微生物強化技術(shù)及其在水處理中的應(yīng)用
來源：北京市水處理環(huán)保材料工程技術(shù)研究中心 閱讀：8613 更新時間：2014-11-14 13:35
1.微生物檢測技術(shù)
微生物是指一切肉眼看不到或看不清楚的一群微小生物的總稱。個體微。ㄖ睆叫∮0.1毫米），構(gòu)造簡單。微生物包括細(xì)菌、放線菌、原生動物、藻類和原蟲）和非細(xì)胞型微生物（如病毒）等。微生物在自然界分布及其廣泛，在生態(tài)系統(tǒng)中能量流動和物質(zhì)循環(huán)中扮演著重要的角色，微生物不僅是分解者的重要組成部分，并且在生產(chǎn)者中也不乏微生物的存在，其體積小、面積大，吸收多、轉(zhuǎn)化快，生長旺、繁殖快，適應(yīng)強、易變異，分布廣、種類多。
微生物系統(tǒng)以其強大的能量與人類日常生活、健康聯(lián)系非常密切，工業(yè)應(yīng)用也日益廣泛。微生物數(shù)目、種類、群落結(jié)構(gòu)等變化能夠較好的反映其生存環(huán)境的改變，通過這些改變能夠發(fā)現(xiàn)新的過程并解釋過程的機理，然而微生物小而復(fù)雜，需要一些特殊的技術(shù)檢測，目前微生物監(jiān)測方法主要有傳統(tǒng)微生物學(xué)方法和現(xiàn)代微生物分析方法。
1.1傳統(tǒng)微生物學(xué)方法
傳統(tǒng)微生物分析方法是以培養(yǎng)為基礎(chǔ)，主要集中在對環(huán)境微生物個體或菌落水平的觀察和分析，包括微生物的分離、培養(yǎng)、保存，以及微生物呼吸、代謝、分泌物(酶)活性等的測定。然而，自然界中能被培養(yǎng)的環(huán)境微生物非常有限，不到整個自然界的1%，僅僅依靠以培養(yǎng)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)微生物分析方法很難滿足當(dāng)今對微生物資源研究和開發(fā)的需要。
1.2現(xiàn)代微生物分析方法
與傳統(tǒng)微生物分析方法不同，現(xiàn)代微生物分析方法方法不以微生物的培養(yǎng)為前提，而是以分子生物學(xué)、生物標(biāo)記等為基礎(chǔ)，分析不同環(huán)境中微生物的群落結(jié)構(gòu)、生物量以及生物多樣性等的變化。與傳統(tǒng)方法相比，現(xiàn)代微生物分析方法受人為因素影響更小，測得結(jié)果更為準(zhǔn)確，測試指標(biāo)更為全面和詳細(xì)，從中獲取的信息更為豐富。
1.2.1熒光原位雜交(FISH)技術(shù)
熒光原位雜交技術(shù)是根據(jù)已知微生物不同分類級別上種群特異的DNA序列，以利用熒光標(biāo)記的特異寡聚核苷酸片段作為探針，與環(huán)境基因組中DNA分子雜交，檢測該特異微生物種群的存在與豐度。微生物細(xì)胞在載玻片上脫水后，與帶有熒光染料標(biāo)記的寡核糖探針在一定溫度下混合。 具有與探針堿基對完全互補序列的RNA隨即與探針發(fā)生雜交，從而使該菌體在熒光顯微鏡下發(fā)出熒光。FISH技術(shù)多用于分析單個細(xì)胞水平上的微生物群落結(jié)構(gòu)，以rDNA為靶點的寡核苷酸探針，可用于原位鑒定單個細(xì)胞。
1.2.2變性梯度凝膠電泳(DGGE)
DGGE是根據(jù)DNA在不同濃度的變性劑中解鏈行為的不同而導(dǎo)致電泳遷移率發(fā)生變化，從而將片段大小相同而堿基組成不同的DNA片段分開。DGGE對微生態(tài)的分析一般包括三個步驟：核酸提取，16SrRNA序列的PCR擴增以及DGGE指紋圖譜分析。
DGGE已廣泛用于分析自然環(huán)境中細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌, 古菌、微型真核生物、真核生物和病毒群落的生物多樣性。這一技術(shù)能夠提供群落中優(yōu)勢種類信息并同時分析多個樣品，具有可重復(fù)和操作簡單等特點, 適合于調(diào)查種群的時空變化, 并且可通過對條帶的序列分析或與特異性探針雜交分析鑒定群落組成。DGGE方法的局限性是，只能分離較小的DNA片段（＜500 bp），使用于系統(tǒng)發(fā)育分析比較和探針設(shè)計的序列信息量受到了限制。在某些情況下，存在一菌多帶和一帶多菌現(xiàn)象。
1.2.3末端限制性片段長度多態(tài)性分析技術(shù)（T-RFLP）
T-RFLP是一種新興的研究微生物多態(tài)性的分子生物學(xué)方法，該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于各種微生物群落的分析比較、研究微生物群落多樣性及結(jié)構(gòu)特征等多方面。
T-RFLP的技術(shù)原理是根據(jù)的保守區(qū)設(shè)計通用引物，其中一個引物的5‘末端用熒光物質(zhì)標(biāo)記，提取待分析樣的中DNA，以他為模板進(jìn)行PCR擴張，所得到的PCR產(chǎn)物的一段就帶有這種熒光標(biāo)記，然后PCR產(chǎn)物有合適的限制性內(nèi)切酶進(jìn)行消化。由于在不同細(xì)菌的擴增片段內(nèi)存在核苷酸序列的差異，酶切位點就會存在差異，酶切后就會產(chǎn)生很多不同長度的限制性片段。消化產(chǎn)物用自動測序儀進(jìn)行測定，只有末端帶有熒光性標(biāo)記的片段能被檢測到。因為不同長度的末端限制性片段必然代表不同的細(xì)菌，通過檢測這些末端標(biāo)記的片段就可以反應(yīng)微生物群落組成情況。
1.2.4克隆文庫
克隆文庫法是70年代早期重組DNA技術(shù)的一個發(fā)展，其原理是針對目標(biāo)微生物的16S rRNA或功能基因進(jìn)行選擇性擴增，將擴增后的產(chǎn)物連接到載體上并與載體一起轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞。帶有重組擴增后的產(chǎn)物連接到載體上并與載體一起轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞。帶有重組質(zhì)粒的受體細(xì)胞經(jīng)過選擇性的培養(yǎng)，最終將帶有正確長度插入片段的克隆篩選出來。再測定克隆產(chǎn)物的基因序列，通過與GeneBank數(shù)據(jù)庫中已有數(shù)據(jù)的對比，即可鑒定目標(biāo)微生物的系統(tǒng)發(fā)育地位，許多序列可以鑒定到種的水平？寺∥膸煊行У貜浹a了基于培養(yǎng)的傳統(tǒng)微生物技術(shù)的局限性，尤其適于對微生物群落中難以培養(yǎng)或含量不高的微生物種群的分析(Sanz and Kochling 2007)？寺∥膸斓牟蛔闶，煩瑣耗時，不適合對微生物群落結(jié)構(gòu)的動態(tài)監(jiān)測。不過，克隆文庫對某些分子生物學(xué)分析方法有很好的補充作用。
1.2.5高通量測序技術(shù)
高通量測序技術(shù)（High-throughput sequencing）又稱“下一代”測序技術(shù)，以能一次并行對幾十萬到幾百萬條DNA分子進(jìn)行序列測定和一般讀長較短等為標(biāo)志。根據(jù)發(fā)展歷史、影響力、測序原理和技術(shù)不同等，主要有以下幾種：大規(guī)模平行簽名測序（Massively Parallel Signature Sequencing, MPSS)、聚合酶克。≒olony Sequencing）、454焦磷酸測序（454 pyrosequencing）、Illumina (Solexa) sequencing、ABI SOLiD sequencing、離子半導(dǎo)體測序（Ion semiconductor sequencing）、DNA 納米球測序 （DNA nanoball sequencing）等。454 Pyrosequencing 是被研發(fā)出的首個高通量基因組測序系統(tǒng)，它采用的是焦磷酸法測序法。454測序的原理為，纖維化微陣列孔中固定有擴增產(chǎn)物磁珠Bst（Bacillus stearothermophilus,嗜熱脂肪芽孢桿菌）聚合酶和單鏈結(jié)合蛋白。由于微孔的直徑為29 μm，而一個磁珠的直徑通常為28 μm，因此每個孔內(nèi)只能容納一個磁珠？装宓囊粋(cè)為試劑的流動室，在測序反應(yīng)時加入含有固相化ATP硫化酶和熒光素酶的擴增產(chǎn)物磁珠；另一側(cè)為光纖束信號檢測設(shè)備。測序過程中，每隔數(shù)百個循環(huán)引入一種未標(biāo)記的核苷酸。在聚合酶的作用下，核苷酸會結(jié)合在模板序列的對應(yīng)位點上，同時釋放出焦磷酸。再在各種酶的催化下，焦磷酸將螢光素氧化成氧化螢光素并釋放出光信號。使用信號檢測設(shè)備檢測釋放出的光信號，即可判斷該種核苷酸在模板上的結(jié)合位點。因此，通過加入不同的核苷酸類別，確定其結(jié)合位點，就可以推知模板的堿基排列順序。相較于其它的第二代測序技術(shù)，454平臺的優(yōu)點是讀取長度較長。
微生物檢測技術(shù)為微生物在各個領(lǐng)域的研究工作帶來了諸多便利，較大程度的促進(jìn)了微生物技術(shù)的工程化。尤其在處理各行各業(yè)污水，微生物的更新發(fā)展速度快，如果想要達(dá)到最好的處理效果，對微生物的生長狀態(tài)、種類、群落結(jié)構(gòu)等的監(jiān)測往往是非常重要的。尤其在微生物強化技術(shù)的應(yīng)用中，由于污水水質(zhì)變化較快并且投加藥劑對微生物群落都是不小的沖擊，微生物檢測技術(shù)在微生物強化技術(shù)應(yīng)用于污水處理行業(yè)提供了更深一步研究的可能。
2微生物強化技術(shù)的原理及特點
隨著經(jīng)濟、技術(shù)的不斷發(fā)展，大量的污染物質(zhì)被排放到水體中，其中一些有機物對微生物有毒害作用，或者在固有環(huán)境中缺乏降解這些污染物的微生物，再或者一些污染物質(zhì)不能被微生物直接利用，傳統(tǒng)的微生物技術(shù)已經(jīng)不能滿足污水處理的需要。這就需要用到微生物強化技術(shù)。生物強化技術(shù)是向傳統(tǒng)的生物處理系統(tǒng)中引入具有特定功能的微生物,提高有效微生物的濃度,增強對難降解污染物的降解能力,提高其降解速率,并改善原有生物處理體系對目標(biāo)污染物的去除效能。將利用生物強化技術(shù)得到的菌種應(yīng)用到傳統(tǒng)生物技術(shù)中去或者開發(fā)適合微生物強化技術(shù)的新的處理工藝，受到了越來越多的關(guān)注。
2.1生物強化技術(shù)原理
生物強化技術(shù)通過微生物的直接作用，共代謝作用，基因水平轉(zhuǎn)移作用，等幾種方式來降解污染物。
2.1.1 直接作用
直接作用就是通過馴化、篩選、誘變、基因重組等技術(shù)得到一株以目標(biāo)降解物質(zhì)為主要碳源和能源的微生物，并向處理系統(tǒng)中投入一定量的該菌種，以增強去除效果。
2.1.1.1對有機物的直接作用
就有機物而言，隨著工業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，大量的有機物排放到水體中，使水體發(fā)黑發(fā)臭，富營養(yǎng)化，嚴(yán)重影響了水體的功能和質(zhì)量。復(fù)雜有機物在微生物胞外酶的作用下轉(zhuǎn)變成簡單那有機物，簡單有機物被好氧微生物吸收后，在好氧微生物胞內(nèi)酶的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和H2O，被厭氧微生物吸收后在胞內(nèi)酶的作用下轉(zhuǎn)變成CO2、H2O、H2、CH4、H2S及有機酸、醇、酮、醛等未完全氧化的氧化產(chǎn)物。其中有一些復(fù)雜有機物難以被微生物利用，或者會對微生物產(chǎn)生毒害作用，從而會對為微生物的群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。由于有機污染物兼具污染物和碳源的特性，會對水體中微生物群落產(chǎn)生十分復(fù)雜的影響，它對環(huán)境中微生物的影響是具有選擇性的，一些種群因受到毒害而沒落，但是能夠分解這種有機物的微生物種群能夠得以幸存和發(fā)展，因而我們可以利用某些微生物的這種特性去降解一些復(fù)雜，難降解，有毒害的有機污染物。
2.1.2.2對重金屬的直接作用
某些微生物在重金屬元素的脅迫下，通過調(diào)整自身新陳代謝活動，適應(yīng)了受重金屬污染的環(huán)境，通過各種機制對重金屬產(chǎn)生了抗性，并且可以對重金屬進(jìn)行吸附、絡(luò)合、沉淀和化合價轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到去毒作用。對重金屬有抗性的微生物種群是修復(fù)重金屬污染微生物的主要來源。
微生物主要通過四種方式實現(xiàn)對重金屬污染的修復(fù)：一、微生物可以吸附環(huán)境中的重金屬，研究表明，細(xì)菌、真菌等微生物具有吸附重金屬離子的功能，吸附過程包括兩個階段，胞外吸附和胞內(nèi)轉(zhuǎn)移。首先，由于微生物的細(xì)胞壁表面含有一些基團 （例如巰基、磷；、羥基、羧基），這些基團都含有 P、S、O 等原子，這些原子都含有孤對電子能為重金屬離子提供配位絡(luò)合的電子對，使重金屬結(jié)合在細(xì)胞壁上，然后被吸附的金屬離子通過主動運輸被轉(zhuǎn)移到微生物細(xì)胞內(nèi)，供其生命活動，或被積累下來。二、利用微生物的氧化還原作用能夠改變重金屬離子的價態(tài)，可以將重金屬轉(zhuǎn)變成不易溶解的沉淀狀態(tài)使其毒性降低，從而達(dá)到去毒作用；三，微生物對重金屬的絡(luò)合、沉淀作用。一方面微生物可以通過直接作用，或向環(huán)境中釋放代謝產(chǎn)物改變重金屬所處環(huán)境的PH值，使其沉淀下來降低毒性；另一方面，微生物的某些代謝產(chǎn)物排出體外后可以與環(huán)境中的重金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，改變其遷移性和毒性。
2.1.2共代謝
共代謝是指對于一些有毒有害物質(zhì)，微生物不能以其為碳源和能源生長，但在其它基質(zhì)存在的情況下，微生物能夠改變這種有害物的化學(xué)結(jié)構(gòu)使其降解。大部分有機化合物難以被微生物直接作為生長碳源和能源使用而被降解，共代謝是此類化合物主要微生物降解機制。例如牦牛分枝桿菌在丙烷上生長的同時，有能力共代謝環(huán)己烷，將環(huán)己烷氧化成能被假單胞菌種群利用的環(huán)己酮，而這些假單胞菌沒有能力直接利用環(huán)己烷。共代謝機制的存在可能是由于一、微生物體內(nèi)缺少進(jìn)一步降解的酶系，二、中間產(chǎn)物的抑制作用，三、需要另外的基質(zhì)，或必須和其它微生物聯(lián)合作用。共代謝機制的存在，大大拓展了微生物對難降解有機物的作用范圍。但是共代謝微生物生長緩慢，物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率低，容易引起一些有毒物質(zhì)的積累。目前關(guān)于有機物共代謝的機制還沒有完全研究清楚，但共代謝作為一種代謝機制廣泛存在于共基質(zhì)的生物降解過程中，并作為一種新技術(shù)在難降解有機廢水治理中已取得了應(yīng)用。
2.1.3基因水平轉(zhuǎn)移作用
細(xì)菌中的一些核心基因被認(rèn)為是比較保守的,是垂直遺傳的,而水平基因轉(zhuǎn)移是指在差異生物個體之間所進(jìn)行的水平遺傳物質(zhì)的交流。水平基因轉(zhuǎn)移的最早證據(jù)是發(fā)現(xiàn)抗生素的廣泛使用后的抗性基因的快速擴散。研究表明細(xì)菌間水平基因轉(zhuǎn)移包括接合、轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)導(dǎo)3種基本方式。水平基因不具有種間或基因組間的特異性,能在細(xì)菌間廣泛轉(zhuǎn)移。接種含有可移動基因組分可為微生物引入特定特征的代謝基因。一旦代謝活性的基因組分在土著微生物中轉(zhuǎn)移、表達(dá),就不再需要供體。例如，Springael等向活性污泥和活性污泥-膜生物反應(yīng)器中引入P.putidaBN210菌株,這種微生物攜帶能降解3-氯苯甲酸(3CBA)的clc基因。利用PCR-DGGE分析表明,盡管2個反應(yīng)器中BN210菌株消失,反應(yīng)器仍具有降解3CBA性能,表明clc基因組分已轉(zhuǎn)移到土著微生物中。降解基因的水平轉(zhuǎn)移使細(xì)菌群落能更快的適應(yīng)污染環(huán)境，有力的促進(jìn)了環(huán)境中一些污染物的降解，從而增強了微生物生物修復(fù)效果。
2.2 微生物強化技術(shù)的實現(xiàn)
我們可以通過從自然界中篩選菌株，構(gòu)建基因工程菌，購買商業(yè)菌劑來實現(xiàn)來獲得高效的菌株。
2.2.1高效菌株的培育
2.2.1.1從自然界中篩選菌株
在自然界中，處理污染所需要的菌株與其它微生物混雜在一起，為了獲取高效菌株，就必須將其從混雜的微生物群體中分離出來，進(jìn)行進(jìn)一步的發(fā)酵培養(yǎng)。要獲得高效菌株，在長期馴化或受污染環(huán)境中,通過選擇性培養(yǎng)基分離具有特定降解性能的微生物,再通過富集培養(yǎng)、多次分離純化得到高效微生物用于生物強化,具直到現(xiàn)在,利用這種分離方法篩選到的高效菌仍是生物強化技術(shù)的主流。理想菌株的篩選是生物強化技術(shù)決定性因素;新的生態(tài)環(huán)境對生物強化效果也有重要影響。
2.2.1.2構(gòu)建基因工程菌
構(gòu)建基因工程菌，也就是運用微生物遺傳學(xué)的手段去改造微生物特性,使之獲得高耐毒性、高降解活性以及特異或廣譜降解污染物等優(yōu)良遺傳性狀,從而創(chuàng)造出新的高效生物處理工藝。利用高效降解基因工程菌生物強化處理難降解污染物，有利于提高污染物降解速率，并對提高處理系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力具有顯著效果.
基因工程菌的構(gòu)建過程主要包括以下的 5個方面:1、從供體細(xì)胞中分離出基因組 DNA, 用限制性核酸內(nèi)切酶分別將外源DNA和載體分子切開;2、用 DNA 連接酶將含有外源基因的DNA 片段接到載體分子上, 形成 DNA 重組分子;3、 借助于細(xì)胞轉(zhuǎn)化手段將 DNA 重組分子導(dǎo)入受體細(xì)胞中;4、短時間培養(yǎng)轉(zhuǎn)化細(xì)胞, 以擴增 DNA 重組分子或使其整合到受體細(xì)胞的基因組中;5、篩選和鑒定轉(zhuǎn)化細(xì)胞, 獲得使外源基因高效穩(wěn)定表達(dá)的基因工程菌或細(xì)胞。
作為現(xiàn)代生物工程的關(guān)鍵技術(shù), 基因工程的主體戰(zhàn)略思想是外源基因的穩(wěn)定高效表達(dá),近年來研究人員對基因工程菌進(jìn)行了大量的研究，取得了一定的成就。例如，白腐真菌產(chǎn)生的木質(zhì)素過氧化物酶(LiP)在污染治理領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景,但其發(fā)酵生產(chǎn)受到白腐真菌自身生長調(diào)控條件的限制,LiP基因的異源表達(dá)是解決這個瓶頸問題的有效途徑。本課題組通過實驗，獲得了白腐真菌木質(zhì)素過氧化物酶(LiPH2)基因,分別將其轉(zhuǎn)化于巴斯德畢赤酵母(Pichia pastoris)和大腸桿菌(Escherichia coli),獲得LiPH2基因的異源表達(dá)特性。并用于廢水脫色處理，獲得了良好的效果。
2.1.1.3 購買商業(yè)菌劑
微生物制劑是指將從自然界中篩選出或人工培育、具有特定降解功能的微生物，來制成菌液制劑，或?qū)⑵涓街谳d體上制成干粉制劑，以改善環(huán)境狀況和強化處理系統(tǒng)為目標(biāo)，通過菌群構(gòu)建等科學(xué)方法得到的具有特殊功能的生物制品。商業(yè)菌劑中通常含有處理污染所需要的完整的微生物群落，由自養(yǎng)、異養(yǎng)、兼性菌構(gòu)成。
選擇購買商業(yè)菌劑時注意一下事項：1、在較低或較高溫度下生長的能力;2、抵抗高濃度污染物的能力；3、抗重金屬的能力；4、在較寬泛的環(huán)境和介質(zhì)中生存的能；5、產(chǎn)生生物表面活性劑，更利于與污染物接觸。
本課題組已經(jīng)分離、鑒定了多株可用于水產(chǎn)養(yǎng)殖水體修復(fù)的光合細(xì)菌、芽孢桿菌、乳酸菌、氨氧化菌群與反硝化細(xì)菌，并形成復(fù)合菌劑，在污染水體中實現(xiàn)了初步應(yīng)用。微生物掛膜菌劑，該產(chǎn)品是卓越的活性微生物和酶的混合體，含有異養(yǎng)硝化細(xì)菌，好氧反硝化細(xì)菌，芽孢桿菌和光合細(xì)菌等多種微生物以及脂肪酶、蛋白酶、纖維素酶等生物酶。
2.2.2 高效菌種在投加系統(tǒng)內(nèi)的保持及活力表達(dá)
陌生的生態(tài)環(huán)境也是生物強化技術(shù)成功的一個主要障礙。有時生物強化技術(shù)的失敗并不是由于缺乏相關(guān)的、具有代謝功能的微生物,而是由于缺乏維持微生物正常代謝功能和活性的環(huán)境條件。盡管各種單一的或混合菌株加入生態(tài)系統(tǒng)中能夠提高該生態(tài)系統(tǒng)中生物降解潛能,但效果經(jīng)常是短暫的。原生、后生動物的捕食,與土著微生物競爭營養(yǎng)物質(zhì)、電子受體,濕度、溫度、pH、DO、污染物濃度、毒性和微量元素等多種因素共同影響生物強化的效果。因此,為了給外源微生物創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境,一方面,可通過生物刺激與生物強化相結(jié)合,提高外源微生物的競爭力,如提供充足的營養(yǎng)、微量元素等,另一方面,通過各種固定化手段防止接種微生物流失,減少直接捕食等。
2.3 生物強化技術(shù)的應(yīng)用特點
盡管生物強化在生物修復(fù)中的作用在環(huán)境微生物學(xué)術(shù)界的評價褒貶不一,而且許多成功的實踐都僅停留在實驗室階段,但存在對微生物有毒性作用的污染物或缺乏一定數(shù)量和質(zhì)量有效微生物的生物處理系統(tǒng)中,生物強化技術(shù)有明顯的優(yōu)勢。微生物強化技術(shù)操作簡單，能夠因地制宜，靈活的應(yīng)用于不同污染特性的環(huán)境中，這種技術(shù)針對性強，能夠有效針對目標(biāo)物質(zhì)發(fā)生作用，并且見效速度快。但是同時微生物強化技術(shù)也存在著自身的不足和問題，系統(tǒng)中的高效菌的不易存活，并且容易流失，其數(shù)量和活性不容易控制，其次，對于投加基因工程菌進(jìn)行生物強化還存在一定的環(huán)境風(fēng)險。
3 微生物強化在水處理中的應(yīng)用
生物強化技術(shù)具有高效去除目標(biāo)污染物、加速系統(tǒng)啟動、提高系統(tǒng)抗水力及有機負(fù)荷能力以及優(yōu)化系統(tǒng)菌。群結(jié)構(gòu)和增強功能穩(wěn)定性等功能，在廢水生物處理實際應(yīng)用中潛力巨大。國內(nèi)外生物強化處理技術(shù)在水處理方面的應(yīng)用主要有以下幾個：（1）高濃度有機廢水；（2）有毒、有害難降解污染物的治理；（3）脫氮除磷；（4）改善系統(tǒng)污泥特性，降低污泥產(chǎn)量；（5）強化廢水中油脂的液化和降解；（6）江河湖泊等的水體修復(fù)；（7）地下水生物修復(fù)；
3.1去除難降解有機物
研究者們利用各種手段分離到具有特定降解性能的微生物，通過生物強化手段，提高有效微生物的濃度，改善生物系統(tǒng)的處理效果。
Wang等以喹啉作為目標(biāo)污染物，在厭氧-缺氧-好氧(A/A/O)系統(tǒng)以喹啉降解菌Burkholderia pickettii強化處理焦化廢水。結(jié)果表明，厭氧、缺氧和好氧反應(yīng)器中COD的去除率分別為25%、16%和59%。Shi等在活性污泥反應(yīng)器后設(shè)置以2,4-DCP降解菌為生物強化菌劑處理生活污水和多氯酚的混和液的反應(yīng)器，結(jié)果表明，2, 4-DCP降解菌不僅提高了2, 4-DCP的處理效率，同時提高其他多氯酚如4-氯酚、2, 4, 5-三氯酚的去除率，并改善了系統(tǒng)抗毒性物質(zhì)沖擊負(fù)荷能力。
在含有難降解化合物的造紙廢水、制藥廢水、染料廢水和農(nóng)藥廢水生物處理中，應(yīng)用高效微生物強化，都取得了一定的成效。隨著進(jìn)入水體環(huán)境污染物種類增多, 很多是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物或多種化合物的混合物, 只有非常專一的菌株或具有特定代謝性能的微生物才能降解。如一些典型的化學(xué)污染物包括多環(huán)芳烴、鹵化有機物、多氯聯(lián)苯、多硝基芳烴和有機磷等農(nóng)藥和殺蟲劑。由于這些物質(zhì)對微生物有毒害作用, 相應(yīng)具有代謝功能的微生物數(shù)量很少, 因此這些物質(zhì)會長期殘留在環(huán)境中, 造成污染。用常規(guī)的生物處理方法很難達(dá)到理想的效果, 生物強化技術(shù)成為有效的輔助手段。
3.2去除廢水中過量營養(yǎng)物
由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放大量的無機鹽，使水體中氮、磷等營養(yǎng)物含量過高，引起富營養(yǎng)化。而生物法處理這些污染物時，相應(yīng)的微生物生長緩慢，或維持高濃度微生物的條件控制困難。如生物硝化工藝主要缺點之一是啟動時間長、污泥流失或遭受沖擊負(fù)荷后很難恢復(fù)。這些問題主要是由于硝化菌生長速率緩慢，硝化菌產(chǎn)率低，因此生物強化技術(shù)被廣泛引入相應(yīng)的生物處理系統(tǒng)中。Satoh等研究了硝化菌生物強化對轉(zhuǎn)盤生物膜反應(yīng)器啟動的影響, 表明硝化菌強化極大地促進(jìn)生物膜中硝化菌群的高密度生長, 導(dǎo)致快速啟動和原位硝化活性的提高。接種的微生物能在生物膜中擴增或繁殖。硝化菌的加入提高了生物膜表面硝化菌的豐度, 從而導(dǎo)致硝化速率加快。
許燕濱等采用原生質(zhì)體融合技術(shù)，將兩株具有含氯有機化合物降解特性的菌假單胞T21和諾卡氏菌RB21融合構(gòu)建成一株高效降解含氯有機化合物工程菌，應(yīng)用于造紙漂白廢水后顯示融合菌去除CODCr和總氯的能力比混合菌分別提高72.05%和190%。Belia等利用純培養(yǎng)菌株Acinetobacter lwoffii對傳統(tǒng)活性污泥進(jìn)行強化, 使聚磷菌在微生物中占主導(dǎo)地位, 成為強化生物除磷工藝(EBPR)。實驗證實, 生物強化14d后能夠?qū)鹘y(tǒng)污水處理廠的活性污泥轉(zhuǎn)化成為EBPR污泥, 能適應(yīng)磷負(fù)荷沖擊。
3.3維持生物系統(tǒng)的穩(wěn)定性
污染物的化學(xué)性質(zhì)、濃度、環(huán)境的理化特征(pH、氧化還原電位和溫度等)、微生物對污染物的可利用性等多種因素影響微生物的生存及代謝活性。生物處理系統(tǒng)易受各種因素的影響導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定, 甚至系統(tǒng)崩潰。利用生物強化技術(shù), 可提高有效微生物濃度, 減輕各種外界因素對系統(tǒng)的沖擊。
Boon等研究了3-氯苯胺對活性污泥反應(yīng)器的沖擊、對系統(tǒng)受沖擊后氨氮去除效率的恢復(fù)、污泥菌群結(jié)構(gòu)和功能的變化，如硝化效果、有機物去除效率和污泥沉降性能等多方面的影響。在非生物強化的反應(yīng)器中，受3-氯苯胺2d的沖擊后，出現(xiàn)氨氮積累，硝化活性在12d內(nèi)不能恢復(fù)，COD的去除率下降36%；而生物強化反應(yīng)器中硝化活性在4d內(nèi)恢復(fù)，COD的去除效率沒有下降。結(jié)果表明，接種32氯苯胺降解菌株強化加速了32氯苯胺的降解，保護硝化菌群，改善反應(yīng)器受毒害物質(zhì)沖擊后的恢復(fù)能力。
4本中心在微生物強化方面的成果
北京市水處理環(huán)保材料工程技術(shù)研究中心，通過多年的科研工作，在基因工程菌，微生物菌劑及濕地生物強化方面取得了顯著成績，并在河湖污染水體的生態(tài)修復(fù)、生活及工業(yè)廢水處理中得到了應(yīng)用，取得了良好的效果。
4.1基因工程菌-白腐真菌
白腐真菌產(chǎn)生的木質(zhì)素過氧化物酶(LiP)在污染治理領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景,但其發(fā)酵生產(chǎn)受到白腐真菌自身生長調(diào)控條件的限制,LiP基因的異源表達(dá)是解決這個瓶頸問題的有效途徑。
本課題組通過實驗，獲得了白腐真菌木質(zhì)素過氧化物酶(LiPH2)基因,分別將其轉(zhuǎn)化于巴斯德畢赤酵母(Pichia pastoris)和大腸桿菌(Escherichia coli),獲得LiPH2基因的異源表達(dá)特性。并用于廢水脫色處理，獲得了良好的效果。
Burkholderia cepacia G4，在芳香族化合物存在的條件下能夠共代謝三氯乙烯(TCE)，但降解中間產(chǎn)物會對該菌起毒害抑制作用。通過Tn5插入產(chǎn)生Burkholderia cepacia G4 5223-PR1，能夠從結(jié)構(gòu)上表達(dá)降解TCE的鄰甲苯單氧合酶，因此在沒有誘導(dǎo)物（如芳香族化合物）的情況下也可降解TCE。
4.2微生物復(fù)合菌劑
本課題組已經(jīng)分離、鑒定了多株可用于水產(chǎn)養(yǎng)殖水體修復(fù)的光合細(xì)菌、芽孢桿菌、乳酸菌、氨氧化菌群與反硝化細(xì)菌，并形成復(fù)合菌劑，在污染水體中實現(xiàn)了初步應(yīng)用。微生物掛膜菌劑，該產(chǎn)品是卓越的活性微生物和酶的混合體，含有異養(yǎng)硝化細(xì)菌，好氧反硝化細(xì)菌，芽孢桿菌和光合細(xì)菌等多種微生物以及脂肪酶、蛋白酶、纖維素酶等生物酶。
4.3生物強化濕地
叢枝菌根真菌廣泛存在于陸生環(huán)境中，對促進(jìn)逆境下植物生長，植物抗污染脅迫，抗病蟲害，加速環(huán)境污染修復(fù)進(jìn)程等都有積極作用。我們的初步研究發(fā)現(xiàn)其對濕地植物生長，抗重金屬鉛鎘脅迫等有積極作用。目前正在調(diào)查濕地叢枝菌根真菌和菌根化植物的多樣性，為強化濕地植物的生長和抗逆能力提供基礎(chǔ) 。
采用分子生物學(xué)手段，檢測微生物群落變化規(guī)律與處理效果的關(guān)系，提出基于群落結(jié)構(gòu)調(diào)控的強化手段。
5結(jié)語
由于廢水處理系統(tǒng)是一個半開放有些甚至完全開放的復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，水質(zhì)水量、環(huán)境條件的波動，強化菌與各種土著微生物相互作用以及操作條件的變化等都會給強化系統(tǒng)的處理效果帶來不可預(yù)測的影響,許多成功的實踐都僅停留在實驗室階段, 但存在對微生物有毒性作用的污染物或缺乏一定數(shù)量和質(zhì)量有效微生物的生物處理系統(tǒng)中, 生物強化技術(shù)有明顯的優(yōu)勢。對現(xiàn)場生態(tài)特征有全面理解的基礎(chǔ)上, 原位生物強化修復(fù)技術(shù)已成為去除污染物的環(huán)境友好技術(shù)之一。用特定的有效微生物強化, 可提高廢水生物處理系統(tǒng)中難降解有機物的降解效率、改善系統(tǒng)脫氮除磷效率、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等。
高效微生物篩選是生物強化技術(shù)成功的決定性因素。改進(jìn)傳統(tǒng)高效菌種篩選時以目標(biāo)污染物的降解為惟一手段, 結(jié)合微生物的遺傳特征、污染物可生物降解性和生物修復(fù)速率等多方面因素, 可開發(fā)出能夠維持異常代謝特征或?qū)瘜W(xué)污染物或環(huán)境壓力具有更好耐受性的高效菌種。通過分析環(huán)境微生物菌群的組成和結(jié)構(gòu), 微生物的生態(tài)環(huán)境、種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量變化, 篩選具有高效降解性能、良好生態(tài)適應(yīng)性、能在目標(biāo)污染地維持相當(dāng)持久性和活性的微生物菌株作為生物強化接種體, 是提高生物強化技術(shù)的有效手段。
利用基因工程手段構(gòu)建具有高效降解性能的土著微生物, 或直接利用具有代謝性能的可移動基因組分進(jìn)行強化, 可避免與土著微生物競爭資源和空間, 是未來生物強化技術(shù)的發(fā)展方向。
分子生物學(xué)技術(shù)對生物強化技術(shù)不僅在構(gòu)建高效微生物中發(fā)揮重大作用, 而且是監(jiān)控、探測、分析高效微生物在新的生態(tài)系統(tǒng)中種群結(jié)構(gòu)多樣性及變化的有力工具。以16SrRNA目標(biāo)寡核苷酸探針的熒光定量雜交(FISH)、變性梯度凝膠電泳和溫度梯度凝膠電泳(DGGE/TGGE)等分子生物學(xué)手段與微生物生態(tài)學(xué)相結(jié)合, 是評價生物強化和生物刺激的有效工具, 已經(jīng)成為研究給定環(huán)境中微生物菌群行為和生物強化后整個環(huán)境生態(tài)的重要學(xué)科。如何更好地探索目標(biāo)微生物的降解特征、生態(tài)模式, 更好地對系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)的變化做出反應(yīng), 并能夠定性定量地分析微生物與污染物降解的相關(guān)性, 確定生物強化技術(shù)工藝工程設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù), 如何將生物強化技術(shù)與微生物刺激、各種微生物固定化技術(shù)相結(jié)合, 提高外源微生物的存活能力和降解活性, 這些都是未來生物強化技術(shù)研究的方向。
201411141339343281.zip 