朱曉玲，沈洋洋，徐佳佳，史志堅(jiān)，施曼玲，金仁村

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036)

生物強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于廢水處理的研究進(jìn)展

朱曉玲，沈洋洋，徐佳佳，史志堅(jiān)，施曼玲，金仁村

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036)

生物強(qiáng)化技術(shù)是一種能有效提高廢水生物處理降解效率的技術(shù)，尤其是和固定化技術(shù)和膜生物反應(yīng)器結(jié)合之后，在處理難降解有機(jī)污染物方面有著廣闊的應(yīng)用前景.文章分析了生物強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀，綜述了分子生物技術(shù)在生物強(qiáng)化中的應(yīng)用，總結(jié)了生物強(qiáng)化存在的問(wèn)題，并對(duì)生物強(qiáng)化結(jié)合基因工程和納米技術(shù)的前景進(jìn)行了展望.

生物強(qiáng)化技術(shù)；廢水生物處理；固定化技術(shù)；膜生物反應(yīng)器

近年隨著工農(nóng)業(yè)發(fā)展，其產(chǎn)生的廢水日益增多，成分也越發(fā)復(fù)雜，有害和難降解的有機(jī)污染物含量大大增加，傳統(tǒng)的處理工藝已無(wú)法滿足處理要求，生物強(qiáng)化技術(shù)(bioaugmentation)由此應(yīng)運(yùn)而生.生物強(qiáng)化技術(shù)也稱(chēng)生物增強(qiáng)技術(shù)，是指在廢水生物處理過(guò)程中，為了增強(qiáng)處理系統(tǒng)對(duì)特定污染物的降解能力、提高降解速率，而向處理系統(tǒng)中投加具有特定功能的微生物菌群、營(yíng)養(yǎng)物或基質(zhì)類(lèi)似物，從而有效處理含難降解有機(jī)物廢水的一種技術(shù)[1].添加有特殊降解功能的微生物來(lái)增強(qiáng)土著菌群處理廢水的能力，可有效解決難降解化合物去除率低或生物反應(yīng)器在極端環(huán)境(如低溫)下運(yùn)行效果差等實(shí)際問(wèn)題.本文綜述了近年來(lái)生物強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于廢水處理的研究進(jìn)展，以期為生物強(qiáng)化技術(shù)的相關(guān)研究提供參考.

1 生物強(qiáng)化的菌群獲得

生物強(qiáng)化最常用的方法是：1)加入預(yù)適應(yīng)的菌群或純細(xì)菌菌株；2)加入轉(zhuǎn)基因細(xì)菌；3)加入與生物降解相關(guān)的基因，將此基因整合到一個(gè)載體再偶聯(lián)轉(zhuǎn)移到土著微生物中，該技術(shù)具有不依賴于供體菌株存活和生長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)[2].根據(jù)Yu等[3]的報(bào)道，在生物強(qiáng)化技術(shù)中使用微生物應(yīng)滿足3個(gè)最低標(biāo)準(zhǔn)：1)能徹底降解污染物，甚至在其它抑制物存在時(shí)仍能降解；2)進(jìn)入生物系統(tǒng)后必須持續(xù)保持競(jìng)爭(zhēng)力；3)與土著菌群兼容.此外，添加的菌株的選擇要慎重，尤其在實(shí)際應(yīng)用時(shí)添加的微生物不能和人類(lèi)病原體密切相關(guān)(相同屬和種，比如一些銅綠假單胞菌菌株)[4].

生物反應(yīng)器的群落構(gòu)建是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，大批不同微生物共同處理廢水時(shí)，可通過(guò)不同類(lèi)型信號(hào)傳導(dǎo)的相互作用(例如群體感應(yīng)和水平細(xì)胞轉(zhuǎn)移)來(lái)構(gòu)建[5].Lawrence 等[6]基于生物化學(xué)和微生物動(dòng)力學(xué)知識(shí)構(gòu)建了方程，利用廢水處理中關(guān)鍵工藝的變量來(lái)預(yù)測(cè)兩種不同的生物系統(tǒng)是否需氧.但至今人們對(duì)群落構(gòu)建仍知之甚少，尚無(wú)法成功地設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的菌群.

2 生物強(qiáng)化應(yīng)用現(xiàn)狀

生物強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際時(shí)，通常在反應(yīng)器中直接投入對(duì)目標(biāo)污染物具有特效降解能力的高效降解菌.若原體系中不含高效降解菌，投入一定量的高效降解菌可高效且有針對(duì)性地降解廢水中的目標(biāo)污染物；若原體系中含少量高效降解菌，可縮短馴化時(shí)間.在生物反應(yīng)器處理廢水過(guò)程中，必須持續(xù)培養(yǎng)功能微生物，并使其有足夠的活性來(lái)降解污染物，但這在污水處理廠的實(shí)際應(yīng)用中常常不如人意.固定化技術(shù)、膜生物反應(yīng)器等的興起，有效地解決了高效降解菌投入后活性不足、無(wú)法持續(xù)培養(yǎng)的難題.與此同時(shí)，固定化技術(shù)、膜生物反應(yīng)器等也因生物強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用而使得廢水處理效率大大提高.

2.1 固定化技術(shù)

固定化技術(shù)是指通過(guò)物理或化學(xué)手段，將游離的微生物或酶限定在一個(gè)特定的空間區(qū)域內(nèi)，使其有效利用的一個(gè)重要手段.固定化細(xì)胞載體類(lèi)型主要有兩種：一是人工合成高分子凝膠載體，包括聚丙烯酰胺(PAM)和聚乙烯醇(PVA)等[7]；二是天然高分子凝膠載體，如瓊脂、海藻酸鈣等.固定化技術(shù)處理含有難降解污染物廢水的效果明顯，可達(dá)的細(xì)胞密度高，可長(zhǎng)期保持在反應(yīng)器中，能重復(fù)使用，且易固液分離，對(duì)高濃度的有毒物質(zhì)有較高的耐受性[8].但固定化技術(shù)對(duì)微生物的生理、生態(tài)特性會(huì)產(chǎn)生影響且成本高，尚需優(yōu)化.

外源加入細(xì)菌細(xì)胞的固定化技術(shù)是一種在微生物周?chē)a(chǎn)生保護(hù)屏障的方法，可以增強(qiáng)代謝活性.硝化細(xì)菌生長(zhǎng)緩慢，若保留時(shí)間短，則會(huì)被洗出反應(yīng)器.固定化技術(shù)能收集到高濃度的細(xì)胞，容積效率大大提高.有研究表明，在高水力負(fù)荷下，當(dāng)懸浮生長(zhǎng)型反應(yīng)器都不再進(jìn)行硝化作用時(shí)，PVA包埋固定化的反應(yīng)器依然保持高硝化率[9].

在聚丙烯酰胺凝膠中的細(xì)胞固定化Sulfurospirillumbarnesii被用于處理含硒酸鹽的模擬廢水，在升流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器中加入固定了S.barnesii細(xì)胞的凝膠塊，硒酸鹽去除效率與無(wú)生物強(qiáng)化的反應(yīng)器相比更高.分子生物技術(shù)分析結(jié)果表明，S.barnesii在污泥床和出水中都存在，說(shuō)明生物強(qiáng)化菌在微生物競(jìng)爭(zhēng)的情況下依然能存活并具有活性[10].

厭氧序批式生物膜反應(yīng)器接種包埋在藻酸鹽基質(zhì)中的固定化硫酸鹽還原菌(SRB)，微生物分布明顯改變，引入強(qiáng)化的SRB菌群致使系統(tǒng)中厭氧菌之間的競(jìng)爭(zhēng)改變，從而反應(yīng)器各方面性能都有明顯提高，群落結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，廢水處理效率提高[11].

2.2 膜生物反應(yīng)器

膜生物反應(yīng)器(MBR)技術(shù)是一種新型高效的生物處理技術(shù)[12]，具有許多其它生物處理技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，如系統(tǒng)處理效率高、負(fù)荷高、占地面積小等，因而得到了越來(lái)越多的重視[13].

生物強(qiáng)化技術(shù)成功應(yīng)用于膜生物反應(yīng)器工藝[14].將鞘氨醇單胞菌QYY接種到MBR系統(tǒng)后，與未接種的對(duì)照反應(yīng)器相比，其污染物的去除能力有顯著提高.當(dāng)面臨有毒污染物的沖擊負(fù)荷時(shí)，生物強(qiáng)化促進(jìn)了MBR啟動(dòng)并使其運(yùn)行良好，其中引進(jìn)的功能菌株與原有菌株兼容.MBR與生物強(qiáng)化技術(shù)的結(jié)合有望解決頻繁出現(xiàn)的生物強(qiáng)化有效但效果不持續(xù)的問(wèn)題[11].

2.3 生物強(qiáng)化制劑

從環(huán)境中篩選到活性強(qiáng)且具有特殊降解功能的細(xì)菌可制作成液體或固態(tài)的生物強(qiáng)化制劑[15]，并有效地用于廢水生物處理，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于污水處理廠的實(shí)際操作過(guò)程中.生物強(qiáng)化制劑主要優(yōu)點(diǎn)有：1)能快速提升處理系統(tǒng)中菌群濃度，進(jìn)而可大幅度縮短菌群馴化時(shí)間，提高處理效能；2)操作便捷，實(shí)時(shí)處理，既安全又節(jié)能.目前，一些生物強(qiáng)化制劑產(chǎn)品已商業(yè)化生產(chǎn)，且獲得了一定的成效[16].張守權(quán)等[17]在哈爾濱太平污水廠厭氧/好氧(A/O)池中投入構(gòu)建的生物強(qiáng)化菌劑，證實(shí)了生物強(qiáng)化技術(shù)在污水廠的低溫啟動(dòng)中具有良好效果.

2.4 反復(fù)或持續(xù)直接投放高效降解菌

生物強(qiáng)化不是一勞永逸的，常需要定期添加功能菌.由此可知廢水處理過(guò)程需要有一個(gè)菌種培養(yǎng)專(zhuān)用反應(yīng)器，使已適應(yīng)新環(huán)境的微生物可連續(xù)或間歇性地投入到工作反應(yīng)器中.實(shí)際操作結(jié)果表明，這種連續(xù)或間歇性地添加接種菌的方式在含有抑制或有毒物質(zhì)的反應(yīng)器中可突破生長(zhǎng)抑制[18].

3 分子生物技術(shù)在生物強(qiáng)化中的應(yīng)用

宏基因組學(xué)、生態(tài)基因組學(xué)和其他分子生物學(xué)方法，以及顯微鏡和流式細(xì)胞術(shù)的應(yīng)用，為檢測(cè)和分析微生物特性提供了更好的方法.其中分子生物技術(shù)在生物強(qiáng)化技術(shù)研究中的表現(xiàn)更是脫穎而出，如變性梯度凝膠電泳(DGGE)、熒光原位雜交(FISH)、高通量測(cè)序技術(shù)(HTS)[19]能將反應(yīng)器中微生物的種類(lèi)、豐度以及群落關(guān)系可視化，實(shí)時(shí)熒光定量PCR(qPCR)[20]可作為指示參數(shù)直接監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)微生物的數(shù)量變化，PCR-溫度梯度凝膠電泳(TGGE)、核糖體基因間隔分析(RISA)[14]、反轉(zhuǎn)錄-PCR(RT-PCR)[21]及基因標(biāo)記[22]等技術(shù)則可以監(jiān)測(cè)存活和添加的微生物活性.此外，新的生物信息學(xué)工具的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用克服了生物強(qiáng)化數(shù)據(jù)分析的瓶頸，進(jìn)一步促進(jìn)了分子生物技術(shù)在生物強(qiáng)化中的應(yīng)用.

3.1 活性監(jiān)測(cè)

Morris等[21]通過(guò)qPCR和RT-PCR技術(shù)監(jiān)測(cè)沼氣池內(nèi)的微生物群落，利用基因和mcrA的轉(zhuǎn)錄來(lái)研究和監(jiān)控產(chǎn)甲烷菌，還采用克隆文庫(kù)和qPCR等方法比較分析了4個(gè)不同產(chǎn)甲烷群落mcrA基因的多樣性、豐富性和轉(zhuǎn)錄.實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，相關(guān)分子生物技術(shù)和方法也可適用于厭氧硝化反應(yīng)器中的其它產(chǎn)甲烷菌群的監(jiān)測(cè).Yu等[23]在廢水處理過(guò)程中，通過(guò)在膜生物反應(yīng)器中添加quorum-quenching菌株進(jìn)行生物強(qiáng)化，并利用qPCR監(jiān)測(cè)該菌株的活性，進(jìn)一步分析生物強(qiáng)化的效果.Huang等[24]在低溫環(huán)境下通過(guò)動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器，研究深海耐寒細(xì)菌在污水處理中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)生物強(qiáng)化技術(shù)可以增強(qiáng)細(xì)菌脫氫酶的活性，F(xiàn)ISH分析進(jìn)一步證實(shí)了在5 ℃時(shí)兩種菌株的存在及其活性.

3.2 群落結(jié)構(gòu)分析

PCR-DGGE等現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于污泥樣品的微生物群落分析，在研究群落動(dòng)態(tài)和多樣性方面有很多優(yōu)勢(shì)，使得人們對(duì)廢水處理過(guò)程中微生物群落變化的認(rèn)識(shí)更為豐富和深入.Domde等[25]用隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA標(biāo)記(Random amplified polymorphic DNA)技術(shù)來(lái)分析微生物群落結(jié)構(gòu)的多樣性及其變化，用PCR監(jiān)測(cè)菌株的代謝活性并用Southern雜交技術(shù)來(lái)分析位點(diǎn)的代謝表現(xiàn).Liu等[26]設(shè)計(jì)了一個(gè)需氧顆粒化生物強(qiáng)化策略，用序列間歇式反應(yīng)器(SBR)處理高強(qiáng)度吡啶廢水，通過(guò)高通量測(cè)序分析微生物群落結(jié)構(gòu).

將PCR-DGGE技術(shù)與Biolog研究技術(shù)相結(jié)合，針對(duì)微生物群落變化的多樣性來(lái)研究污水生化處理系統(tǒng)中微生物群落的變化特點(diǎn)可以彌補(bǔ)群落結(jié)構(gòu)分析中的很多不足，已經(jīng)成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn).1989年，美國(guó)的BIOLOG公司根據(jù)微生物代謝的氧化還原過(guò)程成功開(kāi)發(fā)了Biolog研究系統(tǒng)，起初用于鑒定純種微生物，沿用至今不僅能鑒定2 000多種微生物，而且能應(yīng)用于微生物群落多樣性的研究[27-28]，有著廣闊的前景.劉峰等[29]利用Biolog技術(shù)研究了制藥廢水處理系統(tǒng)中的微生物群落多樣性，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)中各微生物群落在穩(wěn)定期的平均代謝活性差異小，微生物群落的豐度和均一性相近，但優(yōu)勢(shì)菌種不同.

4 生物強(qiáng)化存在的問(wèn)題

生物強(qiáng)化在應(yīng)用過(guò)程中有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，如：被挑選出來(lái)的菌株純培養(yǎng)時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的降解能力比在自然環(huán)境中要低[30]；生物強(qiáng)化通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)和抑制能改變?cè)形⑸锶郝涞慕Y(jié)構(gòu)[2]，其影響尚屬未知；生物強(qiáng)化的改善效應(yīng)持續(xù)時(shí)間較短[21]等.

在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)同一個(gè)屬的菌株不一定同樣適合某些任務(wù)，因此有些菌株可以在更廣泛的條件下競(jìng)爭(zhēng)，而其它菌株只能適應(yīng)非常特殊的條件[31].Wenderoth等[32]用不同的假單胞菌屬菌株和相同種的不同菌株實(shí)施生物強(qiáng)化，都能降解氯苯和二氯苯.聯(lián)合使用這些菌株之后，生物強(qiáng)化效果有所改善.在生物系統(tǒng)中不同的菌株存活率有差異，兩株假單胞菌P.putidaGJ31 和P.putidaF1DCC 甚至可以在自然微生物群落存在的情況下存活并擴(kuò)增，促進(jìn)氯苯的降解，可當(dāng)氯苯降解殆盡時(shí)，P.putidaGJ31菌株迅速減少，但P.putidaF1ACC菌株數(shù)量維持穩(wěn)定.

近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，生物強(qiáng)化失敗的原因包括生長(zhǎng)抑制、對(duì)投放的其它微生物表現(xiàn)出的拮抗效應(yīng)、噬菌體的存在、菌膜形成的能力差、不利的操作條件如低溫等.在生物強(qiáng)化中不僅菌株選擇是關(guān)鍵因素，所添加微生物在復(fù)雜的體系中依然有活性也很關(guān)鍵，所以加入的生物量濃度應(yīng)足夠高，以使生物添加的代謝活性細(xì)菌成為優(yōu)勢(shì)菌.

5 總結(jié)與展望

生物強(qiáng)化技術(shù)能在廢水處理系統(tǒng)中有效去除有毒有害和難降解有機(jī)污染物，且方法簡(jiǎn)便易操作，安全性好[33].分子生物技術(shù)的快速發(fā)展為生物強(qiáng)化技術(shù)的研究提供了高效實(shí)用的技術(shù)工具.利用分子生物技術(shù)可以有效監(jiān)測(cè)菌群活性，分析其形態(tài)和結(jié)構(gòu)等.膜反應(yīng)器和固定化技術(shù)與生物強(qiáng)化技術(shù)相結(jié)合，使生物反應(yīng)器的性能大為提升.但生物強(qiáng)化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在許多問(wèn)題，如廢水的組成成分復(fù)雜、體系中的生物可能相互競(jìng)爭(zhēng)、投菌量和投菌方式不當(dāng)和各種環(huán)境因素等都會(huì)影響廢水處理效果.近年來(lái)納米技術(shù)的興起可能會(huì)對(duì)生物強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化帶來(lái)新策略.納米材料在廢水處理中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)源自納米顆粒的特性，包括能增加反應(yīng)性、增大表面積、增強(qiáng)亞表面運(yùn)輸和增強(qiáng)封存特性[34].但工程納米材料也可能成為污染物，反而影響廢水生物處理的效率，這有待進(jìn)一步研究.

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ProgressofBioaugmentationTechnologyforWastewaterBiologicalTreatment

ZHU Xiaoling, SHEN Yangyang, XU Jiajia, SHI Zhijian, SHI Manling, JIN Rencun

(College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

Bioaugmentation technology is a kind of technique for effectively improving the degradation efficiency of wastewater biological treatment. Especially combined with immobilization technology and membrane bioreactor, bioaugmentation technology has a broad application prospect in treating refractory organic pollutants. This paper analyzes the current application situation of bioaugmentation technology, presents a general overview for the application of molecular biology technology in bioaugmentation, and summarizes the problems in bioaugmentation, then proposes outlook on the prospect of bioaugmentation technology combining with genetic engineering and nanotechnology.

bioaugmentation technology; wastewater biological treatment; immobilization technology; membrane bioreactor

2016-05-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51578204)；杭州市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20160533B77).

施曼玲(1969-),女,教授,博士,主要從事環(huán)境微生物研究.E-mail:manling.shi@hznu.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-232X.2017.06.010

X703.1

A

1674-232X(2017)06-0623-05