MBR高鹽廢水處理中耐鹽微生物研究進展

　　摘要:耐鹽微生物是一種新型微生物資源，在膜生物反應器(MBR)含鹽廢水處理有著重要的作用，與進水鹽度和進水類型密切相關。文章對耐鹽微生物在MBR處理高鹽廢水中的研究現狀和現有研究發現的耐鹽微生物特性對MBR處理高鹽廢水的影響進行了總結，對該領域存在的問題和不足進行了分析，對下一步可能的研究方向進行了預測，為更好開發這種特殊微生物資源打下基礎。

　　關鍵詞:膜生物反應器(MBR);耐鹽微生物;高鹽廢水

　　隨著我國工業經濟的迅速發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>1%)來源廣泛，如沿海城市對海水的利用，制革廠、石油、印染、石化、制藥、冶煉等化工企業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物等特點，該類廢水所含鹽度對微生物的正常生長代謝會產生抑制作用，其有效處理問題是當前研究熱點。

　　耐鹽微生物因具有特殊的耐鹽機制得以在含鹽環境中維持正常的生長代謝，并在高鹽環境中廣泛存在。因此，耐鹽微生物對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揮著積極作用，不僅具有高耐鹽特性，還可以在膜生物反應器中應用(接種)耐鹽微生物或海洋微生物，以增強系統的生物多樣性，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行成本。但耐鹽微生物的培養需要較長的時間，且對廢水類型具有較高依賴性，難以廣泛應用。

　　因此，加強對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現對此類廢水的回收利用，減少水資源的浪費，可減少高鹽廢水對生態環境帶來的巨大壓力，對保護環境具有重要意義，另一方面耐鹽微生物在含鹽廢水處理的廣泛應用具有較高的應用價值，為MBR穩定高效處理含鹽廢水提供依據。本文總結了目前耐鹽微生物在高鹽廢水MBR處理的主要應用研究現狀，同時對高鹽廢水中微生物種類與運行效能的關系的研究現狀和存在的問題作出了一些探討，并對MBR處理高鹽廢水中耐鹽微生物研究前進進行了展望。

　　1耐鹽微生物特性

　　1.1耐微生物與嗜鹽微生物的差異

　　根據微生物對鹽濃度的適應程度可分為耐鹽(Halotolerant)和嗜鹽(Halophilic)兩大類群：耐鹽微生物是指能耐受一定鹽濃度溶液，但在無鹽條件下生長最好，其正常生長代謝活動也不需要大量無機鹽，NaCl不是其生長繁殖的必要條件，因此該類群也稱為非嗜鹽微生物(Non-halophilic);嗜鹽微生物是指可以在高鹽濃度環境下正常進行生命活動的微生物，其生長離不開高鹽環境，一定濃度的NaCl是其生長繁殖的必要條件。目前對于廢水處理應用中耐鹽菌的分類還沒有嚴格的標準，而Lay等人[1]依據耐嗜鹽微生物對鹽度的依賴性進行了分類。

　　1.2耐鹽微生物的耐鹽機制

　　對于傳統活性污泥，鹽度沖擊會改變細胞周圍滲透壓，通過促進膜細胞的滲透交換，從而導致污泥絮體的脫水，嚴重時甚至發生質膜分離，破壞細胞結構[2]。且高鹽度對污泥活性和微生物結構產生抑制或毒性影響，從而有機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高鹽環境[4]，但活性污泥通過長期的條件馴化，鹽敏感微生物菌群逐漸減少，耐鹽細菌開始活動聚集，并成為污泥絮體中的優勢物種[5-6]。

　　因此，微生物細胞可以通過馴化機制適應滲透壓。此外，也有研究人員通過將耐鹽細菌純化進行分離和富集[7-10]以處理含鹽廢水，但獲得的耐鹽微生物在實際含鹽廢水中的成功應用嚴格取決于該類菌群在實際廢水中的存活和有效代謝。有報道稱，馴化后的微生物即使在高鹽度沖擊下也能平衡細胞內的滲透壓或保護細胞內原生質的內部調節機制，這種調節機制包括細胞形成一個新的保護層，聚集了低分子量物質(即糖和氨基酸等)來抵抗細胞外的高滲透壓，進而調節新陳代謝[11]，維持細胞的形態、結構和生理功能等。

　　類似地，信欣[12]研究了高鹽環境(CaCl2)下腐生葡萄球菌(Staphylococcussaprophyticus)細胞內某些于調滲有關的物質(如氨基酸、蛋白質、K+和季銨化合物(QAC))可能增加，調節內外滲透壓以保證細胞的生長繁殖;且菌株在胞內會產生一些新的蛋白，這些蛋白可以參與高鹽條件下水分的吸收、離子、糖類、氨基酸和細胞代謝物等物質的轉運和運輸，并且還具有保護細胞膜的正常生理功能。

　　并且高鹽條件(9.0%CaCl2)培養的細胞，其胞內可溶性糖的含量先增加后減少，這表明這些糖類分解釋放的能量可供給生物進行生物大分子蛋白質、核酸等的合成，是菌株在高鹽條件下能進行正常生命和生理活動的能源保證。也有學者通過耐鹽細菌的革蘭氏染色信息分析得到[6]，當鹽度低于100g/L(NaCl)時，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特的脂多糖和蛋白質外膜，能夠阻止一些細胞外物質進入細胞，增加細胞對某些有毒環境的耐受性。

　　2耐鹽微生物應用研究現狀

　　2.1耐鹽微生物在海洋類廢水中的研究現狀

　　目前海水資源廣泛應用于海水養殖、沿海工業應用、海水淡化工藝、海水沖廁等，實現了對海水資源的充分利用。海水應用產生廢水的生物處理過程中，耐鹽微生物菌群是研究較多且功能特性研究比較獨特的微生物之一。

　　目前研究得到該類廢水生物處理過程中變形菌門、浮霉菌門和擬桿菌門是三個最主要的菌門。ZHANG等人[13]研究了膜生物反應器處理海水養殖廢水的微生物群落，結果發現在3%鹽度下反應器中的變形菌門和擬桿菌門最為豐富，其次為酸桿菌門、浮霉菌門、螺旋菌門和厚壁菌門，且反應器對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]在降解有機污染物方面起重要作用，且被廣泛報道在各類廢水處理中占主要種類[16-18]，厚壁菌可在含鹽廢水中進行正常的生長代謝[19]，并能產生抵抗脫水后如其他極端環境的孢子[20]。

　　SONG等人[21]通過海水馴化污泥以處理海水養殖廢水，將能夠降解難降解化合物的海洋細菌接種到海水活性污泥中，結果發現變形菌門、浮霉菌門、擬桿菌門和厚壁菌門最豐富，其中Phycisphaera和海洋桿菌屬是反應器中的優勢種，海洋生菌屬是一種嗜鹽、需氧和化學異養細菌，最常見于海洋環境[22]。

　　由于海水對硝化菌的選擇性和高鹽抑制作用，只檢測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，微生物在高鹽環境下還具有其他特性。LI等人[24]采用膜生物反應器處理海水養殖廢水中的抗生素，變形菌在抗生素的脅迫下相對豐度相對新上升，而厚壁菌的相對豐度下降，可見變形菌的耐藥性增加。

　　2.2耐鹽微生物在工業生產廢水中的研究現狀

　　近年來，工業生產的大力發展和石油開采造成了大量含鹽廢水的排放。由于該類廢水含有高鹽濃度和其他有毒化學物質，直接排放進入淡水會導致水生生物死亡、生態系統破壞和飲用水生產成本增加等有害后果。耐鹽微生物廣泛存在于高鹽環境中，結合耐鹽微生物對該類廢水進行生物處理是目前對高鹽廢水有效處理的研究熱點。ALEJANDRO等人[25]采用膜生物反應器復合系統處理含鹽城市污水考察了系統性能和微生物群落結構，結果表明生物反應器在去除有機物方面性能較差，黃單胞菌科和分枝桿菌屬為優勢菌種，其中黃單胞菌科與氨氧化活性密切相關，而細小桿菌屬和醋酸桿菌科與系統中的有機物降解密切相關。

　　CAPPELLO等人[15]在MBR系統處理海洋運輸產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類群，其中14株菌株分為7個屬(Alcanivorax、Erythrobacter、Marinobacter、Microbacterium、Muricauda、Rhodococcus和Rheinheimera)顯示出一個或者多個生物修復的代謝特性。尤其Alcanivorax、Rheinheimera、Rhodococcus和Muricauda表現出較高活性，且這些微生物可在生物修復中發揮重要的生態作用[26]。

　　目前能以烴類為碳源和能源生長的微生物約又100余屬、200多種，分屬于細菌、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)是高鹽度環境中常見的菌種，具有降解多種碳氫化合物(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;在古細菌中，Heloferax、Haloarchula和Halobacterium在高鹽環境中對碳氫化合物的降解起著重要作用[28]。

　　2.3耐鹽微生物在食品生產加工廢水中的研究現狀

　　海產品加工、蔬菜罐頭、醬油和榨菜生產等食品加工生產所產生的廢水具有高鹽、高營養和高有機濃度的特點。大多數耐鹽微生物在高鹽度條件下仍具有降解有機污染物的特性，對實現高鹽有機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用于MBR處理海產品加工廢水，結果表明系統在2.4%鹽度下對溶解性有機物和氨氮的去除率達99%以上，且系統中的耐鹽微生物仍具有較高活性。

　　胡殿囯[30]等人從以海產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為主的變形桿菌門和擬桿菌門細菌，研究得到以這些菌種培育的生物處理系統對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到87%和94%，且能耐受4.1%NaCl濃度。

　　3耐鹽微生物特性研究現狀

　　3.1耐鹽微生物污染物的去除特性

　　生物處理過程通常通過去除有機污染物(即C、N、P、S)來衡量系統運行效率。耐鹽微生物除了具有抵抗外界環境的滲透脅迫的特性，還能對環境中的有機物和氨氮等物質作為營養物質進行生物降解，從而降低廢水中有機物和氨氮濃度。LUO等人[37]通過對比無鹽條件MBR與加鹽MBR對有機污染物質的去除性能，研究得到對照MBR的TOC和NH4+-N的去除率都在98%以上，而含鹽MBR隨著鹽負荷的增加，其有機物去除率呈先下降后逐漸增加的趨勢。

　　LI等人[24]研究發現α-變形菌在海洋環境中廣泛存在，且一些α-變形菌可促進硝化作用，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廢水的實驗室規模處理中，研究表明隨著鹽度的增加，氨氮的去除率由87%降至46%，微生物群落結構發生了變化，其中亞硝基單胞菌屬是優勢菌，負責MBR中有機物的生物降解。

　　4當前耐鹽微生物研究存在的問題及建議

　　目前，人們在耐鹽微生物處理高鹽廢水的研究領域取得了一定的進展，并且在高鹽廢水處理中的運用效果顯著。但是，在很多方面都需要進一步的研究和探索。如對耐鹽微生物分離篩選的不多，沒有形成耐鹽微生物的基因庫;對耐鹽微生物的生理化作用和培養特性、代謝特性研究不多;對耐鹽微生物在MBR高鹽廢水處理中的實際運用性及可大量生產制備程度不高。針對以上問題，建議加強如下兩方面研究。1)利用相關分子生物學技術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，為其應用研究打下基礎。2)深入了解耐鹽微生物代謝特性和環境效應，以便在實驗研究和實際應用中設計優化運行參數，從而獲得最佳的處理效果。

　　參考文獻：

　　[1]LAYWCL,LIUY,FANEAG.Impactsofsalinityontheperformanceofhighretentionmembranebioreactorsforwaterreclamation:Areview[J].WaterResearch,2010,44(1):21-44.

　　[2]FERRER-POLONIOE,GARCÍA-QUIJANONT,MENDOZAROCAJA,etal.EffectofalternatinganaerobicandaerobicphasesontheperformanceofaSBRtreatingeffluentswithhighsalinityandphenolsconcentration[J].BiochemicalEngineeringJournal,2016,113:57-65.

　　[3]FRANKVB,REGNERYJ,CHANKE,etal.Co-treatmentofresidentialandoilandgasproductionwastewaterwithahybridsequencingbatchreactor-membranebioreactorprocess[J].JournalofWaterProcessEngineering,2017,17:82-94.

　　[4]AMINMM,KHIADANIMH,FATEHIZADEHA,etal.Validationoflinearandnon-linearkineticmodelingofsalinewastewatertreatmentbysequencingbatchreactorwithadaptedandnon-adaptedconsortiums[J].Desalination,2014,344:228-235.

　　作者：羅玲1，袁野1，郝會超1，陸柳鮮1，唐林旺1，鐘常明1，2

轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.zpfmc.com/dzlw/28619.html