工程菌在废水处理中应用和研究进展唐世文

全国给水排水技术信息网2009年年会论文集工程菌在废水处理中应用和研究进展唐世文吴珊(北京工业大学建筑工程学院,北京100022)摘要城市污水、问题.关键词文章介绍了工程菌的出现和应用的重要意义,简述了工程菌的育种方法,从工程菌用于处理重金属废水等方面介绍了工程菌用于废水处理的研究进展,并且探讨了工程菌在应用中的一些工程菌废水处理基因工程传统的生物处理法是对自然生长的微生物群落(包括细菌、真菌和其他种类的微生物)加以驯化、繁殖、利用。实际应用中,由于微生物代谢过程复杂而人们的认识有着局限性,造成工艺运行中能量利用不经济,还可能存在各种微生物间的拮抗作用,使污染物的降解效率不高,特别是对重金属离子以及难以生物降解的有机物等。随着基因工程技术、微生物基因组学和遗传学技术的发展,人们可以按照需要,有目的、有计划地通过质体融合、基因工程及其它方式构建所需要的新的生物物种,使一种生物的遗传信息在另一种生物体内得以表达。在水处理领域,利用现代分子生物技术,可以构建出具有特殊降解功能的基因工程菌川,从而改善生化处理装置的效能,或创建新的高效废水生化处理工艺。1工程菌出现与应用意义我国在污水的排放量大大增加的现状下,国家对于污水处理的要求则在不断提高。如果继续沿用传统的生化处理方法,将要消耗更多能量,同时排放大量COZ,对环境造成负面影响。另一方面,水中人工合成物越来越多,这些污染物,难于被现有微生物降解,或降解不完全,不断积累和富集,加剧了水环境的恶化。传统的生物处理法是对当地自然生长的微生物群体加以驯化,繁殖而利用,但是由于普通细菌有时不能适应环境,或者因为拮抗作用等原因不能满足处理要求。为适应废水处理要求,人们开始以生物工程手段对微生物及其酶系进行改造,有目的性地培育有特异降解能力的菌种一“工程菌”〔3]。因此,工程菌的培育和应用在废水处理中具有重要的意义。结构发生改变,然后筛选出需要的菌株。常用的诱变方法有U’V线诱变、X射线诱变、激光、离子束、烷化剂、碱基类似物诱变等141。王海等人采用N`离子注入的处理方法对降解葱菌鞘氨醇单胞菌进行原生质体诱变育种,结果表明,具有明显的诱变效果,细胞存活力明显增强,对初始浓度为200mgL/的蕙的降解率可达7%5,而且变异菌种性状能稳定遗传,筛选的2株优良菌株成功通过泥浆试验,具备实际应用能力〔5〕。诱变育种诱发突变的变异幅度远大于自然突变,但所获得的目的基因仍是稀少的、随机的,因此育种工作也存在难于定向控制和工作量大的特点。2.2质粒育种质粒育种是利用质粒转移构建新菌株。将两种或多种微生物通过细胞结合技术或融合技术,使供体菌质粒转移到受体菌体内,受体菌保留自身功能,同时获得供体菌的功能特性,即结合出具有两种功能质粒的新品种的方法。质粒是染色体外的遗传因子,存在于宿主细胞中,并具有和宿主细胞进行同时复制的功能。细胞分裂时,质粒能保持恒定地传给子代细胞,更为重要的是,质粒能够赋予宿主细胞一些特殊的机能,如降解特定有机物。刘录等人以白腐真菌和北京燕山石油化工公司炼油厂污水厂的活性污泥经驯化筛选后分离获得的降酚细菌进行跨界融合,经筛选获得2株降酚融合子。应用此融合子对北京燕山石化炼油厂含酚废水进行降解实验,具有较好的降酚效果〔6`。2工程菌构建的微生物育种方法工程菌的微生物育种方法主要有诱变育种、原生质体融合和基因工程技术。2.1诱变育种诱变育种是利用物理、化学或生物等诱变因素处理微生物细胞,使细胞内的遗传物质DNA的分子.23基因工程技术基因工程技术的基本原理是对生物的遗传物质一基因在体外进行剪切、组合和拼接,使遗传物质重新组合,然后通过质粒、噬菌体等载体转入微生物、植物或动物细胞内,进行无性繁殖,并使所需基因在细胞内表达,产生出人类所需的产物或组建新的生物类型,从而达到清除污染物和治理污染的目的。Watanabe等监测了活性污泥中降解酚的微生物菌群,从菌株C.TestosteroniRS中选择数量上占主导的编码酚轻化酶基因phe,整合到Comamonas全国给水排水技术信息网2090年年会论文集PsrN7,得到转化菌株州7,其中特定酚氧化活性比原菌株5R活性高出3倍多。35d后,定量CPR结果表明,phc基因仍留在转化株中,每ml液体中含有108个拷贝,而没有监测到hPc基因供体RS。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{丁〕。基因工程技术具有更强的针对性和目的性,克服了传统的诱变育种和体内遗传重组等方法的随机性、盲目性,同时也克服了突变仅能改变其中少数的碱基对的局限性,是一个具有良好前景的新技术手段。3工程菌在处理废水方面的应用3.1城市污水由于国家对污水处理排放标准的提高,很多污水处理厂出水中的N、P指标不能达到要求,现有的升级改造的方法存在能耗大,工艺流程复杂等缺点,而工程菌的应用或许可以改变这一格局。王勤,赵庆顺等人构建了聚磷激酶基因(ppk)表达载体pET28a(+),并转化大肠杆(Eseheriehiac。11)BL21,获得了可过表达pkP基因的工程菌BL一PPK。RT一PcR结果表明,ppk基因在转化的大肠杆菌中得到了高效表达。聚磷试验证实,培养1h0后,转化了pkP基因的大肠杆菌细胞内聚磷含量比对照菌株高20倍,而培养液中可溶性磷浓度为对照菌株的约1/9`8]。因此BL一PKP菌不需要经过传统的除磷工艺中厌氧过程,就能够大量合成聚磷,大大降低处理成本和控制难度。徐健等人利用基因工程技术,将insr基因定向克隆至高效表达载体pQE30上,构建重组基因工程菌pQE30一nirs一SG13009(pNS)。在厌氧和ZooC环境中,PNS能够表达可溶性cdl一亚硝酸盐还原酶,这对于提高微生物的脱氮功能具有重要的意义9IJ。杨开,钟林等人向反应器中投加XLG型生物工程菌BactouPr,其对OCD和TP的最高去除率可分别达到94.52%和79.43%f`。〕。物的存在对汞的富集没有影响。Deng!’2〕等人利用汞转运系统和金属硫蛋白构建基因工程菌在一个中空纤维膜反应器中处理某电解厂的电解废水,未经任何预处理,废水的pH值为9.6,除含有2.58nIgL/的Hg夕一外,还含有3.5309L/的c扩一、40.58mg/L的K一、21.75mgL/的MgZ一、1550nIg/L的Na一以及铁、铿、锌等十几种共存离子和少量的有机物。经基因工程菌处理后,Hg卫一降到了5509/’L以下,而其它共存离子的浓度基本保持不变,体现出该基因工程菌对电解废水优越的处理效果。卢显妍、尹华等采用对铬有较高抗性的热带假丝酵母(CandidatroPicalis)和具有较高除铬性能的解脂假丝酵母(C.li0P1ytica)作为亲本菌体进行电场诱导融合,实验结果表明,融合子R32的去除率和还原率都明显高于2株亲本菌。当处理低浓度含铬废水时,去除率和还原率可达到100%;处理高浓度含铬废水(20m0盯)L时,还原率仍可达到5%0以上〔,3J。3.3制药废水制药废水的特点是有机物浓度高,毒性大,色度深和含盐量高,特别是可生化性差,属难处理的工业废水。李尔场,史乐文等利用以乙酸钙不动杆菌T3株(AeinetobaCterca1CoacetiCnsT3)为受体,恶臭假单胞菌6一51株(Pseudomonasputida6一81),节杆菌4#株(ArthorbacterSp4#)为供体,采用多基因转化受体原生质球构建而成的工程菌LE6Y为工具,以接触氧化方式对制药废水进行处理,结合物化预处理,使得进水c0Dc,从400。。mgL/降到20枷gL/以下,效果十分明显`’4]。某制药厂利用活性污泥法处理合成制药废水中难以去除的持久性有机污染物,接种hXhh工程菌后,处理效率有所提高,曝气池平均处理效率提高1%5,污泥沉降速度快,泥水分离效果好,抗冲击能力强。对新的生产废水仅需3一d4就能适应同。3.2重金属废水重金属废水主要来自矿山、冶金、电解等行业,是一种严重的水体污染源。将基因工程技术应用于重金属废水的治理,就是通过转基因技术,将外源基因转入微生物细胞中表达,使之表现出一些野生菌所没有的优良的遗传性状,如对重金属离子高的富集容量以及(或)对特定重金属离子高的选择性,从而实现对重金属离子高效的生物富集。chen`川等人通过基因工程技术,在E.。011中同时表达H扩转运系统(Mer--TMerP)及谷肤甘肤S一转移酶(GS)T与金属硫蛋白(MT)的融合蛋白(GST一MT),该基因工程菌的抗汞能力显著提高,比原始宿主菌提高7倍多,汞去除率可达到80%以上,且金属络合物如EDTA、柠檬酸盐、氰化3.4染料废水处理染料废水的特点是水量大、色度深、成分复杂、处理难度大。随着技术的发展,染料分子结构日趋复杂,性能越来越稳定,给染料废水的处理带来了更大的困难。常用的生化法,所用微生物都是自然界现存的混合微生物群体,由于各种群之间的相互影响,使处理效果不尽如人意。李尔场等人采用多基因转化技术仁16J构建的多功能工程菌LE砚一LEb厌氧一好氧生化系统处理印染废水,当处于菌体质量浓度为2.09L/,停留时间为1h0,pH为8.0,通气量为1.85L/imn条件下COD去除率为77.%8、脱色率为72.6铲7J。乔庆霞等人利用紫外诱变技术培育出的高效工程菌处理造纸厂次氯酸盐漂白废水,其中氯降解优势菌B04效果最好,较未诱变菌CODcr降解率可提高19.7%1,总氯(Tcl)的去除率可提高全国给水排水技术信息网2009年年会论文集99.86%〔’8〕。吴忆宁等采用在连续流条件下以活性污泥代替纯菌种进行UV诱变,,将这种诱变得到的工程菌用于处理造纸废水。通过与普通驯化的污泥进行比较发现,经诱变的活性污泥更适于降解木质素,且效率较高119〕。4工程菌应用中存在的一些问题工程菌具有独特的优点,其前景很被看好,但现阶段也存在一些影响其大规模应用的问题,如:工程菌的培育是一个十分复杂的过程,需要较为高深的技术;并且,有效降解各种复杂有机污染物的菌种资源库还没有建立起来,束缚了工程菌的合成图。此外,对工程菌应用有可能带来的生态安全问题的研究还不够。工程菌不是自然界中原本存在的,应用过程中有可能会发生像某些外来物种那样的生长失控问题,也可能与其它生物交换遗传物质,产生新的有害生物或增强有害生物的危害性,以致引起疾病的流行〔2`’。再有就是工程菌的降解功能的稳定性问题。工程菌强大的降解性能由其特殊的遗传物质所决定,在细菌生长繁殖的过程中,这种特性有可能随着遗传过程慢慢消失,出现处理效果不稳定的情况。最后,工程菌能否很好地适应复杂的实际水体环境,以及多个工程菌种同时用于处理废水的时候会不会出现拮抗作用等问题都尚未得明确。5结论工程菌虽然在现阶段由于某些原因尚未得到大规模的应用,但是由于其自身所存在的优点使得它成为废水处理当中很有发展前途的技术。因此,应该加强相关理论和实践的研究,使得它成为一种高效并且符合中国国情的废水处理技术,为“节能减排”做出更大的贡献。参考文献〔1〕伦世仪.环境生物工程〔M」.北京:化学工业出版社,2002.309一320.[2」朱智飞,郑敏,熊绪杰我国城市污水处理的现状和研究进展[J].广东化工,2006,33(4):75.〔3j刘德绍,郑强.关于环境生物技术在水污染治理中的研究与应用「J].重庆环境科学,2001,23(1):56一58.仁4〕陈三风,刘德虎.现代微生物遗传学〔川.北京:化学工业出版社,2003.308一316.【5]王海,张甲耀.离子注入在生物强化技术中的应用研究〔J〕.环境科学与技术,2005,28(1):6一8【6」刘录,沈秋英,孔继兰.跨界融合子处理含酚废水的实验研究〔J〕.环境保护科学,2003,29(218):17一9,23.[7〕WatanabeK.,TeranjotoM.,Harayanja5.Stablebioaugmentationofaetivatedsludgewithforeigneataboliegenesharbouredbyanindigenousdomi