關(guān)于苯酚降解菌處理焦化廢水研究進(jìn)展的綜述

余靖冉 張麗平

（河套學(xué)院 內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015000）

引言

含酚廢水已成為主要的水體污染源，國內(nèi)外很多研究者致力于苯酚的生物降解法，本文將對目前已分離到的苯酚降解菌的研究現(xiàn)狀、降解機(jī)理和應(yīng)用進(jìn)行分析和歸納總結(jié)，希望有助于含酚廢水的高效無害化降解或者為基因工程菌的構(gòu)建打下一定基礎(chǔ)。

1 焦化廢水的來源及焦化廢水中苯酚降解方法

1.1 焦化廢水的來源

化工類企業(yè)在工業(yè)加工過程中用水后產(chǎn)生的高毒性、高污染廢水即焦化廢水，主要來源于備煤、濕熄焦、汽油進(jìn)行生產(chǎn)企業(yè)加工、液化氣運(yùn)輸制冷、苯和萘去除等過程，生產(chǎn)常見典型廢液、污水有：脫硫廢液；除塵污水和酚氰污水等[1]。

1.2 去除焦化廢水中苯酚的方法

1.2.1 氣提法

氣提法的理論依據(jù)是當(dāng)苯酚與蒸汽形成共沸混合物時，苯酚在水中的平衡濃度小于它在蒸汽中的平衡濃度，在溫度為138.9～202.8℃之間，壓力約為0.138～1.31MPa 的環(huán)境條件下，會出現(xiàn)氣化現(xiàn)象，水中的苯酚轉(zhuǎn)在水蒸氣中，再用堿液回收水蒸氣中的苯酚。

1.2.2 吸附法

吸附法即依據(jù)吸附原理，借助多孔吸附劑將痕量污染物有效去除的方法。不同的企業(yè)制備所得吸附劑的主要理化參數(shù)不同，如主要參數(shù)比表面積、孔徑、表面官能團(tuán)，產(chǎn)品吸附性能亦不同。此法儀器設(shè)備簡單，操作便捷且效率高，但再生技術(shù)困難。

1.2.3 萃取法

傳統(tǒng)使用的萃取法，依據(jù)萃取劑、水不混溶且苯酚在水中的溶解度小于苯酚在萃取劑中的溶解度，以相似相容原理添加萃取劑提取污染物中苯酚。此法突出優(yōu)勢是成本低，同樣操作便捷，但效率不高。

1.2.4 生物降解法

為了可以提高企業(yè)廢水生物信息處理的處理工作能力，而向焦化廢水中投放從原生態(tài)中分離到能夠有效降解苯酚的或結(jié)合相關(guān)基因重組管理技術(shù)培養(yǎng)的優(yōu)良菌苗，以去除苯酚的方法[2]。此法同樣運(yùn)行成本低，但因高效、無二次污染而逐漸被廣泛研究使用。

2 苯酚降解菌的種類

國內(nèi)、外共篩選獲得57 個屬、212 種苯酚降解菌，以細(xì)菌和真菌為主，降解真菌僅占25%；而細(xì)菌占到了總數(shù)的75%。目前已經(jīng)篩選、分離、鑒定出多種苯酚降解菌，主要包括紅球菌（Rhodococcus）、藻類（alga）、酵母菌（Yeasttrichosporon）、芽 孢桿菌（Bacillus）、假單胞菌（pseudomonas.Sp）、真養(yǎng)產(chǎn)堿菌（lcaligeneseutrophus)、反硝化菌（Denitrifyingbacteria）等苯酚降解菌。從大量文獻(xiàn)報(bào)道可以看出，常見的主要降酚菌是假單胞菌（Pseudomonas）、不動桿菌（Acinetobacter），它們對酚的降解濃度通常在1200mg·L-1以下[3]。

3 苯酚降解菌的選育

3.1 苯酚降解菌的分離

以苯酚作為唯一碳源分離可降解苯酚的細(xì)菌，然后用梯度稀釋法、分離劃線法篩選降酚菌，將有降酚能力的菌株作為初篩結(jié)果，再經(jīng)發(fā)酵降解后用分光光度法（4-氨基安替比林分光光度法、納氏分光光度法）檢測濃度從中挑選出高效菌株，此過程中常用的培養(yǎng)基總結(jié)如表1 所示[4]。

表1 選育降酚菌常用培養(yǎng)基

張玉秀等[5]從焦化廠二沉池的焦化廢水中分離到一株紅球菌命名為P1，當(dāng)廢水苯酚含量為279.9mg·L-1時，該菌2 天內(nèi)可完全降解其中的苯酚，說明該菌株的耐鹽性很好。陳春等人[6]對焦化廢水廠活性污泥中的細(xì)菌采用不同的分離、富集、無機(jī)鹽培養(yǎng)基對其進(jìn)行增殖培養(yǎng)，最終獲得分屬于球桿菌屬、鮑曼不動桿菌、睪丸酮叢毛單胞菌和食萘新鞘氨醇菌的4 株降酚菌。

3.2 苯酚降解菌的鑒定

蘇瓊、江子駿[7]篩選出一株高效苯酚降解菌，將其取名為B403，屬革蘭氏陽性菌，菌體呈短棒狀或球狀。根據(jù)同源性初步確定該菌株為嗜聯(lián)苯紅球菌，并用Mega X 鄰接法構(gòu)建了該菌的發(fā)育樹。

鄧冬梅等[8]分離到一株降酚菌B2，pH 值在6.5～8.0 之間，該菌株對苯酚的最大耐受力為2500mg·L-1。初步鑒定B2 菌株為Staphylococcus sc￡iwi.屬于Staphylococcus 屬，是最常見的化膿性菌球。

莫樨唯[9]從化工企業(yè)污水底泥中獲得具有苯酚降解功能的細(xì)菌C1 和C2，兩菌株對苯酚的耐受能力均可達(dá)到500mg·L-1。兩菌株革蘭氏染色染色結(jié)果均為紅色屬革蘭氏陰性菌，顯微鏡觀察呈短桿狀，聯(lián)合16S rRNA 測序結(jié)果分析菌C1 和C2 分別屬假單胞菌屬和不動桿菌屬，同屬變形菌門。

3.3 影響苯酚降解菌降解效果的因素

3.3.1 溫度

目前篩選到的降酚菌，最適溫度均在25～35℃之間，由于這個溫度條件可使菌株細(xì)胞內(nèi)的酶促反應(yīng)以較高的反應(yīng)速度進(jìn)行，因而苯酚降解率也會加快。極低溫度會使酶的活性減弱，極高溫度又會引起酶變性而降低生物活力[10]。

3.3.2 pH

查閱大量文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)很多降酚菌的最適pH 在6.0～8.0 之間，也有一些降酚菌的最適pH 在6.0～9.0 或者7.0～10.0 之間。當(dāng)pH<8.0 時，苯酚降解率隨pH 的升高而增大；當(dāng)pH>8.0 時，由于過高的pH 值會抑制菌自身的生長而影響到菌內(nèi)降酚酶活性，此時升高pH 降解率反而降低[10]。

3.3.3 初始苯酚濃度

一般情況下，初始苯酚濃度過高，降酚菌的生長速度會降低，進(jìn)而降低苯酚降解率。研究文獻(xiàn)報(bào)道發(fā)現(xiàn)很多適合降酚菌的初始苯酚濃度在200～500mg·L-1這個范圍之內(nèi)，少數(shù)特異性降解菌在200～2000mg·L-1之間。

3.3.4 外加碳源、氮源

在降酚菌降解苯酚期間，投放一定量額外碳源和氮源可促進(jìn)苯酚降解率，人為添加碳源和氮源后有利于細(xì)菌生長繁殖，可提高苯酚降解率，但加入量必須合適，如果投放量過大，則降酚菌可能會過度使用容易被降解的碳源、氮源，必然影響對難降解苯酚的降解，使得降解率下降[3]。

3.3.5 溶解氧

降酚菌在分解大分子物質(zhì)時氧化過程至關(guān)重要，因而水體含氧量必然直接影響降酚效果。研究顯示當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置處于厭氧或靜態(tài)狀態(tài)時，即處于低氧或氧供給不足，污水中的苯酚降解遲緩甚至停止；相反若氧氣充足，氧化過程進(jìn)行完全，降酚效果顯著提高。

3.3.6 金屬離子

研究顯示諸如鉻離子、汞離子、鎘離子和銀離子等水體中常存在的金屬離子，尤其是重金屬離子會影響酚類物質(zhì)的生物降解。例如，金顯春等[11]分離到的降酚菌AF1，當(dāng)Cu2+、Mn2+和Zn2+的濃度在0.1mmol·L-1以下時，會加速苯酚降解，而存在Hg2+、Pb2+時，則抑制苯酚分解。

3.3.7 鹽度

過高的鹽度會抑制降酚菌的生長繁殖，苯酚降解率也會大幅降低，因此，鹽度是影響苯酚降解過程的主要因素之一[12]。例如，菌株P(guān)seudomonas sp.BPH-3[13]的耐鹽性研究表明，當(dāng)培養(yǎng)基中在鹽度小于3%的環(huán)境下，初始苯酚濃度為600mg·L-1，在12h之內(nèi)被全部降解。研究發(fā)現(xiàn)過高的鹽度會使溶液中出現(xiàn)鹽析現(xiàn)象，微生物蛋白質(zhì)、生物酶的結(jié)構(gòu)會受到一定的破壞，其活性會降低甚至失活，苯酚降解性能會隨之下降。

4 苯酚降解菌處理焦化廢水的應(yīng)用

4.1 苯酚降解菌的降解機(jī)理

酚類物質(zhì)的生物處理過程與微生物的新陳代謝過程密不可分，本質(zhì)上來說借助酶類物質(zhì)利用菌的新陳代謝進(jìn)行化學(xué)分解，同時利用微生物降解大分子物質(zhì)時產(chǎn)生的機(jī)械和化學(xué)作用破壞大分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

降酚菌降解酚類物質(zhì)是一個非常復(fù)雜的生物反應(yīng)過程，過程中需要數(shù)種酶催化和氧氣的參加，實(shí)際上它是利用好氧和厭氧降解兩個過程實(shí)現(xiàn)對酚的生物降解。好氧降解實(shí)際是一個羥化降解的過程，在酶的作用下，苯酚轉(zhuǎn)變?yōu)閮翰璺?，多種功能酶再將兒茶酚進(jìn)行開環(huán)，裂化出乙酞輔酶A、琥珀酸、丙酮酸等中間產(chǎn)物，它們再進(jìn)入三羧酸循環(huán)，碳、氫、氧元素最終經(jīng)氧化分解代謝成CO2、H2O，也可能生成細(xì)胞物質(zhì)，此過程必須酶和氧氣協(xié)調(diào)完成。對于厭氧階段需要在缺氧環(huán)境用由厭氧菌來完成，即離不開專性厭氧菌和兼性厭氧菌協(xié)同作用，苯酚可羧化出4-羧基苯甲酸，生成中間產(chǎn)物苯甲酰輔酶A，最后轉(zhuǎn)為醋酸等小分子有機(jī)物實(shí)現(xiàn)酚類化合物分解[9]。

4.2 苯酚降解菌處理焦化廢水的應(yīng)用

聶玉冰[14]從石化污水廠曝氣池活性污泥中分離出脫酚菌TF1和TF2，并用多種方法對兩株脫酚菌進(jìn)行了分類分析，菌株TF1與菌株Alcaligenes sp.（AY346138）相似性高達(dá)99%，TF2 菌株與Acinetobacter xiamenensis（EF030545）的相似性是97%，故鑒定菌株TF1 歸屬于Alcaligenes sp.，菌株TF2 歸屬于Acinetobacter sp.。菌TF1 和TF2 對苯酚的生物降解表現(xiàn)出良好的降解性能，對濃度為110mg·L-1的苯酚全部降解兩菌株用時均不超過20h。研究不同溫度下菌TF1 和TF2 對COD 去除效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示溫度分別在25～35℃和20～30℃之間降解效果好。當(dāng)脫酚菌TF1 和TF2 比例為2.33:1 時，其苯酚降解率及COD 去除率分別為95%和82.2%。以該最佳比例復(fù)配下的強(qiáng)化菌劑，完成對120mg·L-1的苯酚全部降解只需8h。

王春榮等[10]針對焦化廢水的生物降解從焦化廠曝氣池活性污泥中獲得一株降解苯酚效果優(yōu)異的菌株，后分析其屬沙雷氏菌屬。對降解過程的主要環(huán)境因素——pH 和初始苯酚濃度進(jìn)行了研究，結(jié)果pH 調(diào)為8.0 時，降解率在60%以上；調(diào)高苯酚濃度，該菌株將400mg·L-1的苯酚完全降解需要52h。

同樣陳春[4]對煉焦廢水進(jìn)行研究，將分離到的苯酚降解菌命名為D2，觀察革蘭氏染色結(jié)果其為陰性菌，經(jīng)降解實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)該菌具有較好的降酚效果，僅36h 便可將95%的苯酚降解。

黃惠等[12]也以活性污泥為菌種來源，篩選出的降酚菌命名為BPH-3，聯(lián)合顯微形狀觀察，結(jié)合生理生化反應(yīng)與16S rRNA 基因鑒定結(jié)果，經(jīng)全面分析該菌屬假單胞菌。對菌BPH-3 進(jìn)行降解性能實(shí)驗(yàn)研究，生物處理600mg·L-1的苯酚僅需12h，降酚效果顯著，但增大初始苯酚濃度，降解率下降。

陳禹竹等[2]從中國輻射污染區(qū)篩選得一株耐高溫苯酚降解菌YZZ-9，結(jié)合16S rRNA 基因分析將該菌歸屬于Kocuria palustris（沼澤考克氏菌）。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)菌YZZ-9 的苯酚耐受性良好，耐鹽性良好，降酚效果良好，僅用48h 便可對初始500mg·L-1的苯酚進(jìn)行全降解。

任磊等[15]從廣東省湛江市霞山區(qū)附近海域?yàn)┩?，篩選獲得一株對硝基苯酚高效降解菌RL-JY1，據(jù)生理生化反應(yīng)及基因測序結(jié)果辨析該菌可歸屬為惡臭假單胞菌。1,4-二硝基苯酚含量為100mg·L-1時完成其全部降解需要72h。菌株RL-JY1 對于環(huán)境（溫度、pH 及鹽離子濃度）適應(yīng)能力較強(qiáng)，應(yīng)用潛能較好。

結(jié)語

研究人員一般所研究酚濃度較低（大多在500mg·L-1以下），但現(xiàn)實(shí)中很多生產(chǎn)廢水中的酚類濃度遠(yuǎn)高于此，甚至高達(dá)數(shù)千、數(shù)萬摩爾每升，因此有必要對這種濃度極高的工業(yè)排放廢水進(jìn)行生物學(xué)上的探求。譬如，在選育、開發(fā)研究高效降酚菌時，可從分子生物學(xué)角度聯(lián)合因子誘變、基因融合等現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)，探尋一條綠色、高效的新途徑。