生物强化技术应用于废水处理的研究进展

朱晓玲，沈洋洋，徐佳佳，史志坚，施曼玲，金仁村

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036)

生物强化技术应用于废水处理的研究进展

朱晓玲，沈洋洋，徐佳佳，史志坚，施曼玲，金仁村

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036)

生物强化技术是一种能有效提高废水生物处理降解效率的技术，尤其是和固定化技术和膜生物反应器结合之后，在处理难降解有机污染物方面有着广阔的应用前景.文章分析了生物强化技术应用的现状，综述了分子生物技术在生物强化中的应用，总结了生物强化存在的问题，并对生物强化结合基因工程和纳米技术的前景进行了展望.

生物强化技术；废水生物处理；固定化技术；膜生物反应器

近年随着工农业发展，其产生的废水日益增多，成分也越发复杂，有害和难降解的有机污染物含量大大增加，传统的处理工艺已无法满足处理要求，生物强化技术(bioaugmentation)由此应运而生.生物强化技术也称生物增强技术，是指在废水生物处理过程中，为了增强处理系统对特定污染物的降解能力、提高降解速率，而向处理系统中投加具有特定功能的微生物菌群、营养物或基质类似物，从而有效处理含难降解有机物废水的一种技术[1].添加有特殊降解功能的微生物来增强土著菌群处理废水的能力，可有效解决难降解化合物去除率低或生物反应器在极端环境(如低温)下运行效果差等实际问题.本文综述了近年来生物强化技术应用于废水处理的研究进展，以期为生物强化技术的相关研究提供参考.

1 生物强化的菌群获得

生物强化最常用的方法是：1)加入预适应的菌群或纯细菌菌株；2)加入转基因细菌；3)加入与生物降解相关的基因，将此基因整合到一个载体再偶联转移到土著微生物中，该技术具有不依赖于供体菌株存活和生长的优点[2].根据Yu等[3]的报道，在生物强化技术中使用微生物应满足3个最低标准：1)能彻底降解污染物，甚至在其它抑制物存在时仍能降解；2)进入生物系统后必须持续保持竞争力；3)与土著菌群兼容.此外，添加的菌株的选择要慎重，尤其在实际应用时添加的微生物不能和人类病原体密切相关(相同属和种，比如一些铜绿假单胞菌菌株)[4].

生物反应器的群落构建是一个复杂的过程，大批不同微生物共同处理废水时，可通过不同类型信号传导的相互作用(例如群体感应和水平细胞转移)来构建[5].Lawrence 等[6]基于生物化学和微生物动力学知识构建了方程，利用废水处理中关键工艺的变量来预测两种不同的生物系统是否需氧.但至今人们对群落构建仍知之甚少，尚无法成功地设计一个复杂的菌群.

2 生物强化应用现状

生物强化技术应用于实际时，通常在反应器中直接投入对目标污染物具有特效降解能力的高效降解菌.若原体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针对性地降解废水中的目标污染物；若原体系中含少量高效降解菌，可缩短驯化时间.在生物反应器处理废水过程中，必须持续培养功能微生物，并使其有足够的活性来降解污染物，但这在污水处理厂的实际应用中常常不如人意.固定化技术、膜生物反应器等的兴起，有效地解决了高效降解菌投入后活性不足、无法持续培养的难题.与此同时，固定化技术、膜生物反应器等也因生物强化技术的应用而使得废水处理效率大大提高.

2.1 固定化技术

固定化技术是指通过物理或化学手段，将游离的微生物或酶限定在一个特定的空间区域内，使其有效利用的一个重要手段.固定化细胞载体类型主要有两种：一是人工合成高分子凝胶载体，包括聚丙烯酰胺(PAM)和聚乙烯醇(PVA)等[7]；二是天然高分子凝胶载体，如琼脂、海藻酸钙等.固定化技术处理含有难降解污染物废水的效果明显，可达的细胞密度高，可长期保持在反应器中，能重复使用，且易固液分离，对高浓度的有毒物质有较高的耐受性[8].但固定化技术对微生物的生理、生态特性会产生影响且成本高，尚需优化.

外源加入细菌细胞的固定化技术是一种在微生物周围产生保护屏障的方法，可以增强代谢活性.硝化细菌生长缓慢，若保留时间短，则会被洗出反应器.固定化技术能收集到高浓度的细胞，容积效率大大提高.有研究表明，在高水力负荷下，当悬浮生长型反应器都不再进行硝化作用时，PVA包埋固定化的反应器依然保持高硝化率[9].

在聚丙烯酰胺凝胶中的细胞固定化Sulfurospirillumbarnesii被用于处理含硒酸盐的模拟废水，在升流式厌氧污泥床(UASB)反应器中加入固定了S.barnesii细胞的凝胶块，硒酸盐去除效率与无生物强化的反应器相比更高.分子生物技术分析结果表明，S.barnesii在污泥床和出水中都存在，说明生物强化菌在微生物竞争的情况下依然能存活并具有活性[10].

厌氧序批式生物膜反应器接种包埋在藻酸盐基质中的固定化硫酸盐还原菌(SRB)，微生物分布明显改变，引入强化的SRB菌群致使系统中厌氧菌之间的竞争改变，从而反应器各方面性能都有明显提高，群落结构更加优化，废水处理效率提高[11].

2.2 膜生物反应器

膜生物反应器(MBR)技术是一种新型高效的生物处理技术[12]，具有许多其它生物处理技术无法比拟的优势，如系统处理效率高、负荷高、占地面积小等，因而得到了越来越多的重视[13].

生物强化技术成功应用于膜生物反应器工艺[14].将鞘氨醇单胞菌QYY接种到MBR系统后，与未接种的对照反应器相比，其污染物的去除能力有显著提高.当面临有毒污染物的冲击负荷时，生物强化促进了MBR启动并使其运行良好，其中引进的功能菌株与原有菌株兼容.MBR与生物强化技术的结合有望解决频繁出现的生物强化有效但效果不持续的问题[11].

2.3 生物强化制剂

从环境中筛选到活性强且具有特殊降解功能的细菌可制作成液体或固态的生物强化制剂[15]，并有效地用于废水生物处理，现已广泛应用于污水处理厂的实际操作过程中.生物强化制剂主要优点有：1)能快速提升处理系统中菌群浓度，进而可大幅度缩短菌群驯化时间，提高处理效能；2)操作便捷，实时处理，既安全又节能.目前，一些生物强化制剂产品已商业化生产，且获得了一定的成效[16].张守权等[17]在哈尔滨太平污水厂厌氧/好氧(A/O)池中投入构建的生物强化菌剂，证实了生物强化技术在污水厂的低温启动中具有良好效果.

2.4 反复或持续直接投放高效降解菌

生物强化不是一劳永逸的，常需要定期添加功能菌.由此可知废水处理过程需要有一个菌种培养专用反应器，使已适应新环境的微生物可连续或间歇性地投入到工作反应器中.实际操作结果表明，这种连续或间歇性地添加接种菌的方式在含有抑制或有毒物质的反应器中可突破生长抑制[18].

3 分子生物技术在生物强化中的应用

宏基因组学、生态基因组学和其他分子生物学方法，以及显微镜和流式细胞术的应用，为检测和分析微生物特性提供了更好的方法.其中分子生物技术在生物强化技术研究中的表现更是脱颖而出，如变性梯度凝胶电泳(DGGE)、荧光原位杂交(FISH)、高通量测序技术(HTS)[19]能将反应器中微生物的种类、丰度以及群落关系可视化，实时荧光定量PCR(qPCR)[20]可作为指示参数直接监测反应器内微生物的数量变化，PCR-温度梯度凝胶电泳(TGGE)、核糖体基因间隔分析(RISA)[14]、反转录-PCR(RT-PCR)[21]及基因标记[22]等技术则可以监测存活和添加的微生物活性.此外，新的生物信息学工具的开发和应用克服了生物强化数据分析的瓶颈，进一步促进了分子生物技术在生物强化中的应用.

3.1 活性监测

Morris等[21]通过qPCR和RT-PCR技术监测沼气池内的微生物群落，利用基因和mcrA的转录来研究和监控产甲烷菌，还采用克隆文库和qPCR等方法比较分析了4个不同产甲烷群落mcrA基因的多样性、丰富性和转录.实验结果说明，相关分子生物技术和方法也可适用于厌氧硝化反应器中的其它产甲烷菌群的监测.Yu等[23]在废水处理过程中，通过在膜生物反应器中添加quorum-quenching菌株进行生物强化，并利用qPCR监测该菌株的活性，进一步分析生物强化的效果.Huang等[24]在低温环境下通过动态膜生物反应器，研究深海耐寒细菌在污水处理中的应用，发现生物强化技术可以增强细菌脱氢酶的活性，FISH分析进一步证实了在5 ℃时两种菌株的存在及其活性.

3.2 群落结构分析

PCR-DGGE等现代分子生物学技术已广泛应用于污泥样品的微生物群落分析，在研究群落动态和多样性方面有很多优势，使得人们对废水处理过程中微生物群落变化的认识更为丰富和深入.Domde等[25]用随机扩增多态性DNA标记(Random amplified polymorphic DNA)技术来分析微生物群落结构的多样性及其变化，用PCR监测菌株的代谢活性并用Southern杂交技术来分析位点的代谢表现.Liu等[26]设计了一个需氧颗粒化生物强化策略，用序列间歇式反应器(SBR)处理高强度吡啶废水，通过高通量测序分析微生物群落结构.

将PCR-DGGE技术与Biolog研究技术相结合，针对微生物群落变化的多样性来研究污水生化处理系统中微生物群落的变化特点可以弥补群落结构分析中的很多不足，已经成为当今的研究热点.1989年，美国的BIOLOG公司根据微生物代谢的氧化还原过程成功开发了Biolog研究系统，起初用于鉴定纯种微生物，沿用至今不仅能鉴定2 000多种微生物，而且能应用于微生物群落多样性的研究[27-28]，有着广阔的前景.刘峰等[29]利用Biolog技术研究了制药废水处理系统中的微生物群落多样性，发现该系统中各微生物群落在稳定期的平均代谢活性差异小，微生物群落的丰度和均一性相近，但优势菌种不同.

4 生物强化存在的问题

生物强化在应用过程中有时也会出现各种问题，如：被挑选出来的菌株纯培养时，在实验室环境中的降解能力比在自然环境中要低[30]；生物强化通过竞争和抑制能改变原有微生物群落的结构[2]，其影响尚属未知；生物强化的改善效应持续时间较短[21]等.

在实际操作中发现同一个属的菌株不一定同样适合某些任务，因此有些菌株可以在更广泛的条件下竞争，而其它菌株只能适应非常特殊的条件[31].Wenderoth等[32]用不同的假单胞菌属菌株和相同种的不同菌株实施生物强化，都能降解氯苯和二氯苯.联合使用这些菌株之后，生物强化效果有所改善.在生物系统中不同的菌株存活率有差异，两株假单胞菌P.putidaGJ31 和P.putidaF1DCC 甚至可以在自然微生物群落存在的情况下存活并扩增，促进氯苯的降解，可当氯苯降解殆尽时，P.putidaGJ31菌株迅速减少，但P.putidaF1ACC菌株数量维持稳定.

近年来的研究发现，生物强化失败的原因包括生长抑制、对投放的其它微生物表现出的拮抗效应、噬菌体的存在、菌膜形成的能力差、不利的操作条件如低温等.在生物强化中不仅菌株选择是关键因素，所添加微生物在复杂的体系中依然有活性也很关键，所以加入的生物量浓度应足够高，以使生物添加的代谢活性细菌成为优势菌.

5 总结与展望

生物强化技术能在废水处理系统中有效去除有毒有害和难降解有机污染物，且方法简便易操作，安全性好[33].分子生物技术的快速发展为生物强化技术的研究提供了高效实用的技术工具.利用分子生物技术可以有效监测菌群活性，分析其形态和结构等.膜反应器和固定化技术与生物强化技术相结合，使生物反应器的性能大为提升.但生物强化技术在实际应用过程中仍存在许多问题，如废水的组成成分复杂、体系中的生物可能相互竞争、投菌量和投菌方式不当和各种环境因素等都会影响废水处理效果.近年来纳米技术的兴起可能会对生物强化技术进一步优化带来新策略.纳米材料在废水处理中应用的优势源自纳米颗粒的特性，包括能增加反应性、增大表面积、增强亚表面运输和增强封存特性[34].但工程纳米材料也可能成为污染物，反而影响废水生物处理的效率，这有待进一步研究.

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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

国家自然科学基金项目(51578204)；杭州市科技发展计划项目(20160533B77).

施曼玲(1969-),女,教授,博士,主要从事环境微生物研究.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