嗜盐菌的特性与高盐废水生物处理的进展

嗜盐菌的特性与高盐废水生物处理的进展

安立超　严学亿　胡　磊　余宗学

(南京理工大学环境科学与工程系,　南京210094)

摘要　论述了嗜盐菌的形态特征、营养构成、生理特性和嗜盐机理,以及利用其特性在含盐有机废水处理中的应用,综述了国内外生化处理高含盐量有机工业废水的实验研究成果、在实际废水工程中的应用及其发展方向。对嗜盐菌的培养与驯化有一定的参考价值,对含盐废水处理工程的设计与运行有指导意义。

关键词　嗜盐菌　特性　高含盐量废水　生物处理

Rev iew of character istic of haloph ilic and biolog ical treat m en t of hapersali ne wastewater　A n L ichao,Y an X uey i, H u L ei,et al.D ep art m ent of E nv ironm ent S cience and E ng ineering,N anj ing U niversity of S cience and T echnology, N anj ing210094

Abstract:T he shape feature,nutrient requirem ent,physi o logical characteristic,haloph ilic m echanis m and app licati on of haloph ilic bacteria w ere discussed.T he experi m ental studies and app licati on in engineering about bi o logical treatm ent of hypersaline w astew ater and brings fo r w ard the developm ental tendency w ere summ arized.It is significant fo r accli m ating of haloph ilic bacteria and running of p rocessing system.

Keywords:H aloph ilic bacteria　Characteristic　H ypersaline w astew ater　B i o logical treatm ent

高含盐量废水是指含有有机物和至少315%的总溶解固体物TD S(To tal D isso lved So lid)的废水[1],在这些废水中除了含有有机污染物外,还含有大量的无机盐,如C l-、SO2-4、N a+、Ca2+等离子,这些盐的存在对常规生物处理有明显的抑制作用[2～4]。因此有必要探讨在高盐环境中仍能降解有机污染物的特殊微生物,即耐盐微生物和嗜盐微生物。本文研究的重点是嗜盐菌。嗜盐菌一般生长在盐湖、盐碱湖、死海、盐场和海洋中,我国嗜盐微生物资源十分丰富[5]。由于嗜盐菌具有独特的结构组成、生理功能和代谢产物,许多学者对其在生物电子、能源开发、发酵生产、环境保护等领域开展了应用研究[6]。本文对嗜盐细菌的形态、生理特性、遗传等特性作了详细描述,并综述了利用其特性对高含盐量有机工业废水进行生物处理的应用研究。

1　嗜盐菌的特性

111　嗜盐菌的分类

根据细菌最佳生长所需的盐浓度(一般以N aC l 计)的不同,细菌可分为非嗜盐菌、海洋细菌和嗜盐细菌[5]。

非嗜盐菌是指在含盐浓度不高于1%的介质中能良好生长[7],在普通生物法的活性污泥以及在淡水和陆地生态系统中主要含有这种细菌[8]。

海洋细菌,也称弱嗜盐菌,是指适于生长在含盐浓度为1%～3%的介质中。这种微生物既具有耐盐菌[9]的特性,同时在高盐环境中又能和嗜盐菌共存。

嗜盐细菌是指只有在含盐的环境才能生长的微生物,在种属上可分为嗜盐杆菌属、嗜盐球菌属、嗜盐碱杆菌属、小盒球菌属等[10]。按最适宜生长所需的盐量,分为中度嗜盐菌和极端嗜盐菌[11]。中度嗜盐菌指在含盐浓度为3%～15%的环境中能良好生长的微生物,主要是真细菌群落[6]。极端嗜盐菌是指在含盐浓度为15%～30%的介质中也能良好生长的微生物,最适宜生长浓度为20%～25%,甚至在饱和浓度中也能生长[12]。

112　嗜盐菌的生态与营养结构

嗜盐菌为革兰氏阴性菌,多为好气化能异养,能利用的碳源十分广泛,适宜于偏碱性的环境(pH为9～10);该种群具有极高的生长速率,其时代周期约为4h;菌体多为圆形,直径为2～4mm;外观呈红色、紫色或浅褐色;不运动或丛鞭毛运动;这些异养型和自养型的中度和极端嗜盐菌的特性非常适用于处理含盐有机工业废水[5,7,8,10]。

嗜盐菌的生长需要很复杂的营养结构,一些细菌在葡萄糖、氨和无机盐的介质中就可生长,但大多

第一作者:安立超,男,1963年出生,副教授,系副主任、环境工程设计研究所副所长,主要从事废水处理技术研究与工程设计工作。

数嗜盐菌都需要诸如氨基酸或维生素等生长因素[13]。在实验室中,可利用酵母膏和蛋白质水解产物提供这些生长因素。嗜盐菌的生长随着盐浓度的增加,所需的营养构成就越复杂[8]。另外,80Λg L 的铁离子和48m g L的镁离子是嗜盐菌生长必不可少的营养。

113　嗜盐菌的生理特性与嗜盐机制

嗜盐菌之所以能够在高盐环境中良好生长,是因为嗜盐菌特殊的生理结构和细胞中所含的物质使之需要盐才能得以生长。嗜盐菌的细胞内所含的K+浓度是细胞外的100倍左右,而细胞外N a+的浓度是细胞内的4倍[5],因此,嗜盐菌应该具有灵巧的排钠吸钾的生理特性,而嗜盐细菌的紫膜(p u rp le m em b rane)提供了这种生理功能。紫膜接受光能驱动细胞的质子,形成电位梯度,产生能量可以合成A T P,弥补在高盐浓度(盐浓度越高,溶解氧越低)下底物有氧氧化所得能量的不足,为细胞浓缩K+和排斥N a+提供能量保证,以满足嗜盐菌正常的生理需要[9,14]。一些细胞还含有视黄醛(retinal)朊,这种朊的存在为细胞内的质子移动提供推动力[10]。

中度嗜盐菌的细胞内除了含有K+、N a+外,还含有有机化合物(氨基酸、三甲铵乙内酯、丙三醇等)以调节渗透压。在调节渗透压过程中,N a+并非必要的,但是嗜盐菌的营养吸收、细胞质内pH的调节、电位的平衡都需要N a+的存在[15,16]。嗜盐菌的酶在高盐环境能发挥作用是因为它们的蛋白质组织具有独特的适应性,大多数嗜盐菌微生物的蛋白质中含有过量的酸性氨基酸和非极性的残余物,过量的酸性物质需要阳离子屏蔽其附近的负电荷,否则蛋白质会遭到破坏。总之,嗜盐菌中的大多数酶的活性和稳定性、核蛋白的稳定性和功能的发挥以及细胞的生长都需要一定浓度的N aC l和KC l来维持[17]。嗜盐菌这种生长需要高盐浓度的生理特征是在漫长的进化过程中,通过自然选择,是细胞结构与功能高度适应高盐环境的结果[18]。

此外,大多数嗜盐菌能合成糖(主要是蔗糖、海藻糖、甘油葡萄糖)、氨基酸等,它们成为嗜盐菌的渗透压调节剂,有利于稳定和保护菌体内酶的活性[18],当受到高盐废水冲击时,会调节自身新陈代谢,改变遗传基因,使其能在高盐浓度下正常生长[19]。

2　嗜盐菌处理含盐有机工业废水的研究进展

211　盐对常规生化法的影响

1937年,Zobell等[20]首次通过实验研究了盐对处理有机废水的影响,他们用从生活污泥、土壤和海水接种来的微生物处理含盐废水,结果发现,在含盐度为28%介质中三种不同来源的微生物存活率分别为0%、小于1%、小于2%。盐对常规生化法的影响主要有以下四个方面:

(1)对出水水质影响　处理系统对离子的浓度变化很敏感,当系统突然受含高盐废水的冲击时,则系统的有机物去除率降低、微生物呼吸速率降低、SV I增大、出水BOD5、SS升高[21]。盐度突增2%就能对系统产生显著破坏,因此,保持盐浓度的稳定是工程设计中主要考虑因素之一[22]。

(2)对生物活性影响　盐浓度的增加将破坏生物的代谢功能和降低生物的降解动力。在含盐315%的系统中,每毫克污泥降解总有机碳能力从013 m g h降低到0112m g h[8]。

(3)对生物种类的影响　盐度的增加,使处理系统中的原生动物和丝状微生物减少[22,23],出水的悬浮物浓度一般高于100m g L。

(4)耐盐度的极限　许多文献表明[8,9,21],盐度超过3%～5%的废水不能用常规的生化法处理。212　含盐废水处理研究进展

21211　处理系统中存在的耐盐微生物

在高含盐量环境中存在原核微生物主要是嗜盐菌,它们的生长需要盐分,如红皮盐杆菌能在12%～30%(饱和浓度为30%)的盐度中生长,在盐度小于12%的环境中不生长;当盐度低于9%时,细胞壁开始破裂[9],杆菌数量逐渐减少,直到消失。其他嗜盐菌如条伦黄杆菌、钠盐脱硫弧菌、盐制品杆菌、变异微球菌、盐脱氮付球菌等也需要在含盐介质中才能生长[24,25]。

在高含盐量环境中存在的原生动物的种类随含盐浓度的不同而有所变化,当盐含量低于8g L时,有大量轮虫、游泳性纤毛虫、有柄纤毛虫和其他高级原生动物[26];当盐含量在8～13g L时,还有轮虫、游泳性纤毛虫和个数多但不够活跃的有柄纤毛虫;而当盐含量为20g L时,曝气20h后,尚存少量的低级原生动物、丝状细菌和菌胶团,曝气48h后,原生动物全部消失,只剩下菌胶团。

在含盐环境中,也存在着一些浮游生物。在盐含量为2～12g L环境中,浮游植物有嗜盐舟形藻、衣藻、光甲藻、绿裸藻等,啮蚀隐藻、尖尾蓝隐藻在盐含量2～6g L中占优势地位;在2、6、12g L三个盐浓度梯度中,浮游动物的优势种演替基本趋势为桡足类→轮虫(有时是原生动物)→桡足类和游仆虫[27]。