固定化微生物技術(shù)在難降解有機(jī)污染物治理中的研究進(jìn)展

文_

1 固定化技術(shù)在難分解廢渣處置中的運(yùn)用

固定化方法主要是指利用物理、化學(xué)等方法將游離細(xì)菌固化于一定介質(zhì)中，這也是生物工程領(lǐng)域中的一種新興技術(shù)。固定化載體主要對(duì)細(xì)菌表面起了一個(gè)防護(hù)作用，固定化介質(zhì)對(duì)化學(xué)物質(zhì)的傳播也可以造成一定抑制效果，從而導(dǎo)致了細(xì)菌表面的實(shí)際物質(zhì)含量減少，生物危害性降低。細(xì)菌經(jīng)固定化后，其載體結(jié)構(gòu)與細(xì)菌的內(nèi)部形成了一種物理或化學(xué)連接關(guān)系，提高了細(xì)菌細(xì)胞壁的安全性。固定化細(xì)菌所處的微環(huán)境也和一般游離脂肪酸細(xì)菌有所不同，這些微環(huán)境的改變將會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌的形態(tài)構(gòu)造、生物特征和新陳代謝活動(dòng)的變化。微生物固定化技術(shù)在難降解有機(jī)廢水處理上的應(yīng)用研究也非常深入。目前用來(lái)處理難降解有機(jī)廢水的固定化方法主要有包埋法、海藻酸鈣包埋法和各種媒介的生物吸收法。

1.1 酚類化合物的降解

酚類化合物是指帶有較高放射性的化學(xué)物質(zhì),可以導(dǎo)致蛋白質(zhì)改變、細(xì)菌中毒或者致死，當(dāng)苯酚物質(zhì)在人身體富集至足夠量后，其毒性才開(kāi)始表現(xiàn)起來(lái)，并經(jīng)由消化吸收體系、呼吸和肌肉流入人身體，最后引起全身致死。含酚廢水來(lái)源較廣、排放過(guò)程復(fù)雜且規(guī)模很大，所以需要對(duì)含酚廢物加以高效處置。將酚類除去的主要方式分為物理性質(zhì)法、生化法、物理化學(xué)方法以及生物降解法等，當(dāng)中生物降解法因其經(jīng)濟(jì)效益、快捷、有效、無(wú)二次污染等特性，是分解酚類廢水的優(yōu)選方法。

處理含酚、氯酚及酚類化合物的廢水處理方法大致分兩類：一類是采用物理或物化的方法解決,如萃取法、化學(xué)吸收法、超聲與過(guò)氧化氫結(jié)合法濕式催化氧化法等；另一種是生物處理方法,最常用的是傳統(tǒng)的活性污泥法。微生物處理技術(shù)就是從大自然中,篩選并分離出可以降解某些物質(zhì)的有效微生物菌株,通過(guò)研究并探索其降解特性,利用生物周定的方法,有針對(duì)性的投用于現(xiàn)有的污水處理體系中,在有毒有害廢水處理領(lǐng)域?qū)⒈憩F(xiàn)出很大的發(fā)展?jié)摿?為污水處理工程提供了廣泛的應(yīng)用前景。固定化微生物降解技術(shù)利用其特有的優(yōu)點(diǎn)和特性,在含酚廢水工藝中起到了基礎(chǔ)性作用,進(jìn)而開(kāi)展了其它催化降解技術(shù)的廣闊前景。

1.2 芳香族類化合物的降解

針對(duì)環(huán)境中的某些特定的芳香族類化合物而言,傳統(tǒng)的生物處置技術(shù)往往無(wú)法適應(yīng)特定環(huán)境污染源的發(fā)展需要,而使用了固定化微生物技術(shù)。固定化微生物技術(shù)在處理過(guò)程中，先要對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的篩選；然后將細(xì)菌穩(wěn)定在載體上，使細(xì)菌的密度維持在活躍的狀況下,使細(xì)菌大量生長(zhǎng)，結(jié)束之后更有利于固液分開(kāi)，減少了處理的時(shí)間。

該技術(shù)可以處理一般微生物學(xué)所無(wú)法解決的工業(yè)廢氣和生活污水難題。通過(guò)微生物固定化技術(shù)，將活炭核、海藻酸鈣、N-假絲通過(guò)發(fā)酵工程進(jìn)行攪拌，生成了混合產(chǎn)甲烷菌,然后再將其投放到不同的需氧條件下,進(jìn)行污水中芳香族類化合物凈化處理。芳香族類化合物通過(guò)固定微生物后,水在溫和pH值下的應(yīng)用條件比較寬廣,而且對(duì)有機(jī)物的分解性能也好于一般微生物學(xué)。

1.3 多環(huán)芳烴的微生物降解

現(xiàn)代科學(xué)研究已經(jīng)證實(shí),細(xì)菌分解多環(huán)芳烴通常有兩個(gè)途徑：一個(gè)就是多環(huán)芳烴為唯一物質(zhì)和能量；另一個(gè)則是使多環(huán)芳烴和某些重要的生物質(zhì)發(fā)生共新陳代謝。

固定化微生物對(duì)多環(huán)芳烴的細(xì)胞分解通常都要求大量氧的加入,從而生成氧化酶,使苯環(huán)迅速分解。所以,對(duì)多環(huán)芳烴苯環(huán)的生物分解首先依賴細(xì)胞生成雙加氧酶的作用,但由于酶對(duì)多環(huán)芳烴迅速分解的專一性,環(huán)內(nèi)多環(huán)輪烯的復(fù)雜性,對(duì)多環(huán)芳烴的生物分解也要求許多細(xì)胞參加。所以細(xì)胞加氧酶分成二類,即單加氧酶和雙加氧酶。連續(xù)不斷的真菌通常生成單加氧酶,而對(duì)多環(huán)烴迅速分解的首先通常是羥基化多環(huán)芳烴,即將幾個(gè)氧分子加入至底物內(nèi)生成輪烯衍生物,進(jìn)而氧化鋨成反式雙氫乙醇和多酚；細(xì)胞中首先出現(xiàn)雙加氧酶,而進(jìn)行多環(huán)芳烴分解過(guò)程的首先是苯環(huán)的斷裂,將二個(gè)氧分子加入其中到底物中生成雙氧乙醇,再進(jìn)一步作用為順式雙氫乙醇,雙氫乙醇隨后又持續(xù)作用成兒茶酸、原兒茶酸和龍膽酸等的中間和代謝物,然后苯環(huán)斷裂,生成琥珀酸、延胡索酸、乙酸、丙酮酸和乙酮?？焖俜纸庵械奈镔|(zhì)被細(xì)胞用于合成自身的微生物含量,并生成了CO2和H2O。

1.4 氰化物降解

微生物擁有分解周?chē)h(huán)境中物質(zhì)的生理代謝功能,但是由于環(huán)境中或水體的氰化物含量對(duì)生物降解的作用較大。因此,高濃度的乙腈可破壞腈快速分解酶和腈水解酶,使高產(chǎn)酸克雷伯氏菌中毒,進(jìn)而有效控制了細(xì)菌等有機(jī)體對(duì)上述物質(zhì)的生物降解。營(yíng)養(yǎng)素的使用也會(huì)降低金屬氰化物的生物降解能力。碳也是細(xì)菌分解金屬氰化液晶聚合物的限制因子,可抑制環(huán)境中含氰物質(zhì)的生物降解。由于氰化物在分解的多個(gè)過(guò)程中均消耗了氧氣,所以氧對(duì)金屬氰化物的代謝作用很重要。

溫度也是判斷細(xì)菌降解速度的關(guān)鍵參數(shù)。氰化物的降解酶,通常由在土壤中分解得到的中低溫細(xì)菌所形成,進(jìn)行降解的適宜溫度在20～40℃。另外,pH值也是阻礙微生物分解環(huán)境中氰化物的主要原因,一般微生物和菌類產(chǎn)生的最理想pH值分別是6～8和4～5,但產(chǎn)生氰化物快速分解酶的最理想pH值卻通常在6～9,極限pH值會(huì)嚴(yán)重干擾其化學(xué)降解的效果,而山茄病鐮刀菌與真菌(包含錘形真菌、木霉菌屬、柱霉屬和青霉菌)的混合培養(yǎng)物可以在pH值為4的情況下分解氰化鐵。

2 固定化微生物用于治理難降解有機(jī)污染物的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1 成本低

微生物來(lái)自于自然界中，進(jìn)行誘變篩選出所需菌種后進(jìn)行培養(yǎng)，由于其自身繁殖能力很強(qiáng)，培養(yǎng)成本就低，大量的微生物對(duì)污染物進(jìn)行處理能夠達(dá)到高效且快速處理的目的。

2.2 適用范圍廣

由于微生物種類多，且能很好的適應(yīng)不同的環(huán)境，因此對(duì)于不同類型及不同環(huán)境中的污染物可以選用不同的微生物進(jìn)行很好的處理，這就體現(xiàn)了微生物技術(shù)適用范圍廣的特點(diǎn)。

2.3 治理徹底、無(wú)二次污染

固定化微生物技術(shù)已應(yīng)用于有機(jī)污染物的分解，并具備了許多優(yōu)勢(shì)，如能在反應(yīng)器內(nèi)長(zhǎng)期維持較高濃度的生物含量，反應(yīng)啟動(dòng)速度快，處置效率高，運(yùn)行平穩(wěn)，產(chǎn)生的污水量較少，固液分離比較容易等。相對(duì)于其它處理方法，微生物對(duì)污染物的處理更為徹底，它能將污染物自身利用后再排到自然界中，處理了污染的同時(shí)不產(chǎn)生二次污染。

2.4 生物危害性降低

經(jīng)過(guò)大量的科學(xué)研究證實(shí)，利用固定性技術(shù)進(jìn)行難降解有機(jī)污染物的處理，除了具備有機(jī)污染物容易分解的優(yōu)勢(shì)之外，還具備了其自身的特性，如固定化微生物技術(shù)對(duì)高毒性化合物的承受能力和分解力量均有了明顯提高。這是由于固定化載體對(duì)細(xì)胞表面起了某種防護(hù)作用，而固定化載體對(duì)有機(jī)污染物質(zhì)的傳播也會(huì)形成抑制效果，從而導(dǎo)致了細(xì)胞表面的實(shí)際污染含量減少，生物危害性降低。

2.5 穩(wěn)定性

細(xì)胞經(jīng)固定性后，在載體和細(xì)胞之間又形成了某種物理或化學(xué)聯(lián)系，從而增加了細(xì)菌細(xì)胞壁的穩(wěn)定性。但固定化細(xì)菌所處的微環(huán)境和游離于細(xì)胞表面有所不同，這些微環(huán)境的改變也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞的外形構(gòu)造、生物特征和代謝活性的變化。

3 固定化微生物在用于難以降解生物治理中的前景所及發(fā)展趨勢(shì)

在細(xì)胞表面固定化技術(shù)中以吸附法和包埋法研究較多，而其他方法的作用機(jī)制和實(shí)際效果則還有待進(jìn)一步探討，主要在以下問(wèn)題：①?gòu)U水系統(tǒng)是一種十分復(fù)雜的混合系統(tǒng)，用單個(gè)菌種解決，很難滿足實(shí)際使用的需要。所以，應(yīng)用混合菌種的固定化技術(shù)，并使用某一有效菌株進(jìn)行分類處理，具有良好的應(yīng)用前景。②高效固定化反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)，使之能克服包埋載體對(duì)基質(zhì)（尤其是氧氣）和代謝物質(zhì)擴(kuò)散產(chǎn)生的抑制效果，從而使固定化微生物處在良好的微環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)發(fā)育和代謝作用。③廉價(jià)耐久的固定化載體和復(fù)合固定化材料的發(fā)展，使固定性研究中使用的介質(zhì)及其固化技術(shù)必須更加完善，力求減少載體對(duì)生物功能和傳質(zhì)的不良影響。④已設(shè)計(jì)成型的高穩(wěn)定型微生物傳感器。經(jīng)過(guò)持續(xù)的發(fā)展，穩(wěn)定化技術(shù)將能夠在有機(jī)廢物的降解和環(huán)境工程方面起到更加關(guān)鍵的角色。

4 結(jié)語(yǔ)

固定化微生物技術(shù)除可進(jìn)行有機(jī)廢水的降解外，還具有在化學(xué)反應(yīng)器中穩(wěn)定的生物含量、化學(xué)反應(yīng)啟動(dòng)速度快、處置效率高、運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)、產(chǎn)生污水?dāng)?shù)量較小、固液分離簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)。在通常狀態(tài)下，固定化微生物細(xì)菌對(duì)毒性污染物的承載力和分解性能均會(huì)明顯提高。隨著生態(tài)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，固定化微生物技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用潛能也將更好地發(fā)揮。并且隨著進(jìn)一步地深入研究與探索，固定化微生物污水處理技術(shù)將作為一種有效且實(shí)用的廢水生態(tài)處置方法，在有機(jī)廢水的生物降解過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。