"万能溶剂"DMF废水生物处理研究进展
N，N-二甲基甲酰胺（DMF）是一种性能优异的有机溶剂，广泛应用于农药、医药和工业领域。DMF废水的处理由于其毒性高、稳定性高、耐火降解等特点，成为近年来国内外研究的热点和难点。本文综述了DMF废水生物处理的研究进展，包括国内外DMF高效降解细菌、降解代谢及DMF生物处理工艺的研究进展，并展望其未来的发展前景。
N，N-二甲基甲酰胺，简称DMF，是一种透明的、近乎无色的液体，极性强，能与水、醚类、醇类、酯类、酮类、不饱和烃类和芳烃等混溶，被誉为“万能溶剂”。DMF广泛应用于医药、农药、工业领域。在医药上用于合成多西环素、磺胺嘧啶等药物，在农药中用于合成杀虫剂，在石油化工中用作气体吸收剂，用于分离和提炼气体。但是，在DMF生产和应用过程中，会产生DMF废水，剧毒大，难以降解，对环境危害极大。因此，如何减少DMF废水对环境的影响至关重要。
目前，DMF废水的处理主要包括物理、化学和生物方法。与物理方法（萃取、吸附）和化学方法（氧化、光催化氧化）相比，生物处理方法具有环境友好、条件温和、资源节约、无毒无害分解产物、物质良性循环等优点。本文综述了国内外DMF废水生物处理的研究进展，包括国内外DMF高效降解细菌、降解代谢和DMF生物处理工艺的研究进展，并展望其未来的发展前景。
1 DMF废水中生物降解菌的研究现状
高效降解细菌是DMF生物处理的重要组成部分，国内外开展了一系列关于DMF降解细菌的研究。
01 DMF降解菌的基本特性
这
可降解DMF的降解菌主要有副球菌属、产碱碱菌属、假单胞菌属、芽孢杆菌属、芽孢杆菌属等，其中副球菌属是一种短棒状革兰氏阴性菌，进行有氧呼吸代谢，对DMF和嘧啶类物质有很好的治疗效果。产碱体多为革兰氏阴性菌，专性好氧和严格有氧代谢呼吸，在有氧的情况下，它使用氧气作为最终的电子受体，当氧气不足时，使用硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体。芽孢杆菌是一种革兰氏阳性芽孢杆菌，被荚膜化，严格需氧或兼性厌氧，对不利条件具有特殊的抵抗力。苍白芽孢杆菌是一种革兰氏阴性菌，专性需氧，严格好氧呼吸代谢，能降解100mg/L间苯氧基苯甲醛。通过比较细胞脂肪酸成分、水解脂肪酸成分和DNA序列，可以区分不同的DMF降解细菌。表1总结了不同DMF降解细菌的最佳pH值、温度、对DMF的耐受性和DMF去除率。
虽然有许多属可以降解DMF，但副球菌是降解DMF最有效的属之一。 S. et al. 发现 sp. DMF细菌在利用DMF生长的过程中会短暂积累二甲胺和甲胺，最后转化为氨和二氧化碳降解DMF。S.等人发现，生物强化可以改变本地微生物对DMF的处理。将SD1细菌与本土细菌以3：1的体积比混合，可使DMF降解率提高20%，可降低实际工程应用的经济成本，提高DMF降解细菌的利用效率。大多数DMF降解细菌的适宜生长条件为30 °C，pH=7.0。
目前，DMF降解菌对1000 mg/L DMF<处理效果良好。由于DMF的高毒性，当DMF浓度达到降解菌的最大耐受浓度时，降解效果会大大降低。因此，在今后的实际应用中，应严格控制DMF废水的外部条件，提高DMF降解菌的活性，充分发挥其降解能力。
02 提高DMF降解效率的研究
DMF是一种有毒的有机溶剂，未经处理的DMF降解菌很难耐受高浓度的DMF，但将降解菌包埋在合适的培养基中可以提高其对DMF的耐受性。 S.等人利用PVA-海藻酸钠基质包埋DMF降解菌，提高了DMF的降解效率。Yahui Cai等利用聚合物颗粒固定DMF降解细菌，还可以提高降解细菌对DMF等溶解有机化合物的生物降解能力。Yuan Zheng等利用甲基丙烯酸（MAA）和甲基丙烯酸丁酯（BMA）制备了一种新型微生物成分材料（PGO），用于DMF的降解和吸附，结果表明，可完全去除2000 mg/L DMF。因此，包埋和吸附技术可以增强DMF降解菌的降解性能，提高DMF降解菌的去除效率。
在降解DMF的过程中，废水中的DMF可以作为降解细菌的唯一碳源和氮源，但实际污水处理往往含有其他碳源和氮源，需要考虑其他碳源和氮源对DMF降解效率的影响。 K. N. Nisha 等人研究了 DMF 在二次碳源存在下的降解效率（例如， 乙酸、葡萄糖等），结果表明DMF的降解率大大提高。MKU1对DMF的降解效率提高到86.59%，在MKU1中加入葡萄糖和向MKU2添加乙酸后，DMF的降解率分别达到82.7%和80%。这些结果表明，碳源的添加可以提高DMF降解菌对DMF的耐受性，同时提高DMF的生物降解性，有利于DMF降解菌生物膜的形成，从而提高DMF的降解效率。因此，未来可以通过生物代谢增强DMF降解菌对DMF的处理效果，实现DMF的深度降解。
2 DMF降解代谢研究进展
01 降解途径
DMF降解细菌有两种已知的降解途径。第一种途径是在DMF酶的催化下将DMF降解为二甲胺（DMA）和甲酸盐，进一步转化为甲胺（MMA），最后氧化成NH3和CO2，DMF降解。第二种方式是在甲酰胺的催化下多次氧化后生成甲酰胺，然后将甲酰胺转化为NH3和甲酸盐，DMF降解。根据现有文献，第一种方法更为合理。进一步的研究表明，DMA和MMA是DMF降解过程中的重要中间产物，因此可以判断DMF主要通过第一途径降解。
02 酶与质粒的研究进展
酶对细菌代谢非常重要，对细胞的生长和繁殖至关重要。DMF降解酶的研究对于提高DMF降解速率和了解DMF降解的代谢机制具有重要意义。据报道，从DMF 3/3中可分离出N，N-二甲基甲酰胺水解酶（），稳定的最佳温度为20°C，最佳pH为7.5，活性的最佳温度为40°C，最佳pH为5~6。DMF降解酶也可从分子量为180 ku的KUFA-1中分离纯化，含有1条轻链和重链，最佳pH值和温度分别为6.6和55 °C。
质粒是细菌染色体外的遗传物质，可以携带宿主细菌的一些遗传性状，因此质粒的研究对未来DMF降解细菌的大规模生产具有重要意义。质粒 pAMI2 携带蛋白质 DmfR 的三个解码基因，其中两个是亚家族（DmfA1 和 DmfA2），一个是催化高底物 DMF 反应的酶。这些基因的选择性表达对高浓度DMF废水的处理具有重要意义。副球菌JCM 7686包含两种质粒，一种是对身体生存至关重要的一级质粒，另一种质粒对身体的生存也很重要，但在某些条件下可能会进化。JCM 7686 可用于研究此类细菌的遗传多样性和进化。
3 DMF生物处理工艺研究进展
作为一种绿色、节能、环保的废水处理方法，生物处理方法在废水处理中常被用作二次处理。表2按时间顺序总结了国内外DMF（DMF类似物）生物处理工艺的研究成果。
01 DMF生物处理机理分析
EGSB等传统处理工艺因其抗冲击性强、占地面积小、负荷大、传质驱动力高、混流效果好等特点，可用于处理高浓度工业废水，但其对废水中DMF的处理机理尚不明确。在新工艺中，混合床生物膜反应器和活性污泥反应器单独使用，因为在DMF处理过程中会产生NH3，pH值会升高，这对DMF的处理不是很满意。混合床生物膜反应器与活性污泥反应器联合使用时，pH值可保持中性，DMF处理浓度可提高，DMF降解率可显著提高到94.17%。在生态水箱中，DMF先被微生物降解，再被浮游植物吸收或被微生物硝化，最后将DMF处理成地表水，最大容许质量浓度为25 mg/L。
02 未来发展方向
从表2可以看出，从处理对象和处理效果来看，我国DMF处理采用的处理工艺通常对废水中COD的去除效果较好，但对DMF的处理效果并不理想，国外DMF处理采用的处理工艺对DMF的处理效果要好得多， DMF的去除率≥80%。在处理工艺方面，在保证出水水质稳定的前提下，处理工艺逐步从传统工艺向绿色、低碳、环保方向转变。在未来的发展中，需要借鉴国外的DMF处理技术，与国内的DMF处理技术相结合，设计出更环保、更好的DMF处理工艺，提高DMF去除效率，改善出水质量。
4 前景与前景
对于废水中DMF的处理，国外研究者倾向于采用金属催化剂湿法氧化、TiO2光催化氧化和TiO2湿法氧化，其缺点是催化剂难以发挥长期作用，处理成本过高。目前，我国提倡采用生物法，具有成本低、环境友好、能耗低等优点。由于DMF具有稳定性高、降解性能差、生物降解性差等特点，采用生物方法先去除DMF，提高其生物降解性，再进行进一步处理。
未来，可以通过控制反应器的初始参数（例如，SBR的启动模式）来降低废水中DMF的毒性，并且可以通过比较废水中的生物群落来判断DMF的毒性，以便进行进一步的生物处理。其次，DMF降解菌降解DMF的机理尚不是很清楚，未来有可能分离、纯化和培养高效降解DMF的菌株，找到关键酶（）的表达模式，找到影响DMF降解效率的因素，并证明菌株中关键酶（）有效表达的条件， 从而获得DMF降解菌降解DMF的细胞学解释，为DMF的降解和回收以及甲酰胺、二甲胺等难治性有机物的处理提供理论依据。最后，在DMF的处理利用方面，未来的发展方向应该是降低DMF废水处理成本，提高DMF降解菌的生物处理效率，实现资源的充分利用，降低能耗。同时，在处理工艺上，应采用联合处理方法，充分发挥生物方法的优势，提高治疗效果，提高治疗效率。