活性污泥法降解石油化工废水的微生物群落研究进展*

李东彧 赵国峥 李长波# 王 硕 鲍明福 刘 爽

(1.辽宁石油化工大学环境与安全工程学院,辽宁 抚顺 113001;2.抚顺矿业集团有限责任公司工程技术研究中心,辽宁 抚顺 113005)

石油化工废水是石油加工生产过程中所产生的废水,具有毒性高、排放量大、成分复杂与处理难度较大等特点[1]。随着人们对石油化工产品的需求逐年增加,石油化工废水排放量日益增大,已经占据整个工业废水排放量的10%以上[2],石油化工废水的高效处理至关重要。

石油化工废水的处理方法主要包括物理法、化学法、物理化学法和生物法[3]。其中,物理法难以去除水体富营养化的氮磷等污染物;化学法对废水中油脂的去处能力较差;物理化学法会消耗大量能源及材料,且对水质要求较高。对比上述处理方法,生物法具有成本低、效益高、去除效率明显以及减少二次污染的优势,已成为处理石油化工废水的核心工艺[4]。其中,活性污泥法是石油化工废水处理中应用最广泛的生物处理方法[5]。

活性污泥为棕色絮状污泥,具有极其丰富的微生物群落,由细菌、古生菌、真核生物和病毒组成[6]。其中,细菌是活性污泥群落的主要组成部分,XIA等[7]发现,在正常运行的活性污泥中,代谢活跃的细菌细胞通常占细胞总数的80%左右。活性污泥中不同类群的微生物可以协同降解废水中污染物,使有机碳去除、硝化与反硝化反应以及强化生物除磷等同时进行[8]。ZHANG等[9]研究发现,石油化工废水中活性污泥体积分数为25%时,氨氮去除率为76%,生化需氧量(BOD)去除率可达到90%,说明活性污泥对石油化工废水的处理能力较高。活性污泥主要的降解能力来源于微生物,对活性污泥中微生物群落进行评估,对于理解微生物群体间的相互作用和优化生物降解至关重要。

为深入了解活性污泥中微生物群落结构组成,提高石油化工废水中污染物的去除效率,本研究对不同类型石油化工废水中特征污染物及处理该石油化工废水活性污泥中的优势菌群进行整理,总结了分子生物技术在活性污泥微生物群落分析中的应用,研究结果为优化石油化工废水活性污泥处理的工艺条件和运行参数提供参考。

1 石油化工废水的特征污染物及处理优势菌

石油化工类产品、半产品以及所需的原材料种类繁多,其废水处理难度较大。由于化学产品性质和种类不断更新,石油化工废水中有毒化学物质的种类不断改变,导致污染物的物理、化学性质极其复杂,难以去除[10]。不同石油化工废水具有不同的特征污染物,直接影响着废水活性污泥法的处理效果,也会导致活性污泥中微生物群落组成有所差别。不同类型石油化工废水的特征污染物及活性污泥处理优势菌汇总见表1。

表1 不同类型的石油化工废水及活性污泥处理优势菌 Table 1 Different types of petrochemical wastewater and dominant bacteria

由表1可见,石油化工废水中含有酚类、苯类、氰化物、醛酮类等有毒污染物,特别是含有酚与氰类的废水毒性明显,这类有毒污染物处理不当会危害人类健康。观察不同种类石油化工废水的特征污染物、COD以及表征物种丰富度的Shannon指数,发现活性污泥物种丰富度与特征污染物相关性较大而与COD浓度相关性较小,表明不同特征污染物会影响微生物群落的多样性,活性污泥中微生物与特征污染物种类息息相关。

处理石油化工废水的活性污泥中优势菌门主要为3种,变形菌门、拟杆菌门与绿弯菌门。高盐石化废水中变形菌门相对丰度为71.3%[15],而高碱性合成废水中变形菌门相对丰度仅为16.9%,说明不同污染物对变形菌门产生一定的促进或抑制作用。尤其碱性条件下,变形菌门的生长受限而绿弯菌门能较好生存,绿弯菌门相对丰度达33.1%[16]。炼油废水中的拟杆菌门(相对丰度为12.43%)、含酚石化废水中的厚壁菌门(相对丰度为26%)与高盐石化废水中的绿弯菌门(相对丰度为12.58%)是废水中除变形菌门外相对丰度最大的优势菌门,而变形菌门、拟杆菌门、绿弯菌门、厚壁菌门与酸杆菌门在不同类型石油化工废水活性污泥中相对丰度相差较大。由此推断,活性污泥中微生物群落结构组成总体相似,受污染物种类的影响导致相对丰度不同,主要优势菌门不会发生变化,但优势菌属种类相差较大,表明污染物种类对优势菌属的影响高于优势菌门。

2 特征污染物的微生物降解

2.1 降解酚类、多环芳烃

石油化工废水中特征污染物主要以多环芳烃和酚类为主,分别以萘及苯酚为多环芳烃及酚类化合物的代表污染物分析微生物的降解机理。在微生物好氧降解过程中,萘首先经羟基化反应,在多组分双加氧酶或环羟基化双加氧酶催化下生成顺式二氢二醇,而后芳环被顺式二氢醇脱氢酶再芳构化形成二羟基化中间体,经氧化形成的邻苯二酚受水杨醛脱氢酶影响形成水杨酸,成为好氧芳烃降解的主要中间产物。后续降解过程取决于羟基在二羟基化中间体上的位置,在邻位上有羟基的中间体,二醇内裂解双加氧酶在两个羟基之间作用,产生顺式二羧酸;而羟基的中间体处于中间位置,则裂解发生在二醇外经双加氧酶形成2-羟基粘糠半醛。最后,萘中所有环转化为三羧酸循环(TCA)中间体,这些中间体进入细菌的中央代谢,进一步用于细胞成分组成和能量合成,最终降解为CO2和水[17]。苯酚降解过程与萘相似,苯酚羟化酶将苯酚转化为邻苯二酚后,与萘后续降解相同,经多种功能酶产生顺式二羧酸循环或TCA,最后生成CO2和水[18]。由此推断,苯酚和多环芳烃利用羟化酶与双加氧酶进行羟基化反应,生成邻苯二酚,经细菌代谢,最后降解为CO2和水。

关于其他酚类物质与多环芳烃的微生物降解机理,LU等[19]研究发现鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)可降解芴、蒽和荧蒽,其中芴的代谢通过9-芴酮途径进行,形成邻苯二甲酸和原儿茶酸。荧蒽和蒽的共代谢单羟基化反应与芴的羟基化反应相似。可见,上述降解过程可处理含有两个及以上苯环的污染物,先通过多环芳烃双加氧酶、多环芳烃脱氢酶、二羟基多环芳烃脱氢酶等多环芳烃功能基因酶降解,一个芳香环完成降解后,其余芳香环则会以相同方式逐一降解,形成邻二甲苯后经脱氢酶、变位酶、脱羧酶、水合酶、醛缩酶等功能酶,将污染物最终降解为CO2和水,这类基因酶是微生物降解此类多环污染物的关键酶。

在厌氧降解方面,微生物以芳香族化合物作为供电子基质,以硝酸盐和硫酸盐为最终电子受体,通过氧化来实现微生物生长,从而参与降解过程[20]。由此推断,微生物降解酚类物质和多环芳烃应具有双氧化酶、脱氢酶、辅酶A、变位酶、脱羧酶、水合酶、醛缩酶、异构酶与硫解酶等基因。通过分子生物技术对微生物基因组进行研究,能有效提高微生物对多环芳烃和酚类污染物的降解能力,提高石油化工废水处理效率。

2.2 降解其他污染物

石油化工废水中除酚类以及多环芳烃外,还具有氨氮、COD、石油类等污染物。微生物对污染物的降解情况如表2所示。变形菌门具有降解COD、氨氮、磷和酚类化合物等多种污染物的能力;拟杆菌门具有降解COD、氨氮和有机碳的能力;绿弯菌门能降解低浓度苯酚(≤50 mg/L),但苯酚达到200～1 000 mg/L,会导致菌数量减少且降解能力受限[31]。Azoarcus具有脱氮除磷、处理酚类化合物及多环芳烃的能力。根据上述分析可知,同种微生物基因中因含有多种功能酶,可同时处理废水中多种污染物;不同微生物对同种污染物具有相同的处理效果,如Azoarcus、海小杆菌属、藤黄色单胞菌属、拉氏无色杆菌属、鞘氨醇杆菌属、嗜麦芽窄食单胞菌属、鞘脂单胞菌属、申氏菌、分枝杆菌属对多环芳烃都具有去除能力,研究对特定污染物具有高效处理效果的微生物更有利于未来石油化工废水的高效处理。

表2 对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单独降解石油化工废水中的特定污染物,有些微生物可与其他微生物协同提高特定污染物去除率或实现某些新型污染物的降解。SONG等[42]发现Longilinea和Ignavibacterium与芳香族化合物降解有关;Ignavibacterium、Syntrophus、Pelotomaculum可与Methanosaeta共同作用对芳香族化合物进行降解,这些具有共生关系的菌属在厌氧处理精对苯二甲酸(PTA)生产废水中,对苯二甲酸酯的降解发挥重要作用。LIU等[43]研究发现海小杆菌属具有降解多环芳烃能力,协同其他降解菌可降解石油类物质。多种微生物均可降解某种特定污染物,表明各种微生物对同一种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术对微生物基因进行分析,有助于特定污染物的降解机理研究。

3 活性污泥微生物的分子生物学鉴定技术

微生物检测技术主要有荧光原位杂交(FISH)技术、高通量测序技术、宏基因组学、宏蛋白组和宏转录组等技术。FISH技术用以检测和计量核酸序列,这种技术可以高度特异性检测并定量目标序列,广泛应用于医学、生物学、环境科学等领域[44]。高通量测序技术具有操作简单和结果可信度较高等特点,能更加精准地反映样品中微生物的群落结构[45]。其中MiSeq高通量测序平台由于数据产生成本太高,目前使用较少[46]。高通量测序技术和宏基因组学方法的快速发展使活性污泥微生物群落组成与功能基因信息分析变得更全面、更加具体且具有较高的分辨率[47],当前主要应用宏基因组学、宏蛋白组和宏转录组分析方法分析微生物群落。作为环境微生物学的重要研究手段,宏基因组学研究无需对环境微生物进行分离培养,而是直接分析环境中微生物的脱氧核糖核酸(DNA)来获知微生物群落的遗传、功能与生态特性[48]。宏基因组学提取出来的漆酶,处理粗酶提取物或游离酶生物转化的各种污染物方面显示出很高的潜力。在大规模生物修复和水处理应用中漆酶受污染介质的复杂组成、高盐浓度以及pH的限制,影响蛋白质的稳定性、回收和再循环[49]。宏蛋白组是指特定条件下,环境微生物所表达的所有蛋白[50]。应用宏蛋白组可对土壤和沉积物中的微生物进行蛋白鉴定,还可对微生物的功能进行表征,使宏蛋白组的数据分析多元化[51]。宏转录组是对某一特定时期、特定环境样品中全部微生物的核糖核酸(RNA)进行高通量测序,直接获得该环境中所有微生物转录组信息的一种测序技术[52]。

通过分子生物技术,特别是宏基因组学技术,能更加具体全面地分析和测序所有基因序列,从而分析微生物种类、丰富度以及基因功能。通过微生物群落结构的研究,分析不同类型石油化工废水活性污泥中优势菌与不同工艺中微生物群落,可为后续提高微生物去除特定污染物的效率提供技术支撑。

4 结论与展望

石油化工废水活性污泥中主要的优势菌为变形菌门,其次为拟杆菌门和绿弯菌门,石油化工废水类型不同,活性污泥中微生物的群落结构具有一定差异。针对石油化工废水中较难处理的多环芳烃和酚类等污染物,目前已鉴定并培养出多种具有高效处理效果的微生物,少数微生物可通过协同配合进一步提高对污染物的去除效率。通过分子生物技术可以更全面地鉴定并识别微生物中参与污染物降解的功能基因信息,实现对石油化工废水中特征物质的定向降解,拓宽石油化工废水生物降解的生物资源,为提高活性污泥工艺的处理效果提供科学依据。

未来针对石油化工废水活性污泥中微生物群落结构的研究应在以下几方面展开:(1)采用宏基因组学等分子生物学技术检测微生物基因,检索微生物体内有降解石油化工废水特征污染物的特征基因,通过富集驯化出能降解特定污染物的菌群,提高石化废水中特定污染物的去除效率;(2)由于生物系统结构会随着石油化工废水特性和操作参数不同而产生变化,未来应加强对微生物群落的研究,使微生物更好地适应石油化工废水的条件,促进微生物生长,为进一步研究菌株降解有毒以及难降解化合物提供依据;(3)结合大数据对处理石油化工废水的活性污泥进行模型预测,监控活性污泥状况,保证活性污泥高效运行;(4)进一步研究石油化工废水毒性与活性污泥以及环境条件的稳定关系,使石油化工废水处理过程中尽量处于动态平衡,防止处理废水时因微生物群落的变化或死亡,影响其处理效率;(5)将具有多种降解能力的超级微生物进行集中培养,加强污染物的最大降解能力,减少剩余污泥产量。