（crystal violet）这些染料在面源污水中广泛存在，对水生动植物及人类造成严重的潜在威胁。在传统的生物处理方法中，一般都是利用驯化的办法，培养出能降解特定染料的纯微生物菌株，但是，这些纯菌株面对组分复杂的面源污水时，效率往往会降低，甚至出现“中毒”现象。
为解决这一科学难题，南京土壤研究所吴永红研究员课题组提出利用自然生物膜净化面源污水中染料的设想，首先在室内培养出了三种类型的自然生物膜（epiphyton、metaphyton 和 epilithon），利用这三种自然生物膜设计和制作了相应的生物反应器，利用这些反应器去除面源污水中的结晶紫（crystal violet）、甲基橙（methyl orange）和苋菜红（amaranth），然后阐明其作用机制。

三种自然生物膜对结晶紫的耐受程度都很高，最高浓度达1000 mg/L，并且在30℃，pH = 7的环境下，可在168h内使其完全脱色（Journal of Cleaner Production, 2018, 170: 425-436）。自然生物膜对结晶紫的降解途径主要是生物降解，以及吸附（包括微量的解吸）的协同作用，最终产物为无毒的脂类化合物，且都没有产生任何有毒的次生代谢产物。

三种自然生物膜可以72h内使浓度为500mg/L的甲基橙转化为更加简单的化合物，如苯酚、乙酸乙酯等（Chemosphere, 2017, 167: 236-246）。自然生物膜对甲基橙的去除虽然也是生物降解和生物吸附的协同作用，但是其生物吸附过程可以用伪二阶吸附动力学来描述。Elovich（叶洛维奇）、Langmuir（朗格缪尔）方程式以及内部的扩散模型都适合于自然生物膜对甲基橙的吸附过程。

对于苋菜红，三种自然生物膜可以30℃，pH = 7的环境下，使500mg/L的苋菜红在84h内使其完全脱色（Bioresource Technology, 2017, 225: 395-401）。自然生物膜的主要作用类群包括蓝细菌，变形杆菌和类杆菌属，其对苋菜红染料的去除机制主要是生物降解，自然生物膜通过破坏苋菜红的偶氮键，使苋菜红被转化为无毒的脂族化合物，包括异丁烯、乙酸乙酯等非有毒的化合物。

总的来说，自然生物膜虽然对不同染料其去除机制不同，但都可以使面源污水中的染料完全脱色，处理后的污水达到农业灌溉标准，满足农业灌溉用水要求。这些结果说明，自然生物膜可以弥补单一菌、藻去除染料时易中毒的缺陷，是一种十分有前景的处理染料污水的生物材料。

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　　三种自然生物膜（I. metaphyton、II. epilithon和 III. epiphyton）降解结晶紫的途径