MBR高鹽廢水處理中耐鹽微生物研究進(jìn)展

　　摘要:耐鹽微生物是一種新型微生物資源，在膜生物反應(yīng)器(MBR)含鹽廢水處理有著重要的作用，與進(jìn)水鹽度和進(jìn)水類(lèi)型密切相關(guān)。文章對(duì)耐鹽微生物在MBR處理高鹽廢水中的研究現(xiàn)狀和現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)的耐鹽微生物特性對(duì)MBR處理高鹽廢水的影響進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)該領(lǐng)域存在的問(wèn)題和不足進(jìn)行了分析，對(duì)下一步可能的研究方向進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為更好開(kāi)發(fā)這種特殊微生物資源打下基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞:膜生物反應(yīng)器(MBR);耐鹽微生物;高鹽廢水

　　隨著我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和科技水平的不斷提高，高鹽度廢水的排放量劇增。高鹽度廢水(以NaCl含量計(jì)>1%)來(lái)源廣泛，如沿海城市對(duì)海水的利用，制革廠、石油、印染、石化、制藥、冶煉等化工企業(yè)排放的廢水以及垃圾滲濾液等通常具有高鹽度、pH極端、含大量難降解有毒有機(jī)物等特點(diǎn)，該類(lèi)廢水所含鹽度對(duì)微生物的正常生長(zhǎng)代謝會(huì)產(chǎn)生抑制作用，其有效處理問(wèn)題是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

　　耐鹽微生物因具有特殊的耐鹽機(jī)制得以在含鹽環(huán)境中維持正常的生長(zhǎng)代謝，并在高鹽環(huán)境中廣泛存在。因此，耐鹽微生物對(duì)含鹽廢水的有效處理提供了材料。MBR工藝處理高鹽廢水中耐鹽微生物發(fā)揮著積極作用，不僅具有高耐鹽特性，還可以在膜生物反應(yīng)器中應(yīng)用(接種)耐鹽微生物或海洋微生物，以增強(qiáng)系統(tǒng)的生物多樣性，提高處理含鹽廢水的生物降解效率，而且還能降低工藝的運(yùn)行成本。但耐鹽微生物的培養(yǎng)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，且對(duì)廢水類(lèi)型具有較高依賴(lài)性，難以廣泛應(yīng)用。

　　因此，加強(qiáng)對(duì)MBR工藝廢水處理中耐鹽微生物的研究具有十分重要的作用，一方面高鹽廢水的有效處理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)此類(lèi)廢水的回收利用，減少水資源的浪費(fèi)，可減少高鹽廢水對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的巨大壓力，對(duì)保護(hù)環(huán)境具有重要意義，另一方面耐鹽微生物在含鹽廢水處理的廣泛應(yīng)用具有較高的應(yīng)用價(jià)值，為MBR穩(wěn)定高效處理含鹽廢水提供依據(jù)。本文總結(jié)了目前耐鹽微生物在高鹽廢水MBR處理的主要應(yīng)用研究現(xiàn)狀，同時(shí)對(duì)高鹽廢水中微生物種類(lèi)與運(yùn)行效能的關(guān)系的研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題作出了一些探討，并對(duì)MBR處理高鹽廢水中耐鹽微生物研究前進(jìn)進(jìn)行了展望。

　　1耐鹽微生物特性

　　1.1耐微生物與嗜鹽微生物的差異

　　根據(jù)微生物對(duì)鹽濃度的適應(yīng)程度可分為耐鹽(Halotolerant)和嗜鹽(Halophilic)兩大類(lèi)群：耐鹽微生物是指能耐受一定鹽濃度溶液，但在無(wú)鹽條件下生長(zhǎng)最好，其正常生長(zhǎng)代謝活動(dòng)也不需要大量無(wú)機(jī)鹽，NaCl不是其生長(zhǎng)繁殖的必要條件，因此該類(lèi)群也稱(chēng)為非嗜鹽微生物(Non-halophilic);嗜鹽微生物是指可以在高鹽濃度環(huán)境下正常進(jìn)行生命活動(dòng)的微生物，其生長(zhǎng)離不開(kāi)高鹽環(huán)境，一定濃度的NaCl是其生長(zhǎng)繁殖的必要條件。目前對(duì)于廢水處理應(yīng)用中耐鹽菌的分類(lèi)還沒(méi)有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，而Lay等人[1]依據(jù)耐嗜鹽微生物對(duì)鹽度的依賴(lài)性進(jìn)行了分類(lèi)。

　　1.2耐鹽微生物的耐鹽機(jī)制

　　對(duì)于傳統(tǒng)活性污泥，鹽度沖擊會(huì)改變細(xì)胞周?chē)鷿B透壓，通過(guò)促進(jìn)膜細(xì)胞的滲透交換，從而導(dǎo)致污泥絮體的脫水，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生質(zhì)膜分離，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)[2]。且高鹽度對(duì)污泥活性和微生物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生抑制或毒性影響，從而有機(jī)污染物去處性能下降[3]。通常，大部分定植于活性污泥上的微生物可能不適應(yīng)高鹽環(huán)境[4]，但活性污泥通過(guò)長(zhǎng)期的條件馴化，鹽敏感微生物菌群逐漸減少，耐鹽細(xì)菌開(kāi)始活動(dòng)聚集，并成為污泥絮體中的優(yōu)勢(shì)物種[5-6]。

　　因此，微生物細(xì)胞可以通過(guò)馴化機(jī)制適應(yīng)滲透壓。此外，也有研究人員通過(guò)將耐鹽細(xì)菌純化進(jìn)行分離和富集[7-10]以處理含鹽廢水，但獲得的耐鹽微生物在實(shí)際含鹽廢水中的成功應(yīng)用嚴(yán)格取決于該類(lèi)菌群在實(shí)際廢水中的存活和有效代謝。有報(bào)道稱(chēng)，馴化后的微生物即使在高鹽度沖擊下也能平衡細(xì)胞內(nèi)的滲透壓或保護(hù)細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)的內(nèi)部調(diào)節(jié)機(jī)制，這種調(diào)節(jié)機(jī)制包括細(xì)胞形成一個(gè)新的保護(hù)層，聚集了低分子量物質(zhì)(即糖和氨基酸等)來(lái)抵抗細(xì)胞外的高滲透壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)新陳代謝[11]，維持細(xì)胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能等。

　　類(lèi)似地，信欣[12]研究了高鹽環(huán)境(CaCl2)下腐生葡萄球菌(Staphylococcussaprophyticus)細(xì)胞內(nèi)某些于調(diào)滲有關(guān)的物質(zhì)(如氨基酸、蛋白質(zhì)、K+和季銨化合物(QAC))可能增加，調(diào)節(jié)內(nèi)外滲透壓以保證細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖;且菌株在胞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一些新的蛋白，這些蛋白可以參與高鹽條件下水分的吸收、離子、糖類(lèi)、氨基酸和細(xì)胞代謝物等物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和運(yùn)輸，并且還具有保護(hù)細(xì)胞膜的正常生理功能。

　　并且高鹽條件(9.0%CaCl2)培養(yǎng)的細(xì)胞，其胞內(nèi)可溶性糖的含量先增加后減少，這表明這些糖類(lèi)分解釋放的能量可供給生物進(jìn)行生物大分子蛋白質(zhì)、核酸等的合成，是菌株在高鹽條件下能進(jìn)行正常生命和生理活動(dòng)的能源保證。也有學(xué)者通過(guò)耐鹽細(xì)菌的革蘭氏染色信息分析得到[6]，當(dāng)鹽度低于100g/L(NaCl)時(shí)，革蘭氏陰性菌可能更耐鹽，這主要由于革蘭氏陰性菌有一種獨(dú)特的脂多糖和蛋白質(zhì)外膜，能夠阻止一些細(xì)胞外物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，增加細(xì)胞對(duì)某些有毒環(huán)境的耐受性。

　　2耐鹽微生物應(yīng)用研究現(xiàn)狀

　　2.1耐鹽微生物在海洋類(lèi)廢水中的研究現(xiàn)狀

　　目前海水資源廣泛應(yīng)用于海水養(yǎng)殖、沿海工業(yè)應(yīng)用、海水淡化工藝、海水沖廁等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海水資源的充分利用。海水應(yīng)用產(chǎn)生廢水的生物處理過(guò)程中，耐鹽微生物菌群是研究較多且功能特性研究比較獨(dú)特的微生物之一。

　　目前研究得到該類(lèi)廢水生物處理過(guò)程中變形菌門(mén)、浮霉菌門(mén)和擬桿菌門(mén)是三個(gè)最主要的菌門(mén)。ZHANG等人[13]研究了膜生物反應(yīng)器處理海水養(yǎng)殖廢水的微生物群落，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在3%鹽度下反應(yīng)器中的變形菌門(mén)和擬桿菌門(mén)最為豐富，其次為酸桿菌門(mén)、浮霉菌門(mén)、螺旋菌門(mén)和厚壁菌門(mén)，且反應(yīng)器對(duì)COD的平均去除率均在94.1%以上。其中有研究表明，變形菌[14]和擬桿菌[15]在降解有機(jī)污染物方面起重要作用，且被廣泛報(bào)道在各類(lèi)廢水處理中占主要種類(lèi)[16-18]，厚壁菌可在含鹽廢水中進(jìn)行正常的生長(zhǎng)代謝[19]，并能產(chǎn)生抵抗脫水后如其他極端環(huán)境的孢子[20]。

　　SONG等人[21]通過(guò)海水馴化污泥以處理海水養(yǎng)殖廢水，將能夠降解難降解化合物的海洋細(xì)菌接種到海水活性污泥中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)變形菌門(mén)、浮霉菌門(mén)、擬桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)最豐富，其中Phycisphaera和海洋桿菌屬是反應(yīng)器中的優(yōu)勢(shì)種，海洋生菌屬是一種嗜鹽、需氧和化學(xué)異養(yǎng)細(xì)菌，最常見(jiàn)于海洋環(huán)境[22]。

　　由于海水對(duì)硝化菌的選擇性和高鹽抑制作用，只檢測(cè)到亞硝化單胞菌和硝化螺菌，但該體系中得到四種反硝化菌(Sulfurimonas、Thermogutta、Desulfovibrio、Sedimenticola)，這可能是由于反硝化菌比硝化菌更能抵抗鹽脅迫[23]。此外，微生物在高鹽環(huán)境下還具有其他特性。LI等人[24]采用膜生物反應(yīng)器處理海水養(yǎng)殖廢水中的抗生素，變形菌在抗生素的脅迫下相對(duì)豐度相對(duì)新上升，而厚壁菌的相對(duì)豐度下降，可見(jiàn)變形菌的耐藥性增加。

　　2.2耐鹽微生物在工業(yè)生產(chǎn)廢水中的研究現(xiàn)狀

　　近年來(lái)，工業(yè)生產(chǎn)的大力發(fā)展和石油開(kāi)采造成了大量含鹽廢水的排放。由于該類(lèi)廢水含有高鹽濃度和其他有毒化學(xué)物質(zhì)，直接排放進(jìn)入淡水會(huì)導(dǎo)致水生生物死亡、生態(tài)系統(tǒng)破壞和飲用水生產(chǎn)成本增加等有害后果。耐鹽微生物廣泛存在于高鹽環(huán)境中，結(jié)合耐鹽微生物對(duì)該類(lèi)廢水進(jìn)行生物處理是目前對(duì)高鹽廢水有效處理的研究熱點(diǎn)。ALEJANDRO等人[25]采用膜生物反應(yīng)器復(fù)合系統(tǒng)處理含鹽城市污水考察了系統(tǒng)性能和微生物群落結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明生物反應(yīng)器在去除有機(jī)物方面性能較差，黃單胞菌科和分枝桿菌屬為優(yōu)勢(shì)菌種，其中黃單胞菌科與氨氧化活性密切相關(guān)，而細(xì)小桿菌屬和醋酸桿菌科與系統(tǒng)中的有機(jī)物降解密切相關(guān)。

　　CAPPELLO等人[15]在MBR系統(tǒng)處理海洋運(yùn)輸產(chǎn)生的含鹽含油廢水中共篩出42株菌株，主要為變形菌(α-變形菌和β-變形菌)、放線菌屬和擬桿菌屬三個(gè)類(lèi)群，其中14株菌株分為7個(gè)屬(Alcanivorax、Erythrobacter、Marinobacter、Microbacterium、Muricauda、Rhodococcus和Rheinheimera)顯示出一個(gè)或者多個(gè)生物修復(fù)的代謝特性。尤其Alcanivorax、Rheinheimera、Rhodococcus和Muricauda表現(xiàn)出較高活性，且這些微生物可在生物修復(fù)中發(fā)揮重要的生態(tài)作用[26]。

　　目前能以烴類(lèi)為碳源和能源生長(zhǎng)的微生物約又100余屬、200多種，分屬于細(xì)菌、放線菌、霉菌和酵母，如芽孢桿菌屬、假單胞菌屬和假絲酵母屬等[27]。其中，在微生物類(lèi)群中，鹽單胞菌屬(Halomonas)、海洋桿菌屬(Marinobacter)和食烷菌屬(Alcanivorax)是高鹽度環(huán)境中常見(jiàn)的菌種，具有降解多種碳?xì)浠�合�?包括原油、柴油、十六烷、萘、芘、二苯并噻吩、水楊酸鹽、鄰苯二酚和菲等)的潛力;在古細(xì)菌中，Heloferax、Haloarchula和Halobacterium在高鹽環(huán)境中對(duì)碳?xì)浠�合物的降解起著重要作用[28]。

　　2.3耐鹽微生物在食品生產(chǎn)加工廢水中的研究現(xiàn)狀

　　海產(chǎn)品加工、蔬菜罐頭、醬油和榨菜生產(chǎn)等食品加工生產(chǎn)所產(chǎn)生的廢水具有高鹽、高營(yíng)養(yǎng)和高有機(jī)濃度的特點(diǎn)。大多數(shù)耐鹽微生物在高鹽度條件下仍具有降解有機(jī)污染物的特性，對(duì)實(shí)現(xiàn)高鹽有機(jī)廢水的有效處理起著重要作用。NGUYEN等人[29]采用從醬油廢水處理廠獲得的高耐鹽特性微生物應(yīng)用于MBR處理海產(chǎn)品加工廢水，結(jié)果表明系統(tǒng)在2.4%鹽度下對(duì)溶解性有機(jī)物和氨氮的去除率達(dá)99%以上，且系統(tǒng)中的耐鹽微生物仍具有較高活性。

　　胡殿囯[30]等人從以海產(chǎn)品加工廢料為食的招潮蟹腸道中分離得到了Pseudoalteromona、Halominas、Enterobacter、Bacillus和Vinrio為主的變形桿菌門(mén)和擬桿菌門(mén)細(xì)菌，研究得到以這些菌種培育的生物處理系統(tǒng)對(duì)高鹽煮蝦廢水具有較高的去除能力，COD和氨氮平均去除率分別達(dá)到87%和94%，且能耐受4.1%NaCl濃度。

　　3耐鹽微生物特性研究現(xiàn)狀

　　3.1耐鹽微生物污染物的去除特性

　　生物處理過(guò)程通常通過(guò)去除有機(jī)污染物(即C、N、P、S)來(lái)衡量系統(tǒng)運(yùn)行效率。耐鹽微生物除了具有抵抗外界環(huán)境的滲透脅迫的特性，還能對(duì)環(huán)境中的有機(jī)物和氨氮等物質(zhì)作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生物降解，從而降低廢水中有機(jī)物和氨氮濃度。LUO等人[37]通過(guò)對(duì)比無(wú)鹽條件MBR與加鹽MBR對(duì)有機(jī)污染物質(zhì)的去除性能，研究得到對(duì)照MBR的TOC和NH4+-N的去除率都在98%以上，而含鹽MBR隨著鹽負(fù)荷的增加，其有機(jī)物去除率呈先下降后逐漸增加的趨勢(shì)。

　　LI等人[24]研究發(fā)現(xiàn)α-變形菌在海洋環(huán)境中廣泛存在，且一些α-變形菌可促進(jìn)硝化作用，β-變形菌則在有效去除NH4+-N和反硝化方面起重要作用[38-39]。JANG等人在5～20g/LNaCl廢水的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模處理中，研究表明隨著鹽度的增加，氨氮的去除率由87%降至46%，微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，其中亞硝基單胞菌屬是優(yōu)勢(shì)菌，負(fù)責(zé)MBR中有機(jī)物的生物降解。

　　4當(dāng)前耐鹽微生物研究存在的問(wèn)題及建議

　　目前，人們?cè)谀望}微生物處理高鹽廢水的研究領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)展，并且在高鹽廢水處理中的運(yùn)用效果顯著。但是，在很多方面都需要進(jìn)一步的研究和探索。如對(duì)耐鹽微生物分離篩選的不多，沒(méi)有形成耐鹽微生物的基因庫(kù);對(duì)耐鹽微生物的生理化作用和培養(yǎng)特性、代謝特性研究不多;對(duì)耐鹽微生物在MBR高鹽廢水處理中的實(shí)際運(yùn)用性及可大量生產(chǎn)制備程度不高。針對(duì)以上問(wèn)題，建議加強(qiáng)如下兩方面研究。1)利用相關(guān)分子生物學(xué)技術(shù)將高鹽廢水處理中的耐鹽微生物分離鑒定，收集有效的微生物資源并建立耐鹽微生物的基因庫(kù)，為其應(yīng)用研究打下基礎(chǔ)。2)深入了解耐鹽微生物代謝特性和環(huán)境效應(yīng)，以便在實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，從而獲得最佳的處理效果。

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　　作者：羅玲1，袁野1，郝會(huì)超1，陸柳鮮1，唐林旺1，鐘常明1，2

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