嗜鹽菌在高鹽廢水處理中的應用研究

向菲 王弘宇 姜宇

(1.武漢市城市排水發(fā)展有限公司，湖北武漢 430062; 2.武漢大學市政工程系，湖北武漢 430072)

高鹽度廢水是指含鹽質量分數至少1%的廢水，這種廢水含有多種污染物質，包括有機物、重金屬和放射性物質等［1］。高含鹽廢水若不經處理而直接排放，勢必會對生態(tài)環(huán)境造成極大的危害。高含鹽廢水廣泛來源于海水直接利用過程中排放的廢水及一些行業(yè)如海產品、印染、造紙、制藥、化工等工業(yè)生產廢水。我國石油儲備比較豐富，石油開采作為我國工業(yè)主要組成部分之一，排放的廢水一般含有高濃度可溶性無機鹽及難降解或有毒的有機物。不僅如此，作為我國國民經濟主要支柱的化工、制藥等行業(yè)，也產生大量類似成分的工業(yè)廢水。這類廢水的環(huán)境影響是不容忽視的。目前，對高鹽廢水的處理方法包括物理法、物理化學法及生物法。生物處理方法因其經濟、高效且不易造成二次污染等優(yōu)點具有廣闊的應用前景。無機鹽類可維持生物細胞膜平衡、調節(jié)滲透壓、促進微生物的酶反應。但是，較高的鹽度會破壞生物的代謝功能，降低生物的降解動力，從而抑制微生物的生長代謝。因此，研究人員將目光投向能適應高鹽環(huán)境并具有有機物降解功能的細菌——嗜鹽菌。因此，本文在對嗜鹽菌的分類、作用機理及利用其特性進行分析的基礎上，對高含鹽量有機廢水進行生物處理的應用研究最新進展進行了展望。

1 嗜鹽菌的分類

嗜鹽菌(Halophile)指只能在高鹽環(huán)境下生長的細菌，根據其耐鹽程度的不同可分為四類：非嗜鹽菌(目前生物法常用細菌)、弱嗜鹽菌(一般海洋微生物)、中度嗜鹽菌及極端嗜鹽菌(即古細菌)［2］。非嗜鹽菌生活在鹽度小于1%的環(huán)境，主要生長在淡水中。弱嗜鹽菌在鹽度為2%～5%生長最好，嚴格地說，這種菌種是耐鹽菌，即具有一定的耐鹽性能，可與嗜鹽菌共存，同時在鹽度較低環(huán)境下也可生長。中度嗜鹽菌在3%～15%鹽度下生長最好，基本上是真細菌類。極端嗜鹽菌生長于15%～30%的環(huán)境，主要屬于古細菌［3］。

2 嗜鹽菌的嗜鹽機理

1)細胞水平。極端嗜鹽菌生存需要大量的Na+離子以避免溶菌現象［4］，同時協(xié)助pH調節(jié)及維持電位平衡。然而，極端嗜鹽菌細胞內并未含有大量鈉離子，而是通過積累鉀離子保持滲透壓的平衡，能夠促使細胞進行排鈉吸鉀的重要結構被稱為紫膜。它是細胞膜上呈六面格子的紫色斑塊，主要由一類視黃醛蛋白組成。紫膜可通過驅動細胞內質子形成梯度將光能轉變?yōu)榧毎陨磉M行生命活動的能量［5］。同時，有研究表明Cl-離子也起著十分重要的作用。Roebler等認為Cl-可能對酶和蛋白質起穩(wěn)定作用，在高鹽低氧壓情況下以光合磷酸化方式將H+運回細胞內合成ATP，以維持細胞在高鹽環(huán)境中的代謝活動［6］。

對于中度嗜鹽菌，它們通過在細胞內積累一些被稱為相容性溶質的高度水溶性的小分子物質，來抵抗細胞外的高滲透壓，保持細胞內的低水活度，維持細胞的形態(tài)、結構和生理功能。相容性溶質包括糖，糖醇，氨基酸及氨基酸的衍生物等［7］。

2)分子生物學水平。極端嗜鹽菌細胞中含有嗜鹽極酶，通過肽鏈中酸性氨基酸殘基形成負電區(qū)域使酶蛋白在高鹽環(huán)境中的穩(wěn)定。另一方面，嗜鹽菌通過在蛋白質基因上的特殊物質在酶蛋白表面上形成鹽橋，消除鹽離子的屏蔽效應［8］。

3 嗜鹽菌的分離篩選

嗜鹽菌廣泛生長于鹽湖、鹽堿湖、鹽沼、死海和鹽場等環(huán)境中。1937年，Zobell等［9］首次進行了廢水中鹽分對不同來源微生物存活率的影響的相關實驗研究。結果表明在鹽度較大的環(huán)境中，一般微生物存活的可能性很低。國內很多研究者也開始對嗜鹽菌進行分離和鑒定方面的研究。何健等［10］以逐步提高鹽濃度的方法從某化工廠苯乙酸車間酸化廢水的稀釋水中得到增殖后的耐鹽能力較強的優(yōu)勢菌。熊焰等［11］報道了一株分離于實驗室鹽藻培養(yǎng)物中的中度嗜鹽菌NY-011，對其進行形態(tài)觀察、代謝指紋分析及16SrDNA擴增和測序等工作，通過對其同源性進行分析，從GenBank中獲得Halomonas，Chromohalobacter和Zymobacter屬中其他種的16SrDNA基因序列，同NY-011的16SrDNA一起構建系統(tǒng)發(fā)育樹，確定該菌株屬于鹽單胞菌屬。

4 嗜鹽菌應用于高鹽度廢水處理

關于耐鹽微生物應用的研究，國內外學者進行了大量研究。Hamoda等［12］使用活性污泥完全混合反應器分別對幾組鹽度不同的廢水在不同泥齡(3 d～20 d)和不同有機負荷(0.15 kg～2.0 kg CODCr/VSS·d)條件下進行平行對照實驗，發(fā)現未經馴化的活性污泥系統(tǒng)較馴化的活性污泥系統(tǒng)受到鹽度的沖擊更大，馴化后的活性污泥對TOC的去除率均達到96%以上。Kargi和Uygur對含有鹽桿菌的活性污泥系統(tǒng)進行研究，發(fā)現水中鹽度為5%時，CODCr去除率仍可達80%左右［13］。王基成等人將某石化企業(yè)乙烯污水處理廠產生的含有高濃度氯化鈣和難生物降解有機氯化物的高鈣鹽廢水作為水樣，采用逐步加壓的方法對活性污泥進行耐鹽馴化，記錄馴化過程中污泥微生態(tài)的變化及馴化污泥對廢水處理效果，發(fā)現當鹽度逐漸增加，絲狀菌、鐘蟲等種屬數量明顯變少。隨著鹽度的增加會改變活性污泥中的優(yōu)勢菌群。實驗表明，經過馴化后的耐鹽活性污泥工藝對廢水中COD的去除率明顯高于該污水處理廠現有處理工藝對COD的去除率［14］。宋晶等［15］從大連旅順鹽場底泥中篩選出適合高鹽度的嗜鹽菌，在序批式間歇反應器(SBR)中對其進行3.5%(質量分數)鹽度的馴化，污泥混合液懸浮固體(MLSS)平均質量濃度達600 mg/L。利用培養(yǎng)的污泥進行高鹽模擬廢水處理試驗，結果表明，對鹽度為3.5%，COD為240 mg/L～340 mg/L的高鹽廢水，在每周期12 h、曝氣量0.6 L/min、污泥MLSS為600 mg/L、污泥齡為18 d條件下，COD去除率達95%以上，NH4+-N去除率達61%，TP去除率達55%。該系統(tǒng)有較強的抗沖擊負荷能力。孫磊采用兩級ABR-SBR工藝對高濃度高鹽廢水進行處理，可使廢水中的COD去除率達到97%左右［16］。

5 結論和展望

綜上所述，雖然高鹽環(huán)境對大多數微生物的生長和正常代謝產生不利影響，但國內外大量研究表明一些特殊的微生物可在高鹽環(huán)境下降解有機污染物。自然界存在嗜鹽微生物以及可以通過馴化培養(yǎng)出具有降解特定物質功能的嗜鹽菌為生物法處理高鹽廢水提供了可行性。

目前，國內外對處理實際高鹽廢水還處于實驗室小試階段，離實際工程應用還有較大距離。我國擁有豐富的鹽水資源，可以充分利用此資源進行嗜鹽菌的篩選和機理研究工作，以期為嗜鹽菌處理實際高鹽廢水提供理論基礎。

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