生物强化技术及其在污水处理中应用研究评述

2020-08-20王亚军蔡文娟王惠

生态环境学报 2020年5期

王亚军，蔡文娟，王惠

1. 兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州 730050；2. 兰州兴蓉环境发展有限责任公司，甘肃兰州 730070

生物处理法在污水处理系统中处于主导地位，微生物对生物处理效果优劣起着至关重要的作用，如果污水中存在难降解有毒物质则可能抑制微生物的生长代谢，外界环境变化也可能会使微生物活性受到抑制，最终导致处理效果不佳、出水水质不达标，因此生物处理方法在实际生产应用中也存在着自身的局限性，而生物强化技术便是在这样的背景下应运而生。

生物强化技术是指在传统的生物处理系统中，通过引入具备特定功能的微生物，使系统对于特定污染物的降解能力和降解效率都有所提高，且达到有效处理含难降解有机污染物污水目的（郭静波，2010）。具有几点优势：对难降解污染物质的去除效果良好，生物强化技术中所采用的微生物是经过一定条件的驯化选择培养而得到的，因此对于特定污染物具有很强的专一性；减少系统剩余污泥量；维持系统运行稳定性；增强抵抗外界环境和污染物质浓度变化带来的冲击负荷；缩短系统启动时间。

近年来通过生物强化技术处理各类污染物的应用已经屡见不鲜，通常用于工业废水处理中，主要是因为该技术对于工业废水中的某种特定的难降解污染物具有较好的降解效果，而且成本较之原有工艺的改造更加低廉有效，从而使得生物强化技术的研究更加普遍。生物强化技术在城市污水处理中的应用并不广泛，主要是由于早期城市污水水质组分简单，污染物质的构成并不是复杂且难于降解，所以只需应用传统生物法进行处理便可以使得尾水达标。但是，随着社会发展和人们对水质要求提高，城市生活污水成分中已经常含有大量油脂、表面活性剂和重金属离子等，若仅仅依靠传统的土著微生物进行生物处理，已无法保证尾水达标，因此，具有多种优势的生物强化技术理所当然地拓展到城市生活污水处理领域。

1 生物强化技术的发展

20世纪 90年代生物强化技术应用于各个领域的案例就已经出现，Goulding et al.（1988）研究了在垃圾处理的系统中引入对芳香族化合物具有高效降解功能的微生物可以使各类芳香族化合物得到降解，文中也提到由于自然界中的土著微生物不具备降解人工合成化合物的能力。Mikesell et al.（1988）通过向受五氯苯酚污染的土壤中投入具有脱氯酚能力的厌氧污泥，发现土壤中的五氯苯酚得到了更好的去除。在1992年Stephenson et al.（1992）阐述了强化菌剂的制作方法、应用手段以及效果评价。

进入 21世纪，基因工程菌和质粒接合研究推动了生物强化技术发展，Jin et al.（2009）采用一株基因工程菌对印染废水进行脱色，实验发现经过生物强化可以增强废水中的生物活性，其反应器在适宜的环境下对废水的脱色效果更加良好。Mohan et al.（2009）将假单胞菌中具有降解甲苯和苯甲醇能力的质粒接合到受体菌株中，以此获得的优势菌株对上述的两种污染物都具有很好的降解效果。刘春等（2008）考察了一株对降解阿特拉津具备降解功能的基因工程菌分别在MBR和CAS中的流失情况以及流失后在模拟自然环境中的生存状况，结果表明当基因工程菌流入适宜生存的土壤环境中时，会增加潜在的生态风险。郭静波等（2011）阐述了生物强化技术在污水处理中的作用机制、作用效果和研究状况，系统总结出生物强化的作用机制是通过一定的生物技术手段如筛选、驯化和基因重组等将得到的可以降解目标污染物的高效降解菌直接投入到污水中，菌种以游离或者附着在载体上以生物膜的形式对污水目标污染物起到降解作用，同时在复杂的生物处理系统中可能存在微生物的共代谢作用。

2 生物强化技术的概述

2.1 生物强化技术的作用机理

2.1.1 高效菌的直接作用

自然界中某些微生物细胞中携带特殊性质的质粒，如携带抗药性质粒的微生物细胞具有耐或抗或分解或失活某种抗生素或药物的作用，还有些微生物携带抗重金属、紫外线等的质粒；或者携带降解质粒，可以降解某种化合物。而这些特殊功能都为生物强化技术的诞生、应用与发展提供了有利的基础条件。多种研究结果发现酶、蛋白质、细胞膜、细胞质等微生物细胞结构使生物强化技术的原动力。

Shi et al.（2012）将嗜盐微生物接入到高盐度废水中对废水中的营养物质进行去除，处理效果要比未接入嗜盐微生物的对照反应器要好，而对于生物滤池反冲洗后的恢复时间也相应得到了缩短。Cui et al.（2014）运用生物强化技术对低温环境下中高浓度城市污水进行处理，对于COD、氨氮等物质的去除效果都要比非生物强化反应器的好，且微生物种群更加多样，反应器的启动时间也得到大大缩减。低温菌细胞内的酶蛋白在低温环境下也可以正常发挥其自身的作用，并且还具有很高的活性（辛明秀等，2000）。低温酶在低温环境中的比活力较高，而由于酶蛋白分子具有很好的柔性，可以形成相对松散且具有弹性的结构，增强了对底物的作用，加快了酶促反应的进行，使得低温酶具有很高的催化活性（Marx et al.，2007）。也有研究者发现嗜冷菌在低温环境下生长时，可以产生这种冷适应蛋白（CAP）来适应外界环境温度的波动（韩晓云，2006）。抗冻蛋白（AFP）表面与冰晶结合可以产生“热滞后”的现象，可以使得适冷微生物在低温环境中生长（邱天等，2012）。嗜冷微生物具有较高含量的不饱和脂肪酸，降低脂肪酸的碳链长度，增加甲基支链脂肪酸都是有利于低温菌在低温环境下的生存（Chattopadhyay et al.，2001）。嗜冷微生物可以产生冷冻保护剂对细胞起到保护作用，可维持细胞正常的渗透压（林学政等，2003）。Bhattacharya et al.（2013）研究一株耐铬菌株对六价铬的耐受能力发现耐铬菌株对金属 Cr(VI)、Zn(II)、Pb(II)、Ni(II)、Cd(II)都具有耐受性，通过使用酶将Cr(VI)转化成毒性较低的Cr(Ⅲ)、吸附和细胞内的积累作用。Tsutsui et al.（2013）运用水平基因转移的技术将具有可以降解 2, 4-二氯苯氧乙酸的质粒 pJP4接合到两株受体菌株的细胞中，生物强化的两个反应器对目标污染物的降解能力要比对照组的效果好而且可以承受高负荷目标污染物的冲击，质粒对于受体细胞的选择会影响反应器的性能。水平基因转移技术是通过能够在DNA分子内部或之间移动的可移动遗传元件的协同活动来完成的，这些可移动遗传元件包括质粒、转座子、整合子、插入序列共同区等（Partridge et al.，2018）。降解质粒可以通过接合作用进行转移而发生重组，从而使得微生物具备对结构复杂、难降解和稳定化合物的降解能力（Top et al.，2002）。

上述内容详细地介绍了耐盐微生物、耐冷微生物、耐铬微生物以及可降解2, 4-二氯苯氧乙酸微生物的分子机理，表1列举了几种难降解有机污染物高效降解菌。

生物强化过程中的微生物主要是依据污染物特定的物理化学性质所筛选出来的，这些微生物要比普通微生物对于目标污染物的降解效果更好，而且通过固定化技术将选定的微生物固定到生物膜中以防止微生物被冲洗掉，能达到更高的效果。而具备生物强化作用的微生物一般需要满足 3个条件：（1）可以在特定环境中生存；（2）具备很强的竞争能力；（3）可以和其他土著微生物共存（Wang et al.，2009）。从上述例子中可以看出不同微生物对于不同目标污染物质的降解机制也是不同的，这主要取决于微生物细胞分子对环境的适应机制。生物强化技术应用最为普遍的方式是针对目标污染物质或者环境条件等因素筛选出高效菌种，并直接进行投加，利用微生物本身所具备的作用机制对污染物达到高效的处理效果。

表1 难降解有机污染物高效降解菌Table 1 The highly degradable bacteria for refractory organic pollutants

2.1.2 共代谢作用

共代谢作用是大多数微生物降解环境中有机污染物的一种重要方式，它是微生物为适应复杂的环境条件而长期进化形成的一种特性，也是微生物的一种重要的代谢机制。共代谢是指微生物在利用易降解的物质作为碳源或能源的同时，对目标污染物进行降解的过程（张庆云等，2017a）。Lu et al.（2016）在利用光合细菌降解淀粉的过程中发现光合细菌不能直接降解高分子多糖，从而使得淀粉降解过程受阻，但是当加入苹果酸作为初级基质，由于共代谢作用使淀粉得到高效的降解。对于共代谢的作用机制，主要包括以下 3种情况：（1）微生物在代谢生长基质的过程中对非生长基质的转化；（2）微生物的种间协同作用降解有机污染物；（3）生长基质不存在时休眠细胞对非生长基质的代谢（罗玮，2012）。

影响共代谢过程的关键因素有关键酶活性的维持、生长基质与目标污染物的竞争与抑制、目标污染物浓度及其对微生物的毒性作用（Zhou et al.，2011）。表2总结了一些具有共代谢功能的微生物。

2.1.3 群体感应作用

群体感应是微生物为方便它们之间的信息交流而自发产生和释放的一些被称为自诱导物质的信号分子，这些自诱导物质可以调控微生物的群体行为并且有利于生物膜的形成，从而使得微生物群落增加，在生物强化过程中，整个微生物群落结构的变化也可能是由高效菌株的群体感应能力所引起的（Zhang et al.，2017）。生物膜形成的其中一种机制是群体感应，微生物通过信号分子来调节种群附着和迁移，以此形成生物膜（温东辉等，2014），前文已经论述了水平基因转移主要是依靠某些微生物自身携带有可降解目标污染物的可移动遗传元件起作用，Søren et al.（2003）提出基因转移可能加速微生物群落自身的生理性能和分解代谢性能，而生物膜中密实的种群结构通过接合可以提高质粒的扩散和基因的释放。同时生物膜的形成也有利于微生物在生物处理系统中的固定化作用，从而有助于改善生物强化处理废水的效果。因此，微生物群体感应可以通过刺激生物膜的生长达到污染物的降解作用（Alexis et al.，2016；Chen et al.，2018）。雍阳春（2010）通过筛选得到一株具有AHL群体感应系统且有较强芳香族污染物降解能力的铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）CGMCC 1.860，对其降解特性进行研究分析得出外源添加的短链 AHL能够提高铜绿假单胞菌的苯酚降解能力并且群体感应系统在该过程中对生物降解具有调控作用。

表2 具有共代谢功能的微生物Table 2 The microorganisms with co-metabolic function

2.2 高效菌株的获取方式

生物强化技术的实施步骤关键是获得具有特定降解功效的微生物，这些微生物主要来源以下 3方面：

2.2.1 从自然界中直接进行筛选

现阶段从自然界中通过选择培养是获取高效菌株最普遍的方法，即在受污染环境或者在自然环境下对功能性不同的微生物进行分离筛选以获得高效降解功能的菌株。近些年来，随着现代生物技术的发展，国内外学者对于优势菌株高效快速的筛选技术也进行了深入的研究，高通量筛选技术是目前较为先进的优势菌株筛选方法，应用高通量筛选技术可以快速获得理想的实用菌株，有效降低菌株筛选的时间和成本。

2.2.2 基因工程菌的构造

通过把对特定污染物具有降解功能的目的基因导入到受体菌株的细胞内并使其表达，从而构建出人类所需要的菌株，以实现对环境中难降解污染物质的高效降解作用。应用基因工程技术构建高效菌的途径主要有质粒的转移过程、原生质的融合过程、基因重组过程和改变胞内关键酶系统的过程。

2.2.3 水平基因转移

在不同菌种之间，遗传物质也可以通过水平基因转移技术进行传递，杨懿宁等（2015）阐述这 3种高效菌株的获取方式，运用常规手段分离出的高效降解菌种可能存在对各种环境、有毒物质耐受力不足的问题，但是其技术成熟、应用范围广。应用基因工程技术构造出的菌株对目标污染物降解效率稳定，并且针对性较好。水平基因转移技术获取的菌株在处理系统中处于优势地位，可以保持高数量和高活性。而目前基因工程菌的构造和水平基因转移技术都存在生物安全性方面的争议。

2.3 生物强化技术的作用形式

2.3.1 直接投加优势菌种

直接投加所筛选出来的高效菌种是目前最为常见的作用形式，生物反应池内含有庞大微生物群体，在它们的协同作用下可以对污水达到处理效果（Herrero et al.，2015），因此尽管纯种菌对特定的污染物质有很好的降解效果，但是实际中混合菌种对于污染物质降解的应用更加广泛和有效。Yao et al.（2013）提出生物增强技术成功的关键因素在于新引入的高效菌株是否可以在原生物处理系统中存活并融入。而采用混合菌种投加方法是使生物强化技术成功的有效策略，即使在这些混合微生物中并不是所有的都可以起到降解目标污染物的效能。对四氢呋喃的生物强化降解实验中，在只接种降解菌Rhodococcussp. YYL的反应器中，发现在接种初期，该菌株起到了一定的降解作用，但是经过一段时间后，该菌株并未成功在反应器中存活，而在接种混合菌株的反应器中，Rhodococcussp. YYL能迅速定植并成为优势菌株，对四氢呋喃起到降解效果。Kumar et al.（2018）通过分析指出混合菌种在对纺织染料的降解过程中表现出比纯种菌更好的效果，主要是由于混合菌种之间的协同作用更有利于纺织染料的降解。在污水生物降解过程中使用单一微生物可能达不到降解效果，使用混合菌种可能提高生物降解过程中的微生物量、生长效率及其产酶量，而且由于一种微生物的产物可能成为另一种微生物的底物，所以混合培养可以克服微生物之间的反馈调节机制和代谢抑制情况（Dhall et al.，2012）。Mazzucotelli et al.（2014）采用混合优势菌种对乳品废水进行生物强化处理，经过实验发现其对脂肪和蛋白质的降解效率可以达到80%以上，显著改善了乳品废水的降解效果。

2.3.2 微生物固定化技术

微生物固定化技术主要是采用物理或化学的方法将游离的菌种固定在限定的空间区域内，使微生物保持活性的一种方法（刘紫君，2018）。固定化技术可以使微生物在反应器中不易流失，从而达到降解效果（Li et al.，2013）。同时，可以减小与土著微生物之间的竞争；控制营养物质的流失；有效降低有毒化合物的浓度；防止高效菌株被系统中的原生动物所捕食等（Sanjeevkumar et al.，2013）。Wang et al.（2015）采用固定化技术进行高效菌株降解喹啉实验，去除效果比接种游离高效菌株的反应器更好。处理技术组合也是常使用手段来进一步提升处理效能，Zhou et al.（2015）研究了用氧化石墨烯改性聚乙烯醇固定化微生物从而提高了盐碱微生物的数量和活性，对目标污染物具有更好的降解效率。相较于各种不同材料的固定化载体，细菌生物膜作为天然载体的自固定化技术由于其自身所具有的成本低廉、简单可行等优点而在水处理中有着潜在的应用前景（Cheng et al.，2015a）。Cheng et al.（2015b）利用多种微生物具有自絮凝产生共聚体的特性，可以使其形成生物膜载体，从而达到对3, 5-二硝基苯甲酸很好的降解效果。

2.3.3 生物强化菌剂

从自然界中筛选出来具有特定降解功能的微生物菌群，经发酵扩大培养而制成的菌液制剂或干粉制剂被称为生物强化菌剂（徐军祥，2007）。代鹏飞等（2015）将生物强化菌剂投加到 SBR中，COD去除和抗冲击负荷能力均远远高于对照组。王越兴等（2016）研究了微生物菌剂对污泥中微生物群落的影响，结果显示在投加生物菌剂后，系统中的物种组成更复杂，物种丰度更高，有利于脱氢酶的分泌，继而使得有机质能更好的分解，最终有利于污泥减量。

3 生物强化技术的应用

生物强化技术的应用领域愈发广泛，刘书宇等（2008）通过向景观水体投加功能微生物菌群来提高复合生态床对景观水体污染物的去除率。Cycoń et al.（2017）阐述了生物强化技术在土壤修复应用，通过引入特定的微生物对受不同类农药污染土壤都具有很好的修复效果。生物强化产能方面也逐渐受到关注，Lin et al.（2018）经过实验发现在接种重组的铜绿假单胞菌株的强化反应器中，N2O的产量会有显著的提升。Wang et al.（2018b）通过实验应用生物强化技术既降解了苯酚，又提高了 H2的产量。Lebiocka et al.（2018）对污泥的处理采用生物强化技术，能有效地改善污泥厌氧消化性能，从而提高产甲烷效率。表3和表4总结了近几年来生物强化技术分别在工业废水和城市污水处理方面的应用。

4 生物强化技术研究存在问题和新路径

如前所述，污水含有众多复杂且难降解污染物，致使仅采用土著微生物难以满足排放标准，但是，生物强化技术尽管很早开展研究且部分在实际中有很好的应用效果，还是不能否认生物强化技术现阶段仍然存在很多问题，例如，（1）生物反应系统内存在原生动物捕食优势菌，导致优势菌可能接种率降低，这点可以通过固定化微生物技术提高接种率；（2）外加强化菌群与土著微生物可能存在竞争/拮抗关系，可能会使优势菌很难摄取足够的营养以维持生长，这点可以通过直接采取原水或污泥作菌源进行富集驯化筛路径解决；（3）投菌量不足再加上菌种在水体中的流失可能会使优势菌种难以在系统中大量增殖，这点可以通过优化工艺操作参数路径解决；（4）优势菌株进入系统后，优先利用的是容易利用的底物，这样会导致菌株对目标污染物的降解速率缓慢，这点可以通过实验筛选快速高效选择目标污染物性能的菌株路径解决；（5）复合污染物存在，导致单一优势菌可能达不到降解效果，这点可以基于群体感应的筛选多种不同功能菌株组合成一个混合菌群组合路径解决。