生物强化技术及其在废水生物处理中的应用

第1卷　第9期环境工程学报

Vol.1,No.92007年9月

Chinese Journal of Envir on mental Engineering

Sep.2007

生物强化技术及其在废水生物处理中的应用

王建芳1

　赵庆良

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　林佶侃2　金文标

3

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨150090;2.金迪生物科技集团,东莞523581;

3.哈尔滨工业大学深圳研究生院,深圳518055)

摘　要　生物强化技术广泛应用于废水生物处理中,而竞争力和适应性强的高效菌株筛选是生物强化技术的决定性因素。论述了利用具有代谢性能的可移动基因片段强化、基因工程菌强化和常规微生物学手段分离菌株的生物强化技术,并阐述了生物强化技术在废水生物处理过程中去除难降解有机物,去除过量的氮、磷等营养物质,维持生物系统稳定性中的应用。

关键词　高效菌筛选　基因工程　可移动基因组分　废水生物处理

中图分类号　X703.1 文献标识码　A 文章编号　167329108(2007)0920040206

B i oaugm en t a ti on technology and its appli ca ti on i n

b i olog i ca l wa stewa ter trea t m en t

W ang J ianfang 1

　Zhao ingliang 1

　L in J ikan 2

　J in W enbiao

3

(11School of Munici pal and Envir onmental Engineering,Harbin I nstitute of Technol ogy,Harbin 150090;

2.Golden B i o 2Treat Technol ogy L i m ited,Dongguan 523581;

3.Harbin I nstitute of Technol ogy Ca mpus of Shenzhen University T own,Shenzhen 518055)

Abstract B i oaug mentati on technol ogy has been widely used in bi ol ogical waste water treat m ent in recent years .The screen of high efficient bacteria with str onger adap tability and competiti on in ne w envir onment is one of decisive fact ors f or bi oaug mentati on technol ogy .The paper elaborates three methods f or aug mentati on of catabolic mobile genetic ele ments,gene engineering strains and bacteria which were is olated by conventi onally m icr obi ol og 2ical t ools .The app licati ons of bi oaug mentati on technol ogy in bi ol ogical waste water treat m ent f or re moval of recal 2citrant conta m inants and redundant nutrients such as N,P,and maintaining stability of ecol ogical syste m s are dis 2cussed .

Key words screen of effective and efficient bacteria;gene engineering;mobile genetic ele ments;bi ol ogi 2cal waste water treat m ent

收稿日期:2006-03-28;修订日期:2007-07-20

作者简介:王建芳(1973～),女,博士研究生,主要从事废水生物处

理技术与资源化研究工作。E 2mail:wjf302@

3通讯联系人,E 2mail:zhql1962@yahoo

自然环境或生物处理体系中,微生物通过自身的生命活动降解污染物、将有害物质分解为稳定无害的小分子物质,如CO 2和H 2O 。随着工业的发展,一些有毒有害物质的排放会对环境微生物产生一定的毒害作用,使得生物降解体系中缺乏足够的微生物降解相应的污染物,或抑制具有降解复杂污染物性能的微生物生长,需要很长一段时间才能通过酶的诱导、遗传物质转移等方式使微生物逐渐适应。有效微生物的数量和浓度是生物处理的决定性影响因素。因此,生物强化技术受到人们的青睐。生物强化技术是向传统的生物处理系统中引入具有特定功能的微生物,提高有效微生物的浓度,增强对难降解污染物的降解能力,提高其降解速率,并改善原有生物处理体系对目标污染物的去除效能。将生

物强化技术融入到传统的生物修复,并结合现代分

子生物学技术和分析化学提供的新方法、

手段进行监测、

评价,已成为土壤、地下水等生物修复发展的一种趋势[1]

。在废水生物处理技术中,由于某些污

染物的复杂性、

难降解性及对微生物体系的抑制性,用常规的处理方法很难有效去除。向生物反应器中投加特种微生物的生物强化技术成为有效的辅助手段。

第9期王建芳等:生物强化技术及其在废水生物处理中的应用

1　环境微生物学中的生物强化技术

以生物强化为基础的生物修复理念非常简单,通过具有降解功能的微生物强化受污染体系,能加速生物修复,核心是投加高效降解微生物。其效果由微生物本身的降解性能和各种生态因素综合作用决定。高竞争力和适应性强的高效菌株筛选是生物强化技术成败的关键。根据用于生物强化的菌株筛选或构建途径不同,生物强化技术主要可分为以下3种:(1)含有代谢功能的可移动基因组分的菌株强化;(2)通过基因工程手段改造得到具有特定功能的微生物强化;(3)利用常规的微生物学手段,通过长期驯化得到具有一定降解能力的微生物菌群或从特定环境中分离纯化得到某些具有特定降解性能的微生物强化。

1.1　具有代谢性能的可移动基因片段(ca t aboli c m ob ile geneti c ele m en ts)强化

通过向具有竞争力的土著微生物中引入可移动代谢基因,能加速自然基因的交换和代谢途径的构建,可作为受污染土壤和水体生物强化的有效手段[2]。接种含有可移动基因组分可为微生物引入特定特征的代谢基因。这些具有代谢功能的可移动组分包括质粒、可交换组分和可利用类抗菌素整合酶的组分等[3,4],大部分都存在于经选择性分离的异型生物降解菌株。一旦代谢活性的基因组分在土著微生物中转移、表达,就不再需要供体。Sp ringael 等[5]向活性污泥和活性污泥2膜生物反应器中引入P.putida BN210菌株,这种微生物携带能降解32氯苯甲酸(3CBA)的clc基因。利用PCR2DGGE分析表明,尽管2个反应器中BN210菌株消失,反应器仍具有降解3CBA性能,活性污泥2膜生物反应器的降解速率是活性污泥系统的3倍多,表明clc基因组分已转移到土著微生物中。

生物处理系统中通过基因组分转移进行生物强化的主要条件是细胞密度,因为供体和感受态菌株需直接接触。Mancini等[6]研究了活性污泥单元中质粒转移,发现在初沉池的底部和二沉池的回流污泥中,细胞浓度最高,转化融合子的数量最多;相同条件下,由于膜生物反应器比活性污泥具有更高的细胞密度,有助于可移动基因组分的转移。

由于很难寻找含有难降解污染物降解基因的供体,分离纯化相关的降解基因,并快速灵敏探测基因转移,以质粒为中介的生物强化技术大部分研究都停留在实验室阶段。

1.2　利用基因工程技术构建高效微生物的生物强化

运用微生物遗传学的手段去改造生物反应器中的微生物特性,使之获得高耐毒性、高降解活性以及特异或广谱降解污染物等优良遗传性状,从而创造出新的高效生物处理工艺。Dai等[7]通过三轮基因重组将Sphingobilum chlorophenolicum对剧毒杀虫剂五氯酚的耐受浓度提高了10倍以上,并可将培养基中所含的3mmol/L五氯酚完全降解。通过基因重组将多种有益的突变组合在一起,其中包括提高菌体生长速率、提高五氯酚降解酶的组成型表达和提高菌株对五氯酚的耐受性。

W atanabe等[8]监测了活性污泥中降解酚的微生物菌群,从菌株 C.testosteroni R5中选择数量上占主导的编码酚羟化酶基因phc,整合到Co2 m am onas s p.r N7,得到转化菌株r N7,其中特定酚氧化活性比原菌株R5活性高出3倍多。35d后,定量PCR结果表明,phc基因仍留在转化株中,每毫升液体中含有108个拷贝,而没有监测到phc基因供体R5。而且,接种含有转化株的活性污泥,提高了酚氧化活性和抗酚冲击负荷能力。显而易见,酚处理能力的提高是由已适应自然生态系统的外源代谢基因引起的。利用这种含有外源代谢基因的土著微生物强化,可避免与土著微生物竞争资源和空间、面对原生、后生动物的捕食和不利的生长条件。

就废水生物处理而言,通过遗传学手段创造的基因工程菌在处理有毒、生物难降解废水中,已显示出诱人的应用前景。目前基因工程菌生物强化,实验室研究偏多,实际应用较少。造成这种情况的原因主要有:(1)进行系统的遗传工程育种尚缺乏一个生物有效降解菌种资源库;(2)对于污染物降解基因在各种有效降解菌体内的定位尚需做大量的研究工作;(3)由于人们对基因工程菌释放到环境后的生态影响尚缺乏充分的认识,目前除细胞融合技术、原生质体融合技术、诱变技术和传统杂交繁殖技术等外,其他遗传工程菌向野外释放的行为还需要经过各国政府的严格审查和批准。

1.3　利用常规微生物学手段分离菌株的生物强化1.3.1　筛选高效菌株

在长期驯化或受污染环境中,通过选择性培养基分离具有特定降解性能的微生物,再通过富集培养、多次分离纯化得到高效微生物用于生物强化,具

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