李東彧 趙國(guó)崢 李長(zhǎng)波# 王 碩 鮑明福 劉 爽

(1.遼寧石油化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,遼寧 撫順 113001;2.撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司工程技術(shù)研究中心,遼寧 撫順 113005)

石油化工廢水是石油加工生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的廢水,具有毒性高、排放量大、成分復(fù)雜與處理難度較大等特點(diǎn)[1]。隨著人們對(duì)石油化工產(chǎn)品的需求逐年增加,石油化工廢水排放量日益增大,已經(jīng)占據(jù)整個(gè)工業(yè)廢水排放量的10%以上[2],石油化工廢水的高效處理至關(guān)重要。

石油化工廢水的處理方法主要包括物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法[3]。其中,物理法難以去除水體富營(yíng)養(yǎng)化的氮磷等污染物;化學(xué)法對(duì)廢水中油脂的去處能力較差;物理化學(xué)法會(huì)消耗大量能源及材料,且對(duì)水質(zhì)要求較高。對(duì)比上述處理方法,生物法具有成本低、效益高、去除效率明顯以及減少二次污染的優(yōu)勢(shì),已成為處理石油化工廢水的核心工藝[4]。其中,活性污泥法是石油化工廢水處理中應(yīng)用最廣泛的生物處理方法[5]。

活性污泥為棕色絮狀污泥,具有極其豐富的微生物群落,由細(xì)菌、古生菌、真核生物和病毒組成[6]。其中,細(xì)菌是活性污泥群落的主要組成部分,XIA等[7]發(fā)現(xiàn),在正常運(yùn)行的活性污泥中,代謝活躍的細(xì)菌細(xì)胞通常占細(xì)胞總數(shù)的80%左右?；钚晕勰嘀胁煌?lèi)群的微生物可以協(xié)同降解廢水中污染物,使有機(jī)碳去除、硝化與反硝化反應(yīng)以及強(qiáng)化生物除磷等同時(shí)進(jìn)行[8]。ZHANG等[9]研究發(fā)現(xiàn),石油化工廢水中活性污泥體積分?jǐn)?shù)為25%時(shí),氨氮去除率為76%,生化需氧量(BOD)去除率可達(dá)到90%,說(shuō)明活性污泥對(duì)石油化工廢水的處理能力較高。活性污泥主要的降解能力來(lái)源于微生物,對(duì)活性污泥中微生物群落進(jìn)行評(píng)估,對(duì)于理解微生物群體間的相互作用和優(yōu)化生物降解至關(guān)重要。

為深入了解活性污泥中微生物群落結(jié)構(gòu)組成,提高石油化工廢水中污染物的去除效率,本研究對(duì)不同類(lèi)型石油化工廢水中特征污染物及處理該石油化工廢水活性污泥中的優(yōu)勢(shì)菌群進(jìn)行整理,總結(jié)了分子生物技術(shù)在活性污泥微生物群落分析中的應(yīng)用,研究結(jié)果為優(yōu)化石油化工廢水活性污泥處理的工藝條件和運(yùn)行參數(shù)提供參考。

1 石油化工廢水的特征污染物及處理優(yōu)勢(shì)菌

石油化工類(lèi)產(chǎn)品、半產(chǎn)品以及所需的原材料種類(lèi)繁多,其廢水處理難度較大。由于化學(xué)產(chǎn)品性質(zhì)和種類(lèi)不斷更新,石油化工廢水中有毒化學(xué)物質(zhì)的種類(lèi)不斷改變,導(dǎo)致污染物的物理、化學(xué)性質(zhì)極其復(fù)雜,難以去除[10]。不同石油化工廢水具有不同的特征污染物,直接影響著廢水活性污泥法的處理效果,也會(huì)導(dǎo)致活性污泥中微生物群落組成有所差別。不同類(lèi)型石油化工廢水的特征污染物及活性污泥處理優(yōu)勢(shì)菌匯總見(jiàn)表1。

表1 不同類(lèi)型的石油化工廢水及活性污泥處理優(yōu)勢(shì)菌 Table 1 Different types of petrochemical wastewater and dominant bacteria

由表1可見(jiàn),石油化工廢水中含有酚類(lèi)、苯類(lèi)、氰化物、醛酮類(lèi)等有毒污染物,特別是含有酚與氰類(lèi)的廢水毒性明顯,這類(lèi)有毒污染物處理不當(dāng)會(huì)危害人類(lèi)健康。觀察不同種類(lèi)石油化工廢水的特征污染物、COD以及表征物種豐富度的Shannon指數(shù),發(fā)現(xiàn)活性污泥物種豐富度與特征污染物相關(guān)性較大而與COD濃度相關(guān)性較小,表明不同特征污染物會(huì)影響微生物群落的多樣性,活性污泥中微生物與特征污染物種類(lèi)息息相關(guān)。

處理石油化工廢水的活性污泥中優(yōu)勢(shì)菌門(mén)主要為3種,變形菌門(mén)、擬桿菌門(mén)與綠彎菌門(mén)。高鹽石化廢水中變形菌門(mén)相對(duì)豐度為71.3%[15],而高堿性合成廢水中變形菌門(mén)相對(duì)豐度僅為16.9%,說(shuō)明不同污染物對(duì)變形菌門(mén)產(chǎn)生一定的促進(jìn)或抑制作用。尤其堿性條件下,變形菌門(mén)的生長(zhǎng)受限而綠彎菌門(mén)能較好生存,綠彎菌門(mén)相對(duì)豐度達(dá)33.1%[16]。煉油廢水中的擬桿菌門(mén)(相對(duì)豐度為12.43%)、含酚石化廢水中的厚壁菌門(mén)(相對(duì)豐度為26%)與高鹽石化廢水中的綠彎菌門(mén)(相對(duì)豐度為12.58%)是廢水中除變形菌門(mén)外相對(duì)豐度最大的優(yōu)勢(shì)菌門(mén),而變形菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、厚壁菌門(mén)與酸桿菌門(mén)在不同類(lèi)型石油化工廢水活性污泥中相對(duì)豐度相差較大。由此推斷,活性污泥中微生物群落結(jié)構(gòu)組成總體相似,受污染物種類(lèi)的影響導(dǎo)致相對(duì)豐度不同,主要優(yōu)勢(shì)菌門(mén)不會(huì)發(fā)生變化,但優(yōu)勢(shì)菌屬種類(lèi)相差較大,表明污染物種類(lèi)對(duì)優(yōu)勢(shì)菌屬的影響高于優(yōu)勢(shì)菌門(mén)。

2 特征污染物的微生物降解

2.1 降解酚類(lèi)、多環(huán)芳烴

石油化工廢水中特征污染物主要以多環(huán)芳烴和酚類(lèi)為主,分別以萘及苯酚為多環(huán)芳烴及酚類(lèi)化合物的代表污染物分析微生物的降解機(jī)理。在微生物好氧降解過(guò)程中,萘首先經(jīng)羥基化反應(yīng),在多組分雙加氧酶或環(huán)羥基化雙加氧酶催化下生成順式二氫二醇,而后芳環(huán)被順式二氫醇脫氫酶再芳構(gòu)化形成二羥基化中間體,經(jīng)氧化形成的鄰苯二酚受水楊醛脫氫酶影響形成水楊酸,成為好氧芳烴降解的主要中間產(chǎn)物。后續(xù)降解過(guò)程取決于羥基在二羥基化中間體上的位置,在鄰位上有羥基的中間體,二醇內(nèi)裂解雙加氧酶在兩個(gè)羥基之間作用,產(chǎn)生順式二羧酸;而羥基的中間體處于中間位置,則裂解發(fā)生在二醇外經(jīng)雙加氧酶形成2-羥基粘糠半醛。最后,萘中所有環(huán)轉(zhuǎn)化為三羧酸循環(huán)(TCA)中間體,這些中間體進(jìn)入細(xì)菌的中央代謝,進(jìn)一步用于細(xì)胞成分組成和能量合成,最終降解為CO2和水[17]。苯酚降解過(guò)程與萘相似,苯酚羥化酶將苯酚轉(zhuǎn)化為鄰苯二酚后,與萘后續(xù)降解相同,經(jīng)多種功能酶產(chǎn)生順式二羧酸循環(huán)或TCA,最后生成CO2和水[18]。由此推斷,苯酚和多環(huán)芳烴利用羥化酶與雙加氧酶進(jìn)行羥基化反應(yīng),生成鄰苯二酚,經(jīng)細(xì)菌代謝,最后降解為CO2和水。

關(guān)于其他酚類(lèi)物質(zhì)與多環(huán)芳烴的微生物降解機(jī)理,LU等[19]研究發(fā)現(xiàn)鞘脂單胞菌屬(Sphingomonas)可降解芴、蒽和熒蒽,其中芴的代謝通過(guò)9-芴酮途徑進(jìn)行,形成鄰苯二甲酸和原兒茶酸。熒蒽和蒽的共代謝單羥基化反應(yīng)與芴的羥基化反應(yīng)相似?？梢?jiàn),上述降解過(guò)程可處理含有兩個(gè)及以上苯環(huán)的污染物,先通過(guò)多環(huán)芳烴雙加氧酶、多環(huán)芳烴脫氫酶、二羥基多環(huán)芳烴脫氫酶等多環(huán)芳烴功能基因酶降解,一個(gè)芳香環(huán)完成降解后,其余芳香環(huán)則會(huì)以相同方式逐一降解,形成鄰二甲苯后經(jīng)脫氫酶、變位酶、脫羧酶、水合酶、醛縮酶等功能酶,將污染物最終降解為CO2和水,這類(lèi)基因酶是微生物降解此類(lèi)多環(huán)污染物的關(guān)鍵酶。

在厭氧降解方面,微生物以芳香族化合物作為供電子基質(zhì),以硝酸鹽和硫酸鹽為最終電子受體,通過(guò)氧化來(lái)實(shí)現(xiàn)微生物生長(zhǎng),從而參與降解過(guò)程[20]。由此推斷,微生物降解酚類(lèi)物質(zhì)和多環(huán)芳烴應(yīng)具有雙氧化酶、脫氫酶、輔酶A、變位酶、脫羧酶、水合酶、醛縮酶、異構(gòu)酶與硫解酶等基因。通過(guò)分子生物技術(shù)對(duì)微生物基因組進(jìn)行研究,能有效提高微生物對(duì)多環(huán)芳烴和酚類(lèi)污染物的降解能力,提高石油化工廢水處理效率。

2.2 降解其他污染物

石油化工廢水中除酚類(lèi)以及多環(huán)芳烴外,還具有氨氮、COD、石油類(lèi)等污染物。微生物對(duì)污染物的降解情況如表2所示。變形菌門(mén)具有降解COD、氨氮、磷和酚類(lèi)化合物等多種污染物的能力;擬桿菌門(mén)具有降解COD、氨氮和有機(jī)碳的能力;綠彎菌門(mén)能降解低濃度苯酚(≤50 mg/L),但苯酚達(dá)到200～1 000 mg/L,會(huì)導(dǎo)致菌數(shù)量減少且降解能力受限[31]。Azoarcus具有脫氮除磷、處理酚類(lèi)化合物及多環(huán)芳烴的能力。根據(jù)上述分析可知,同種微生物基因中因含有多種功能酶,可同時(shí)處理廢水中多種污染物;不同微生物對(duì)同種污染物具有相同的處理效果,如Azoarcus、海小桿菌屬、藤黃色單胞菌屬、拉氏無(wú)色桿菌屬、鞘氨醇桿菌屬、嗜麥芽窄食單胞菌屬、鞘脂單胞菌屬、申氏菌、分枝桿菌屬對(duì)多環(huán)芳烴都具有去除能力,研究對(duì)特定污染物具有高效處理效果的微生物更有利于未來(lái)石油化工廢水的高效處理。

表2 對(duì)不同污染物具有降解功能的微生物菌群Table 2 The functional microorganisms for degrading different pollutants

活性污泥中有些微生物能單獨(dú)降解石油化工廢水中的特定污染物,有些微生物可與其他微生物協(xié)同提高特定污染物去除率或?qū)崿F(xiàn)某些新型污染物的降解。SONG等[42]發(fā)現(xiàn)Longilinea和Ignavibacterium與芳香族化合物降解有關(guān);Ignavibacterium、Syntrophus、Pelotomaculum可與Methanosaeta共同作用對(duì)芳香族化合物進(jìn)行降解,這些具有共生關(guān)系的菌屬在厭氧處理精對(duì)苯二甲酸(PTA)生產(chǎn)廢水中,對(duì)苯二甲酸酯的降解發(fā)揮重要作用。LIU等[43]研究發(fā)現(xiàn)海小桿菌屬具有降解多環(huán)芳烴能力,協(xié)同其他降解菌可降解石油類(lèi)物質(zhì)。多種微生物均可降解某種特定污染物,表明各種微生物對(duì)同一種污染物的降解具有相同或相似的基因,所以采用分子生物技術(shù)對(duì)微生物基因進(jìn)行分析,有助于特定污染物的降解機(jī)理研究。

3 活性污泥微生物的分子生物學(xué)鑒定技術(shù)

微生物檢測(cè)技術(shù)主要有熒光原位雜交(FISH)技術(shù)、高通量測(cè)序技術(shù)、宏基因組學(xué)、宏蛋白組和宏轉(zhuǎn)錄組等技術(shù)。FISH技術(shù)用以檢測(cè)和計(jì)量核酸序列,這種技術(shù)可以高度特異性檢測(cè)并定量目標(biāo)序列,廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域[44]。高通量測(cè)序技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單和結(jié)果可信度較高等特點(diǎn),能更加精準(zhǔn)地反映樣品中微生物的群落結(jié)構(gòu)[45]。其中MiSeq高通量測(cè)序平臺(tái)由于數(shù)據(jù)產(chǎn)生成本太高,目前使用較少[46]。高通量測(cè)序技術(shù)和宏基因組學(xué)方法的快速發(fā)展使活性污泥微生物群落組成與功能基因信息分析變得更全面、更加具體且具有較高的分辨率[47],當(dāng)前主要應(yīng)用宏基因組學(xué)、宏蛋白組和宏轉(zhuǎn)錄組分析方法分析微生物群落。作為環(huán)境微生物學(xué)的重要研究手段,宏基因組學(xué)研究無(wú)需對(duì)環(huán)境微生物進(jìn)行分離培養(yǎng),而是直接分析環(huán)境中微生物的脫氧核糖核酸(DNA)來(lái)獲知微生物群落的遺傳、功能與生態(tài)特性[48]。宏基因組學(xué)提取出來(lái)的漆酶,處理粗酶提取物或游離酶生物轉(zhuǎn)化的各種污染物方面顯示出很高的潛力。在大規(guī)模生物修復(fù)和水處理應(yīng)用中漆酶受污染介質(zhì)的復(fù)雜組成、高鹽濃度以及pH的限制,影響蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性、回收和再循環(huán)[49]。宏蛋白組是指特定條件下,環(huán)境微生物所表達(dá)的所有蛋白[50]。應(yīng)用宏蛋白組可對(duì)土壤和沉積物中的微生物進(jìn)行蛋白鑒定,還可對(duì)微生物的功能進(jìn)行表征,使宏蛋白組的數(shù)據(jù)分析多元化[51]。宏轉(zhuǎn)錄組是對(duì)某一特定時(shí)期、特定環(huán)境樣品中全部微生物的核糖核酸(RNA)進(jìn)行高通量測(cè)序,直接獲得該環(huán)境中所有微生物轉(zhuǎn)錄組信息的一種測(cè)序技術(shù)[52]。

通過(guò)分子生物技術(shù),特別是宏基因組學(xué)技術(shù),能更加具體全面地分析和測(cè)序所有基因序列,從而分析微生物種類(lèi)、豐富度以及基因功能。通過(guò)微生物群落結(jié)構(gòu)的研究,分析不同類(lèi)型石油化工廢水活性污泥中優(yōu)勢(shì)菌與不同工藝中微生物群落,可為后續(xù)提高微生物去除特定污染物的效率提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)論與展望

石油化工廢水活性污泥中主要的優(yōu)勢(shì)菌為變形菌門(mén),其次為擬桿菌門(mén)和綠彎菌門(mén),石油化工廢水類(lèi)型不同,活性污泥中微生物的群落結(jié)構(gòu)具有一定差異。針對(duì)石油化工廢水中較難處理的多環(huán)芳烴和酚類(lèi)等污染物,目前已鑒定并培養(yǎng)出多種具有高效處理效果的微生物,少數(shù)微生物可通過(guò)協(xié)同配合進(jìn)一步提高對(duì)污染物的去除效率。通過(guò)分子生物技術(shù)可以更全面地鑒定并識(shí)別微生物中參與污染物降解的功能基因信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)石油化工廢水中特征物質(zhì)的定向降解,拓寬石油化工廢水生物降解的生物資源,為提高活性污泥工藝的處理效果提供科學(xué)依據(jù)。

未來(lái)針對(duì)石油化工廢水活性污泥中微生物群落結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)在以下幾方面展開(kāi):(1)采用宏基因組學(xué)等分子生物學(xué)技術(shù)檢測(cè)微生物基因,檢索微生物體內(nèi)有降解石油化工廢水特征污染物的特征基因,通過(guò)富集馴化出能降解特定污染物的菌群,提高石化廢水中特定污染物的去除效率;(2)由于生物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會(huì)隨著石油化工廢水特性和操作參數(shù)不同而產(chǎn)生變化,未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)微生物群落的研究,使微生物更好地適應(yīng)石油化工廢水的條件,促進(jìn)微生物生長(zhǎng),為進(jìn)一步研究菌株降解有毒以及難降解化合物提供依據(jù);(3)結(jié)合大數(shù)據(jù)對(duì)處理石油化工廢水的活性污泥進(jìn)行模型預(yù)測(cè),監(jiān)控活性污泥狀況,保證活性污泥高效運(yùn)行;(4)進(jìn)一步研究石油化工廢水毒性與活性污泥以及環(huán)境條件的穩(wěn)定關(guān)系,使石油化工廢水處理過(guò)程中盡量處于動(dòng)態(tài)平衡,防止處理廢水時(shí)因微生物群落的變化或死亡,影響其處理效率;(5)將具有多種降解能力的超級(jí)微生物進(jìn)行集中培養(yǎng),加強(qiáng)污染物的最大降解能力,減少剩余污泥產(chǎn)量。