生物強化技術(shù)應(yīng)用于廢水處理的研究進展

朱曉玲，沈洋洋，徐佳佳，史志堅，施曼玲，金仁村

(杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院，浙江 杭州 310036)

生物強化技術(shù)應(yīng)用于廢水處理的研究進展

朱曉玲，沈洋洋，徐佳佳，史志堅，施曼玲，金仁村

(杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院，浙江 杭州 310036)

生物強化技術(shù)是一種能有效提高廢水生物處理降解效率的技術(shù)，尤其是和固定化技術(shù)和膜生物反應(yīng)器結(jié)合之后，在處理難降解有機污染物方面有著廣闊的應(yīng)用前景.文章分析了生物強化技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀，綜述了分子生物技術(shù)在生物強化中的應(yīng)用，總結(jié)了生物強化存在的問題，并對生物強化結(jié)合基因工程和納米技術(shù)的前景進行了展望.

生物強化技術(shù)；廢水生物處理；固定化技術(shù)；膜生物反應(yīng)器

近年隨著工農(nóng)業(yè)發(fā)展，其產(chǎn)生的廢水日益增多，成分也越發(fā)復(fù)雜，有害和難降解的有機污染物含量大大增加，傳統(tǒng)的處理工藝已無法滿足處理要求，生物強化技術(shù)(bioaugmentation)由此應(yīng)運而生.生物強化技術(shù)也稱生物增強技術(shù)，是指在廢水生物處理過程中，為了增強處理系統(tǒng)對特定污染物的降解能力、提高降解速率，而向處理系統(tǒng)中投加具有特定功能的微生物菌群、營養(yǎng)物或基質(zhì)類似物，從而有效處理含難降解有機物廢水的一種技術(shù)[1].添加有特殊降解功能的微生物來增強土著菌群處理廢水的能力，可有效解決難降解化合物去除率低或生物反應(yīng)器在極端環(huán)境(如低溫)下運行效果差等實際問題.本文綜述了近年來生物強化技術(shù)應(yīng)用于廢水處理的研究進展，以期為生物強化技術(shù)的相關(guān)研究提供參考.

1 生物強化的菌群獲得

生物強化最常用的方法是：1)加入預(yù)適應(yīng)的菌群或純細菌菌株；2)加入轉(zhuǎn)基因細菌；3)加入與生物降解相關(guān)的基因，將此基因整合到一個載體再偶聯(lián)轉(zhuǎn)移到土著微生物中，該技術(shù)具有不依賴于供體菌株存活和生長的優(yōu)點[2].根據(jù)Yu等[3]的報道，在生物強化技術(shù)中使用微生物應(yīng)滿足3個最低標準：1)能徹底降解污染物，甚至在其它抑制物存在時仍能降解；2)進入生物系統(tǒng)后必須持續(xù)保持競爭力；3)與土著菌群兼容.此外，添加的菌株的選擇要慎重，尤其在實際應(yīng)用時添加的微生物不能和人類病原體密切相關(guān)(相同屬和種，比如一些銅綠假單胞菌菌株)[4].

生物反應(yīng)器的群落構(gòu)建是一個復(fù)雜的過程，大批不同微生物共同處理廢水時，可通過不同類型信號傳導(dǎo)的相互作用(例如群體感應(yīng)和水平細胞轉(zhuǎn)移)來構(gòu)建[5].Lawrence 等[6]基于生物化學和微生物動力學知識構(gòu)建了方程，利用廢水處理中關(guān)鍵工藝的變量來預(yù)測兩種不同的生物系統(tǒng)是否需氧.但至今人們對群落構(gòu)建仍知之甚少，尚無法成功地設(shè)計一個復(fù)雜的菌群.

2 生物強化應(yīng)用現(xiàn)狀

生物強化技術(shù)應(yīng)用于實際時，通常在反應(yīng)器中直接投入對目標污染物具有特效降解能力的高效降解菌.若原體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針對性地降解廢水中的目標污染物；若原體系中含少量高效降解菌，可縮短馴化時間.在生物反應(yīng)器處理廢水過程中，必須持續(xù)培養(yǎng)功能微生物，并使其有足夠的活性來降解污染物，但這在污水處理廠的實際應(yīng)用中常常不如人意.固定化技術(shù)、膜生物反應(yīng)器等的興起，有效地解決了高效降解菌投入后活性不足、無法持續(xù)培養(yǎng)的難題.與此同時，固定化技術(shù)、膜生物反應(yīng)器等也因生物強化技術(shù)的應(yīng)用而使得廢水處理效率大大提高.

2.1 固定化技術(shù)

固定化技術(shù)是指通過物理或化學手段，將游離的微生物或酶限定在一個特定的空間區(qū)域內(nèi)，使其有效利用的一個重要手段.固定化細胞載體類型主要有兩種：一是人工合成高分子凝膠載體，包括聚丙烯酰胺(PAM)和聚乙烯醇(PVA)等[7]；二是天然高分子凝膠載體，如瓊脂、海藻酸鈣等.固定化技術(shù)處理含有難降解污染物廢水的效果明顯，可達的細胞密度高，可長期保持在反應(yīng)器中，能重復(fù)使用，且易固液分離，對高濃度的有毒物質(zhì)有較高的耐受性[8].但固定化技術(shù)對微生物的生理、生態(tài)特性會產(chǎn)生影響且成本高，尚需優(yōu)化.

外源加入細菌細胞的固定化技術(shù)是一種在微生物周圍產(chǎn)生保護屏障的方法，可以增強代謝活性.硝化細菌生長緩慢，若保留時間短，則會被洗出反應(yīng)器.固定化技術(shù)能收集到高濃度的細胞，容積效率大大提高.有研究表明，在高水力負荷下，當懸浮生長型反應(yīng)器都不再進行硝化作用時，PVA包埋固定化的反應(yīng)器依然保持高硝化率[9].

在聚丙烯酰胺凝膠中的細胞固定化Sulfurospirillumbarnesii被用于處理含硒酸鹽的模擬廢水，在升流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器中加入固定了S.barnesii細胞的凝膠塊，硒酸鹽去除效率與無生物強化的反應(yīng)器相比更高.分子生物技術(shù)分析結(jié)果表明，S.barnesii在污泥床和出水中都存在，說明生物強化菌在微生物競爭的情況下依然能存活并具有活性[10].

厭氧序批式生物膜反應(yīng)器接種包埋在藻酸鹽基質(zhì)中的固定化硫酸鹽還原菌(SRB)，微生物分布明顯改變，引入強化的SRB菌群致使系統(tǒng)中厭氧菌之間的競爭改變，從而反應(yīng)器各方面性能都有明顯提高，群落結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，廢水處理效率提高[11].

2.2 膜生物反應(yīng)器

膜生物反應(yīng)器(MBR)技術(shù)是一種新型高效的生物處理技術(shù)[12]，具有許多其它生物處理技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，如系統(tǒng)處理效率高、負荷高、占地面積小等，因而得到了越來越多的重視[13].

生物強化技術(shù)成功應(yīng)用于膜生物反應(yīng)器工藝[14].將鞘氨醇單胞菌QYY接種到MBR系統(tǒng)后，與未接種的對照反應(yīng)器相比，其污染物的去除能力有顯著提高.當面臨有毒污染物的沖擊負荷時，生物強化促進了MBR啟動并使其運行良好，其中引進的功能菌株與原有菌株兼容.MBR與生物強化技術(shù)的結(jié)合有望解決頻繁出現(xiàn)的生物強化有效但效果不持續(xù)的問題[11].

2.3 生物強化制劑

從環(huán)境中篩選到活性強且具有特殊降解功能的細菌可制作成液體或固態(tài)的生物強化制劑[15]，并有效地用于廢水生物處理，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于污水處理廠的實際操作過程中.生物強化制劑主要優(yōu)點有：1)能快速提升處理系統(tǒng)中菌群濃度，進而可大幅度縮短菌群馴化時間，提高處理效能；2)操作便捷，實時處理，既安全又節(jié)能.目前，一些生物強化制劑產(chǎn)品已商業(yè)化生產(chǎn)，且獲得了一定的成效[16].張守權(quán)等[17]在哈爾濱太平污水廠厭氧/好氧(A/O)池中投入構(gòu)建的生物強化菌劑，證實了生物強化技術(shù)在污水廠的低溫啟動中具有良好效果.

2.4 反復(fù)或持續(xù)直接投放高效降解菌

生物強化不是一勞永逸的，常需要定期添加功能菌.由此可知廢水處理過程需要有一個菌種培養(yǎng)專用反應(yīng)器，使已適應(yīng)新環(huán)境的微生物可連續(xù)或間歇性地投入到工作反應(yīng)器中.實際操作結(jié)果表明，這種連續(xù)或間歇性地添加接種菌的方式在含有抑制或有毒物質(zhì)的反應(yīng)器中可突破生長抑制[18].

3 分子生物技術(shù)在生物強化中的應(yīng)用

宏基因組學、生態(tài)基因組學和其他分子生物學方法，以及顯微鏡和流式細胞術(shù)的應(yīng)用，為檢測和分析微生物特性提供了更好的方法.其中分子生物技術(shù)在生物強化技術(shù)研究中的表現(xiàn)更是脫穎而出，如變性梯度凝膠電泳(DGGE)、熒光原位雜交(FISH)、高通量測序技術(shù)(HTS)[19]能將反應(yīng)器中微生物的種類、豐度以及群落關(guān)系可視化，實時熒光定量PCR(qPCR)[20]可作為指示參數(shù)直接監(jiān)測反應(yīng)器內(nèi)微生物的數(shù)量變化，PCR-溫度梯度凝膠電泳(TGGE)、核糖體基因間隔分析(RISA)[14]、反轉(zhuǎn)錄-PCR(RT-PCR)[21]及基因標記[22]等技術(shù)則可以監(jiān)測存活和添加的微生物活性.此外，新的生物信息學工具的開發(fā)和應(yīng)用克服了生物強化數(shù)據(jù)分析的瓶頸，進一步促進了分子生物技術(shù)在生物強化中的應(yīng)用.

3.1 活性監(jiān)測

Morris等[21]通過qPCR和RT-PCR技術(shù)監(jiān)測沼氣池內(nèi)的微生物群落，利用基因和mcrA的轉(zhuǎn)錄來研究和監(jiān)控產(chǎn)甲烷菌，還采用克隆文庫和qPCR等方法比較分析了4個不同產(chǎn)甲烷群落mcrA基因的多樣性、豐富性和轉(zhuǎn)錄.實驗結(jié)果說明，相關(guān)分子生物技術(shù)和方法也可適用于厭氧硝化反應(yīng)器中的其它產(chǎn)甲烷菌群的監(jiān)測.Yu等[23]在廢水處理過程中，通過在膜生物反應(yīng)器中添加quorum-quenching菌株進行生物強化，并利用qPCR監(jiān)測該菌株的活性，進一步分析生物強化的效果.Huang等[24]在低溫環(huán)境下通過動態(tài)膜生物反應(yīng)器，研究深海耐寒細菌在污水處理中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)生物強化技術(shù)可以增強細菌脫氫酶的活性，F(xiàn)ISH分析進一步證實了在5 ℃時兩種菌株的存在及其活性.

3.2 群落結(jié)構(gòu)分析

PCR-DGGE等現(xiàn)代分子生物學技術(shù)已廣泛應(yīng)用于污泥樣品的微生物群落分析，在研究群落動態(tài)和多樣性方面有很多優(yōu)勢，使得人們對廢水處理過程中微生物群落變化的認識更為豐富和深入.Domde等[25]用隨機擴增多態(tài)性DNA標記(Random amplified polymorphic DNA)技術(shù)來分析微生物群落結(jié)構(gòu)的多樣性及其變化，用PCR監(jiān)測菌株的代謝活性并用Southern雜交技術(shù)來分析位點的代謝表現(xiàn).Liu等[26]設(shè)計了一個需氧顆?；飶娀呗?，用序列間歇式反應(yīng)器(SBR)處理高強度吡啶廢水，通過高通量測序分析微生物群落結(jié)構(gòu).

將PCR-DGGE技術(shù)與Biolog研究技術(shù)相結(jié)合，針對微生物群落變化的多樣性來研究污水生化處理系統(tǒng)中微生物群落的變化特點可以彌補群落結(jié)構(gòu)分析中的很多不足，已經(jīng)成為當今的研究熱點.1989年，美國的BIOLOG公司根據(jù)微生物代謝的氧化還原過程成功開發(fā)了Biolog研究系統(tǒng)，起初用于鑒定純種微生物，沿用至今不僅能鑒定2 000多種微生物，而且能應(yīng)用于微生物群落多樣性的研究[27-28]，有著廣闊的前景.劉峰等[29]利用Biolog技術(shù)研究了制藥廢水處理系統(tǒng)中的微生物群落多樣性，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)中各微生物群落在穩(wěn)定期的平均代謝活性差異小，微生物群落的豐度和均一性相近，但優(yōu)勢菌種不同.

4 生物強化存在的問題

生物強化在應(yīng)用過程中有時也會出現(xiàn)各種問題，如：被挑選出來的菌株純培養(yǎng)時，在實驗室環(huán)境中的降解能力比在自然環(huán)境中要低[30]；生物強化通過競爭和抑制能改變原有微生物群落的結(jié)構(gòu)[2]，其影響尚屬未知；生物強化的改善效應(yīng)持續(xù)時間較短[21]等.

在實際操作中發(fā)現(xiàn)同一個屬的菌株不一定同樣適合某些任務(wù)，因此有些菌株可以在更廣泛的條件下競爭，而其它菌株只能適應(yīng)非常特殊的條件[31].Wenderoth等[32]用不同的假單胞菌屬菌株和相同種的不同菌株實施生物強化，都能降解氯苯和二氯苯.聯(lián)合使用這些菌株之后，生物強化效果有所改善.在生物系統(tǒng)中不同的菌株存活率有差異，兩株假單胞菌P.putidaGJ31 和P.putidaF1DCC 甚至可以在自然微生物群落存在的情況下存活并擴增，促進氯苯的降解，可當氯苯降解殆盡時，P.putidaGJ31菌株迅速減少，但P.putidaF1ACC菌株數(shù)量維持穩(wěn)定.

近年來的研究發(fā)現(xiàn)，生物強化失敗的原因包括生長抑制、對投放的其它微生物表現(xiàn)出的拮抗效應(yīng)、噬菌體的存在、菌膜形成的能力差、不利的操作條件如低溫等.在生物強化中不僅菌株選擇是關(guān)鍵因素，所添加微生物在復(fù)雜的體系中依然有活性也很關(guān)鍵，所以加入的生物量濃度應(yīng)足夠高，以使生物添加的代謝活性細菌成為優(yōu)勢菌.

5 總結(jié)與展望

生物強化技術(shù)能在廢水處理系統(tǒng)中有效去除有毒有害和難降解有機污染物，且方法簡便易操作，安全性好[33].分子生物技術(shù)的快速發(fā)展為生物強化技術(shù)的研究提供了高效實用的技術(shù)工具.利用分子生物技術(shù)可以有效監(jiān)測菌群活性，分析其形態(tài)和結(jié)構(gòu)等.膜反應(yīng)器和固定化技術(shù)與生物強化技術(shù)相結(jié)合，使生物反應(yīng)器的性能大為提升.但生物強化技術(shù)在實際應(yīng)用過程中仍存在許多問題，如廢水的組成成分復(fù)雜、體系中的生物可能相互競爭、投菌量和投菌方式不當和各種環(huán)境因素等都會影響廢水處理效果.近年來納米技術(shù)的興起可能會對生物強化技術(shù)進一步優(yōu)化帶來新策略.納米材料在廢水處理中應(yīng)用的優(yōu)勢源自納米顆粒的特性，包括能增加反應(yīng)性、增大表面積、增強亞表面運輸和增強封存特性[34].但工程納米材料也可能成為污染物，反而影響廢水生物處理的效率，這有待進一步研究.

[1] 郭靜波，崔鳳國，楊世東，等．生物強化技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J]．東北電力大學學報，2011，31(5/6)：1-8．

[2] FANTROUSSI S E, AGATHOS S N. Is bioaugmentation a feasible strategy for pollutant removal and site remediation?[J]. Current Opinion in Microbiology,2005,8(3):268-275.

[3] YU Z T, MOHN W W. Bioaugmentation with the resin acid-degrading bacterium Zoogloea resiniphila DhA-35 to counteract pH stress in an aerated lagoon treating pulp and paper mill effluent[J]. Water Research,2002,36(11):2793-2801.

[4] SINGER A C， VAN DER GAST C J, THOMPSON L P. Perspectives and vision for strain selection in bioaugmentation[J]. Trends in Biotechnology,2005,23(2):74-77.

[5] VERSTRAETE W. Microbial ecology and environmental biotechnology[J]. The ISME Journal,2007,1(1):4-8.

[6] LAWRENCE A W, MCCARTY P L. Unified basis for biological treatment design and operation[J]. Journal of the Sanitary Engineering Division,1970,96(3):757-778.

[7] 劉洋，陳雙基，劉建國．生物強化技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用[J]．環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2002，3(5)：36-40．

[8] 王建龍．生物固定化技術(shù)與水污染控制[M]．北京：科學出版社，2002．

[9] HERRERO M, STUCKEY D C. Bioaugmentation and its application in wastewater treatment: a review[J]. Chemosphere,2015,140(1):119-128.

[10] LENZ M, ENRIGHT A M, O′FLAHERTY V, et al. Bioaugmentation of UASB reactors with immobilizedSulfurospirillumbarnesiifor simultaneous selenate and nitrate removal[J]. Applied Microbiology and Biotechnology,2009,83(2):377-388.

[11] MOHAN S V, RAO N C, PRASAD K K, et al. Bioaugmentation of an anaerobic sequencing batch biofilm reactor (AnSBBR) with immobilized sulphate reducing bacteria (SRB) for the treatment of sulphate bearing chemical wastewater[J]. Process Biochemistry,2005,40(8):2849-2857.

[12] HOWELL J A. Future of membranes and membrane reactors in green technologies and for water reuse[J]. Desalination,2004,162(10):1-11.

[13] 魏源送，鄭祥，劉俊新．國外膜生物反應(yīng)器在污水處理中的研究進展[J]．工業(yè)水處理，2003，23(1)：1-5．

[14] QU Y Y, ZHOU J T, WANG J, et al. Population dynamics in bioaugmented membrane bioreactor for treatment of bromoamine acid wastewater[J]. Bioresource Technology,2009,100(1):244-248.

[15] 熊貴琍，陳瑾，葉文衍．生物強化技術(shù)及其在水污染治理中的應(yīng)用[J]．環(huán)境科學與管理，2013，38(4)：82-86．

[16] 姜閱，孫珮石，鄒平，等．生物法污染治理的生物強化技術(shù)研究進展[J]．環(huán)境科學導(dǎo)刊，2015，34(2)：1-10．

[17] 張守權(quán)，薛文博，金曉鷗．低溫工程菌在污水處理廠A/O池中的應(yīng)用[J]．黑龍江水利科技，2013，41(1)：257-260．

[18] SARAVANANE R, MURTHY D V S, KRISHNAIAH K. Bioaugmentation and treatment of cephalexin drug-based pharmaceutical effluent in an up-flow anaerobic fluidized bed system[J]. Bioresource Technology,2001,76(3):279-281.

[19] LASKEN R S. Genomic sequencing of uncultured microorganisms from single cells[J]. Nature Reviews in Microbiology, 2012,10(9):631-640.

[20] AYDIN S. Enhancement of microbial diversity and methane yield by bacterial bioaugmentation through the anaerobic digestion of Haematococcus pluvialis[J]. Applied Microbiology and Biotechnology,2016,100(12):5631-5637.

[21] MORRIS R L, SCHAUER-GIMENEZ A, BHATTAD U, et al. Methyl coenzyme M reductase(mcrA)gene abundance correlates with activity measurements of methanogenic H2/CO2enriched anaerobic biomass[J]. Microbial Biotechnology,2014,7(1):77-84.

[22] YU F B, ALI S W, GUAN L B, et al. Bioaugmentation of a sequencing batch reactor with Pseudomonas putida ONBA-17, and its impact on reactor bacterial communities[J]. Journal of Hazardous Materials,2010,176(1/2/3):20-26.

[23] YU H R, LIANG H, QU F S, et al. Biofouling control by biostimulation of quorum-quenching bacteria in a membrane bioreactor for wastewater treatment[J]. Biotechnology and Bioengineering,2016,113(12):2624-2632.

[24] HUANG Z S, QIE Y, WANG Z D, et al. Application of deep-sea psychrotolerant bacteria in wastewater treatment by aerobic dynamic membrane bioreactors at low temperature[J]. Journal of Membrane Science,2015,475:47-56.

[25] DOMDE P, KAPLEY A, PUROHIT H J. Impact of bioaugmentation with a consortium of bacteria on the remediation of wastewater-containing hydrocarbons[J]. Environmental Science and Pollution Research,2007,14(1):7-11.

[26] LIU X D, CHEN Y, ZHANG X, et al. Aerobic granulation strategy for bioaugmentation of a sequencing batch reactor (SBR) treating high strength pyridine wastewater[J]. Journal of Hazardous Materials,2015,295:153-160.

[27] 田雅楠，王紅旗．Biology法在環(huán)境微生物功能多樣性研究中的應(yīng)用[J]．環(huán)境科學與技術(shù)，2011，34(3)：50-57．

[28] 席勁瑛，胡洪營，錢易．Biolog方法在環(huán)境微生物群落研究中的應(yīng)用[J]．微生物學報，2003，43(1)：138-141．

[29] 劉峰，張?zhí)m英，劉鵬，等．采用Biolog法分析制藥廢水處理工藝中微生物多樣性[J]．中國給水排水，2007，23(21)：28-32．

[30] BOON N, GORIS J, DE VOS P, et al. Bioaugmentation of activated sludge by an indigenous 3-chloroaniline-degradingComamonastestosteronistrain, I2gfp[J]. Applied and Environmental Microbiology,2000,66(7):2906-2913.

[31] THOMPSON I P, VAN DER GAST C J, CIRIC L, et al. Bioaugmentation for bioremediation: the challenge of strain selection[J]. Environmental Microbiology,2005,7(7):909-915.

[32] WENDEROTH D F, ROSENBROCK P, ABRAHAM W R, et al. Bacterial community dynamics during biostimulation and bioaugmentation experiments aiming at chlorobenzene degradation in groundwater[J]. Microbial Ecology,2003,46(2):161-176.

[33] 宋秀娟．生物強化技術(shù)在土壤修復(fù)和廢水處理中的應(yīng)用[J]．高師理科學刊，2011，31(3)：76-79．

[34] BRAR S K, VERMA M, TYAGI R D, et al. Engineered nanoparticles in wastewater and wastewater sludge-evidence and impacts[J]. Waste Management,2010,30(3):504-520.

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

國家自然科學基金項目(51578204)；杭州市科技發(fā)展計劃項目(20160533B77).

施曼玲(1969-),女,教授,博士,主要從事環(huán)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