相容性溶質(zhì)對高鹽廢水生物處理應(yīng)用研究進展

鄒小玲，余江濤，倪國

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013；2.南京中創(chuàng)水務(wù)集團股份有限公司，江蘇 南京 200288)

目前，高鹽廢水的處理技術(shù)中生物法最為經(jīng)濟有效且可持續(xù)，符合國家綠色發(fā)展理念。如何使微生物在高鹽環(huán)境下存活并發(fā)揮其功效是關(guān)鍵，目前國內(nèi)外研究者認(rèn)為存在兩種策略使細(xì)胞在高鹽環(huán)境下存活：①使細(xì)胞內(nèi)維持高濃度K+，用以抵抗外界高鹽滲透壓，但胞內(nèi)酶需要重新適應(yīng)細(xì)胞內(nèi)部環(huán)境；②細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)維持低鹽，而在細(xì)胞質(zhì)中的滲透壓通過所積累的“相容性溶質(zhì)”維持內(nèi)外平衡，胞內(nèi)酶無需重新適應(yīng)細(xì)胞內(nèi)部環(huán)境[4-5]。

1 相容性溶質(zhì)

1.1 相容性溶質(zhì)的概念及分類

相容性溶質(zhì)最初是由澳大利亞的Brown于20世紀(jì)70年代提出的，這類物質(zhì)一般是有機小分子，其特點是高度水溶性、不帶靜電荷、沒有活性基團，在細(xì)胞內(nèi)高濃度積累不會影響蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的功能，且能夠維持細(xì)胞內(nèi)外的滲透平衡，所以稱為相容性溶質(zhì)。

相容性溶質(zhì)可以通過細(xì)胞合成(如谷氨酸和海藻糖)，其種類受到鹽度和最終電子受體的影響，也可以通過環(huán)境吸收，而大多數(shù)菌種更偏愛從環(huán)境中吸收相容性溶質(zhì)[6-7]。其主要可以分為糖類(如海藻糖、蔗糖等，在細(xì)菌體內(nèi)普遍存在)、醇類(甘油，發(fā)現(xiàn)于藻類和真菌中)，由于含羥基，其親水性好，可維持細(xì)胞內(nèi)的水活度；氨基酸(谷氨酸和脯氨酸)、氨基酸衍生物(甜菜堿、四氫嘧啶)，在細(xì)胞內(nèi)的濃度可以積累到摩爾級水平，基本上可以平衡外界鹽分所帶來的滲透壓[8]。

1.2 相容性溶質(zhì)的調(diào)滲機制

在高鹽環(huán)境下，胞內(nèi)水活性降低，水分不斷流失到環(huán)境中，水分的喪失導(dǎo)致細(xì)胞膨壓的降低，胞內(nèi)酶不得不適應(yīng)新的環(huán)境。夏穎等[9]認(rèn)為相容性溶質(zhì)能夠提高細(xì)胞的滲透勢，減少細(xì)胞失水，且能夠穩(wěn)定細(xì)胞膜和細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)，并對細(xì)胞內(nèi)大分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及功能起到穩(wěn)定與保護作用。相容性溶質(zhì)作為滲透保護劑，能夠穩(wěn)定生物大分子結(jié)構(gòu)，趙百鎖等[10]認(rèn)為存在兩個原因：①其能夠穩(wěn)定胞內(nèi)蛋白酶及細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的水化層；②其與胞內(nèi)蛋白酶的弱相互作用使它們可以更好地相融。

非嗜鹽菌和中度嗜鹽菌均依靠相容性溶質(zhì)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外滲透壓，其濃度在高滲與低滲環(huán)境中維持著動態(tài)平衡，當(dāng)環(huán)境滲透壓過高時，相容性溶質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)大量積累，防止細(xì)胞膨壓的喪失甚至造成細(xì)胞死亡；當(dāng)滲透壓過低，相容性溶質(zhì)逐漸分泌到環(huán)境中，防止環(huán)境中過多的水分滲入對細(xì)胞造成損害。除了調(diào)滲，相容性溶質(zhì)還有抗干旱、高溫、低溫和輻射等作用，通過穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)、DNA等物質(zhì)結(jié)構(gòu)，起到對細(xì)胞的保護作用[11]。

然而，細(xì)胞通過細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運系統(tǒng)吸收或分泌相容性溶質(zhì)，轉(zhuǎn)運蛋白對于滲透壓的改變的感知以及調(diào)節(jié)作用能在極短的時間內(nèi)完成(以毫秒計)，造成了在體內(nèi)難以探測，除轉(zhuǎn)運蛋白外，滲透壓的變化如何轉(zhuǎn)化為相容性溶質(zhì)的積累尚不可知[12-13]。相比非相容性溶質(zhì)，大部分相容性溶質(zhì)都不帶電荷如甜菜堿或帶負(fù)電荷如氨基酸，因此不會和酶或底物的負(fù)電荷基團結(jié)合，而非相容性溶質(zhì)如Na+，在低濃度下雖然對酶有保護作用，但高濃度下會和酶的特殊點位結(jié)合來降低酶的活性，甚至使酶失活且濃度越高越明顯。K+雖然作為相容性溶質(zhì)的一種，但王穎群等[8]認(rèn)為K+是一種較為低級的相容性溶質(zhì)，高濃度鉀離子對酶有抑制作用，需要一定量的氨基酸中和其所帶電荷，對除嗜鹽古菌外的耐鹽微生物而言，意義不大。且目前認(rèn)為K+至少不是中度嗜鹽菌的耐鹽機制[10]。

1.2.1 對蛋白質(zhì)的影響 研究表明相容性溶質(zhì)可以起到有效穩(wěn)定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的作用，保護在滲透脅迫下酶的正?；钚?。盧良坤等[14]認(rèn)為相容性溶質(zhì)的積累與胞內(nèi)分子伴侶dnaK特性密不可分，后者能夠促進在鹽濃度下蛋白質(zhì)的正確折疊方式，穩(wěn)定蛋白質(zhì)的空間三維結(jié)構(gòu)，以確保蛋白質(zhì)的活性。Arpita等[15]認(rèn)為四氫嘧啶能降低多肽鏈的展開長度，從而增加了其卷曲的傾向，并且更強的展開力表明起穩(wěn)定作用的分子內(nèi)部作用力得到增強。

而有的研究者認(rèn)為是由于相容性溶質(zhì)從蛋白質(zhì)表面排斥而出，導(dǎo)致蛋白質(zhì)優(yōu)先水合，使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)更加緊密，Stefan等[16]認(rèn)為這主要是因為相容性溶質(zhì)使水的表面張力增加抵抗了其表面積的擴大，其次相容性溶質(zhì)主要在蛋白質(zhì)變性狀態(tài)下起作用，而在自然狀態(tài)下的蛋白質(zhì)不受影響。Yu等[17]發(fā)現(xiàn)在四氫嘧啶溶液中，水在蛋白質(zhì)周圍的擴散速度減慢，保持了蛋白質(zhì)的水化結(jié)構(gòu)基本不變。

1.2.2 對DNA的影響 相容性溶質(zhì)能夠提高DNA的穩(wěn)定性，朱道辰等[18]認(rèn)為是因為高濃度的相容性溶質(zhì)提高了溶液的電解質(zhì)穩(wěn)定性和降低了離子對DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。而Chadalavada等[19]認(rèn)為高濃度氯化鈉能與DNA形成雙螺旋穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而脯氨酸與甜菜堿可以破壞其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，抵抗氯化鈉對DNA的影響，而其他氨基酸不具備這種功能。相反，耐鹽基因也能通過基因表達控制合成相容性溶質(zhì)途徑中關(guān)鍵的酶[20]。

1.2.3 對磷脂的影響 相容性溶質(zhì)能通過改善脂膜的理化性質(zhì)，提高細(xì)胞的抗逆性。海藻糖由于擁有許多羥基，能與脂質(zhì)分子的相互作用以氫鍵形式發(fā)生在脂質(zhì)分子的表面，且氫鍵的數(shù)量與保護作用有關(guān)，所產(chǎn)生的氫鍵取代失去的結(jié)合水，維持膜表面的水化狀態(tài)[21-22]。Jens等[23]研究發(fā)現(xiàn)高濃度羥基四氫嘧啶增加了脂質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)的表面壓力以及溶劑可達表面積。Stephanie等[24]認(rèn)為四氫嘧啶能夠通過提高脂膜表面的水合作用增強脂膜流態(tài)化，從而提高細(xì)胞膜承受極端環(huán)境的能力。

2 相容性溶質(zhì)在高鹽廢水中的應(yīng)用

據(jù)統(tǒng)計[25-28]，魚類、食品加工過程產(chǎn)生的廢水含鹽量一般在72～100 g/L，染料廢水、制藥廢水、殺蟲劑廢水的含鹽量通常也在20～150 g/L，石油產(chǎn)出水鹽度甚至在200～300 g/L。對于遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)生物處理能力的鹽度廢水而言，即使馴化耐鹽菌也達不到處理效果，利用相容性溶質(zhì)調(diào)節(jié)微生物細(xì)胞滲透壓以期望得到更好的效果。

2.1 對微生物耐鹽性能的影響

最初通過實驗，人們發(fā)現(xiàn)甜菜堿能夠?qū)υ驹诟啕}環(huán)境下生長受抑制的微生物提供保護作用，數(shù)據(jù)顯示在0.6 mol/L NaCl下細(xì)菌生長極度緩慢，而當(dāng)加入甜菜堿后，細(xì)菌便開始從介質(zhì)或環(huán)境中吸收，使細(xì)胞內(nèi)甜菜堿濃度維持在1 mmol/L以上，雖然對其提供滲透保護的物化機理沒有得到完全的研究，但部分原因由于與蛋白質(zhì)表面接觸的水層對甜菜堿存在排斥作用[29]，這與其他研究的結(jié)果一致。通過外源投加相容性溶質(zhì)成為了有效提高生物處理效果的方法，其作為滲透保護劑保護微生物在高滲環(huán)境下穩(wěn)定生長代謝。

相容性溶質(zhì)對Na+毒性的抑制在相同生物處理系統(tǒng)效果也不同。Yerkes等[30]認(rèn)為甜菜堿在1 mmol/L時，對厭氧生物反應(yīng)器中Na+毒性的降低最有效，在流化床反應(yīng)器中的氣體產(chǎn)量和pH升高，揮發(fā)性酸濃度降低，UASB反應(yīng)器中產(chǎn)氣量顯著降低，間歇式反應(yīng)器中接種甲烷八疊球菌屬和甲烷絲菌可以大大降低馴化時間，CSTRs中乙酸吸收率顯著升高。Vallero等[31]分別利用相容性溶質(zhì)谷氨酸、甜菜堿、四氫嘧啶、膽堿作為滲透保護劑，再投入25 g NaCl/L的UASB反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)并沒有有效的緩解氯化鈉對顆粒污泥還原硫酸鹽時產(chǎn)生的毒性，究其原因，主要由于同型產(chǎn)乙酸菌更偏愛對甲醇的吸收，隨著甲醇的不斷分解，在不增加硫酸鹽還原產(chǎn)物和甲烷產(chǎn)率的情況下，轉(zhuǎn)向形成乙酸鹽。

2.2 對微生物受到鹽度沖擊的影響

微生物無法立刻適應(yīng)鹽度的瞬間變化，將造成處理效果的失敗，而鹽度變化對生物處理的影響不亞于高鹽本身的影響，即使在微生物經(jīng)過馴化的情況下。Kargi等[32]指出當(dāng)使用淡水污泥處理30 g NaCl/L的廢水時，其BOD去除率將下降30%，而經(jīng)過30 g NaCl/L 馴化后的活性污泥處理淡水環(huán)境介質(zhì)時，其BOD去除率卻降低了75%，這說明快速變化的鹽度相比鹽度本身對處理效果造成的影響更大。

此外，Wang等[33]認(rèn)為當(dāng)鹽度沖擊<5 g/L時，活性污泥處理系統(tǒng)不受影響，當(dāng)鹽度沖擊達到10，20 g/L時，污泥OUR和TOC去除率將降低35%和30%?？梢婑Z化后的活性污泥耐低鹽度沖擊，而對于過高的鹽度沖擊處理效率依舊不佳。Welles等[34]認(rèn)為在SBR中，0.18%的微弱鹽度短期沖擊下能嚴(yán)重限制聚磷菌63%的聚磷能力，可見聚磷菌對鹽度的變化非常敏感，而在廢水處理中各種微生物對鹽度的敏感程度不同，這將會使出水過早的惡化。

相容性溶質(zhì)可以緩解鹽沖擊對反應(yīng)器的影響。楊紅薇等[35]認(rèn)為甜菜堿的加入可以有效緩解15～25 g/L鈉鹽的沖擊對好氧處理系統(tǒng)影響，當(dāng)向SBR反應(yīng)器加入1 mmol/L甜菜堿時，TOC和氨氮的去除率效果最好，分別提高了15.3%和18.7%。Yoshie等[36]發(fā)現(xiàn)當(dāng)外界鹽濃度變化時，胞內(nèi)環(huán)己五醇的濃度也隨之變化，而青蟹肌醇的濃度變化不明顯，說明后者沒有起到調(diào)節(jié)滲透壓的作用，并表示當(dāng)鹽度瞬間變化時，細(xì)胞內(nèi)會產(chǎn)生特殊的相容性溶質(zhì)以恢復(fù)滲透壓，同時主要的相容性溶質(zhì)的濃度趨于平衡。

當(dāng)受到滲透脅迫或鹽度沖擊時，多數(shù)微生物能夠積累多種相容性溶質(zhì)，但往往選擇其中最有效的一種或數(shù)種。陳立偉等[37]比較了4種外源滲透保護劑，甜菜堿的效果最為明顯，且對不同的污泥效果不同。對于未經(jīng)馴化的污泥，在30 g/L鹽度下，投加0.17 mmol/L甜菜堿其耗氧速率提高了210%；而對于經(jīng)過馴化的污泥，在60 g/L鹽度下，投加0.43 mmol/L甜菜堿其好氧速率可提高137%。何健等[38]發(fā)現(xiàn)在高鹽環(huán)境下，中度嗜鹽菌Halomonassp.BYS-1細(xì)胞積累的相容性溶質(zhì)主要是四氫嘧啶，而當(dāng)環(huán)境NaCl濃度升高到117 g/L后，四氫嘧啶所占摩爾百分比升高到57.5%，外加四氫嘧啶可以有效改善嗜鹽菌的生長，主要是因為作為外源物質(zhì)的四氫嘧啶既可以作為滲透保護劑還能作為碳源和氮源。

在一些情況下，隨著外界鹽度的升高，胞內(nèi)相容性溶質(zhì)類型會隨之變化，最常見的即從陰離子相容性溶質(zhì)轉(zhuǎn)化為中性或兩性相容性溶質(zhì)。研究者認(rèn)為當(dāng)受到鹽脅迫時，細(xì)胞的第一反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)會被穩(wěn)態(tài)下產(chǎn)生的物質(zhì)所取代，而這種協(xié)調(diào)性的內(nèi)在機理還需研究。

3 展望

目前，關(guān)于高鹽廢水生物處理中微生物耐鹽機理研究，通過基因測序技術(shù)為基礎(chǔ)對微生物進行種群分析在國內(nèi)外非常流行，而相容性溶質(zhì)作為外源物質(zhì)起到滲透保護作用，對其機理的研究多在分子水平，如對蛋白質(zhì)、磷脂、遺傳物質(zhì)和細(xì)胞膜的保護作用，并且其實際應(yīng)用已涉及基因工程、生物工程、醫(yī)藥等領(lǐng)域。今后，相容性溶質(zhì)在高鹽廢水應(yīng)用方面的研究主要有：①細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運相溶性溶質(zhì)過程中，膜蛋白對高滲環(huán)境的感知機理的研究；②鹽度沖擊下細(xì)胞內(nèi)相容性溶質(zhì)之間轉(zhuǎn)化機制的研究；③提高相容性溶質(zhì)在胞內(nèi)的合成量的研究；④負(fù)責(zé)合成相容性溶質(zhì)的酶的研究。