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低溫微生物在污水處理領(lǐng)域中的運(yùn)用
近年來(lái)有關(guān)低溫微生物的研究日趨增多，基礎(chǔ)研究工作主要集中在低溫菌的分布和降解機(jī)制方面，下面是小編搜集整理的一篇相關(guān)論文范文，供大家閱讀查看。
引言
在自然界中，有些環(huán)境是普通生物不能生存的，如高溫、低溫、高酸、高堿、高鹽、高壓、高輻射等。然而，即便是在這些通常被認(rèn)為是生命禁區(qū)的極端環(huán)境中，仍然有些微生物在頑強(qiáng)的生活著，這些微生物叫做極端環(huán)境微生物或簡(jiǎn)稱為極端微生物。低溫微生物是重要的極端微生物之一，直到 20 世紀(jì) 70 年代才被系統(tǒng)地研究與分類。Morita將低溫微生物分為兩類：一類是生活在低溫下且其最高生長(zhǎng)溫度不超過(guò) 20℃，最適溫度在15℃，在0℃可生長(zhǎng)繁殖的微生物稱嗜冷菌;另一類為最高生長(zhǎng)溫度高于20℃，最適溫度高于15℃，在0~5℃可生長(zhǎng)繁殖的微生物稱耐冷菌[1].
由于耐冷菌比嗜冷菌更能忍受溫度波動(dòng)，因此其在低溫環(huán)境中占據(jù)著獨(dú)特的生態(tài)位。近年來(lái)，低溫微生物在污水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸受到重視[2].
1 低溫微生物的菌種資源
低溫微生物在地球上分布廣泛，主要分布于海洋、極地環(huán)境、冰川、高山凍土等常冷環(huán)境中。此外，還存在于常溫土壤、人工濕地、河流底泥、低溫生物膜、池塘等一般生境。20世紀(jì)70年代以來(lái)，極端環(huán)境微生物已成為微生物學(xué)發(fā)展的新領(lǐng)域和新的資源庫(kù)。低溫微生物具有廣泛的微生物區(qū)系，已發(fā)現(xiàn)的低溫微生物既有真細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌，又有酵母菌、真菌和藻類，其中以真細(xì)菌居多。近年已報(bào)道的部分低溫微生物的門、屬種、革蘭氏類型、最適生長(zhǎng)溫度及其所在生境見(jiàn)表1.低溫細(xì)菌主要涉及6門、30余屬種。其中，以變形菌門中γ-變形菌居多。具體情況如下：藍(lán)藻門(1種)、鞘脂桿菌門(1種)、黃桿菌門(1種)、放線菌門(4種)、厚壁菌門(3種)和變形菌門(24種)。另外，酵母也是較常見(jiàn)的低溫微生物[21].
2 低溫微生物的耐冷機(jī)制
2.1 細(xì)胞膜的適應(yīng)
低溫主要影響細(xì)胞膜中脂質(zhì)雙分子層對(duì)溶質(zhì)的滲透功能，減弱細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收。耐冷菌在低溫條件下生存，主要依賴于細(xì)胞內(nèi)膜流動(dòng)性的調(diào)節(jié)能力，最常見(jiàn)的適應(yīng)是改變細(xì)胞膜中脂肪酸的組成[15,40].飽和脂肪酸在去飽和酶的低溫誘導(dǎo)下會(huì)轉(zhuǎn)化為不飽和脂肪酸，而它的增加會(huì)引起脂類熔點(diǎn)的降低，使細(xì)胞膜保持良好的流動(dòng)性，利于耐冷菌生存[41].Russell等[15]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度由37℃降至8℃時(shí)，厭氧細(xì)菌Clostridium botulinum體內(nèi)不飽和度由27%增長(zhǎng)至40%,這是通過(guò)增加支鏈脂肪酸、不飽和直鏈脂肪酸的數(shù)量，減少環(huán)狀脂肪酸的濃度實(shí)現(xiàn)的。此外，低溫菌還可通過(guò)改變極性頭組的大小和電荷[30]、膜中的蛋白質(zhì)含量、類胡蘿卜素的構(gòu)成[4,42]、短鏈和長(zhǎng)鏈脂肪酸的比例[43]、順?lè)词街舅岬谋壤齕30],增強(qiáng)膜的流動(dòng)性。但上述所有的策略并不均具有效性，例如極性頭組的變化對(duì)于修改膜流動(dòng)性的效果不太明顯[44].Denich等[45]也研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變脂肪酸鏈的長(zhǎng)度來(lái)增強(qiáng)膜的流動(dòng)性只可能發(fā)生在生長(zhǎng)細(xì)胞中。此外，低溫菌適應(yīng)低溫環(huán)境也主要取決于由雙組分信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路組成的膜傳感器和胞質(zhì)反應(yīng)調(diào)節(jié)器參與低溫信號(hào)的感知和轉(zhuǎn)導(dǎo)能力，達(dá)到激活冷調(diào)節(jié)基因的目的[46].
2.2 冷適應(yīng)酶
在低溫環(huán)境下，菌體細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速率會(huì)降低，此時(shí)低溫菌體內(nèi)會(huì)合成具有較高催化效率的冷適應(yīng)酶，以維持足夠的代謝通量[47].迄今為止，獲得的冷適應(yīng)酶主要有核糖核酸酶[24],RNA聚合酶[29],鐵超氧化物歧化酶[35],堿性磷酸酶[48],酪氨酸磷酸酶[49],α-淀粉酶、β-半乳糖苷酶[50],氨肽酶[51],琥珀酸脫氫酶[52],谷氨酸脫氫酶、葡萄糖脫氫酶、木聚糖酶、胰蛋白酶[53]等。Zheng等[35]研究發(fā)現(xiàn)耐冷菌Marinomonas sp. NJ522能產(chǎn)生耐冷型鐵超氧化物歧化酶(Fe-SOD)，分子量約48kDa,該酶在pH 8~10、40℃時(shí)活性最大，在0℃時(shí)能保持最大活性的35%.辛明秀等[52]分離到一種具有催化活性的琥珀酸脫氫酶，該酶的最適反應(yīng)溫度為20℃，但在0℃仍可保持酶活性的20%.
2.3 冷應(yīng)激蛋白質(zhì)。
當(dāng)溫度突然降低時(shí)，低溫菌會(huì)相應(yīng)誘導(dǎo)表達(dá)多種蛋白，最主要的一類稱為冷休克蛋白(CSPs)[54].低溫時(shí)，CSPs 可優(yōu)先結(jié)合單鏈 RNA和 DNA,并作為轉(zhuǎn)錄催化劑或 mRNA 分子伴侶參與細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)錄、翻譯、蛋白折疊以及調(diào)控膜的流動(dòng)性[55].CSPs的基因同系物也已經(jīng)在幾種南極細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)[56],其中最主要的一類冷休克蛋白為CspA.Jiang等[57]研究發(fā)現(xiàn)CspA在低溫時(shí)可作為RNA的分子伴侶并參與hrs和gyr A兩種冷休克基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)。低溫菌在低溫環(huán)境連續(xù)生長(zhǎng)期間產(chǎn)生第二類永久性蛋白，稱為冷適應(yīng)蛋白(CAPs)，它的存在確保了低溫時(shí)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的正常合成[58],保護(hù)細(xì)胞周期及菌體的生長(zhǎng)。Kawahara 等[32]在一株冰核菌 Pantoea ananasKUIN-3體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一種冷適應(yīng)蛋白Hsc 25,該酶在分別經(jīng)過(guò)熱、冷和鹽酸胍處理使其變性后均能夠重折疊酶結(jié)構(gòu)。
2.4 抗凍蛋白
抗凍蛋白(AFPs)是一個(gè)結(jié)構(gòu)多元化的蛋白質(zhì)集團(tuán)，具有修改冰晶體結(jié)構(gòu)的能力[59],抑制細(xì)胞外冰晶體的重結(jié)晶[60].AFPs普遍存在于長(zhǎng)期生活在冷水里的魚體內(nèi)，防止魚體內(nèi)血液的凝固。
Yamashita等[39]于2002年發(fā)現(xiàn)了第一例產(chǎn)AFP的南極菌株Moraxella spGilbert等[36]在從南極冰湖中分離獲得的11株細(xì)菌體內(nèi)均發(fā)現(xiàn)含有AFPs, 其中Marinomonas primoryensis產(chǎn)生一種Ca2+依賴型AFPs[61],一般的AFPs具有較差的冰點(diǎn)下降活性，而Ca2+依賴型AFPs具有較好的冰點(diǎn)下降活性，可使冰點(diǎn)下降超過(guò)2℃，在熱滯后過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生明顯的冰晶。因此，AFPs對(duì)于長(zhǎng)期生活在極端寒冷環(huán)境中的微生物具有不可替代的重要性。
2.5 冷凍保護(hù)劑
冷凍保護(hù)劑是一類化學(xué)物質(zhì)，而低溫菌先天具備合成各種不同冷凍保護(hù)劑的能力，如糖類、氨基酸、甜菜堿等，它們的存在一方面能夠阻止蛋白質(zhì)的低溫誘導(dǎo)聚合。另一方面冷凍保護(hù)劑能夠維護(hù)膜的最佳流動(dòng)性[62].海藻糖是對(duì)抗熱沖擊和滲透脅迫的一種重要保護(hù)劑[63],通過(guò)更換細(xì)胞中的水分保持細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，同時(shí)保護(hù)細(xì)胞內(nèi)的水結(jié)構(gòu)[64].外源海藻糖有助于保護(hù)有機(jī)體，使其免遭凍結(jié)，當(dāng)海藻糖剛好處于細(xì)胞膜兩側(cè)時(shí)，對(duì)細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生最大程度的保護(hù)功能[65].
Ko 等[66]證實(shí)了低溫時(shí)三甲基甘氨酸對(duì) Listeriamonocytogenes具有促生長(zhǎng)的作用。Angelidis等[13]在生存于低溫環(huán)境下的食物病原體Listeria monocytogenes中發(fā)現(xiàn)了甜菜堿這種冷凍保護(hù)劑，但尚未弄清甜菜堿的作用機(jī)理，可能是作為化學(xué)伴侶蛋白，防止細(xì)胞蛋白質(zhì)在壓力條件下的聚合。
2.6 RNA的降解
降解體是多種核糖核酸蛋白絡(luò)合物，是保持細(xì)胞RNA穩(wěn)定性的決定要素。南極細(xì)菌Pseudomonas syringae的降解體中包含核糖核酸內(nèi)切酶RNAse E、核糖核酸外切酶RNAse R及RNA解旋酶，其中RNAse R 可以降解大量的RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)，減少了ATP的消耗，從而在低溫時(shí)幫助細(xì)胞保存能量，而RNAse E與RNAse R之間的作用相關(guān)性尚未明確[67].
3 低溫微生物在污水處理中的應(yīng)用
一般認(rèn)為，利用生物法處理污水時(shí)占主導(dǎo)地位的是中溫菌，其最適生長(zhǎng)溫度為25~37℃，但在污水溫度一般為5~10℃的寒冷地區(qū)，中溫菌的活性大大降低，使得污水處理效果差，出水無(wú)法達(dá)標(biāo)排放[68],然而由于耐冷菌具有特殊的生理特征、低溫催化活性，利用其對(duì)寒冷地區(qū)污水進(jìn)行治理，已引起研究者們的興趣，近年來(lái)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道也較多[14,69-71].
3.1 對(duì)COD、氮磷廢水的降解
常見(jiàn)污染物一般指污水中含有的COD、氮和磷。污水中一般含有較多的氮和磷。這三類污染物一般均采用生物法處理。Chevalier等[3]分離到4株耐冷絲狀藍(lán)細(xì)菌，該類菌在低溫環(huán)境時(shí)對(duì)氮和磷均有較高的去除率。李荷等[22]篩選到耐冷有機(jī)磷農(nóng)藥降解菌Plesiomonas sp.SA-8,利用其降解甲基對(duì)硫磷，在最適溫度20℃時(shí)降解率高達(dá)93%,當(dāng)溫度位于 10℃時(shí)，降解率也可達(dá)到66.2%.李明堂等[38]研究了土著反硝化菌Acinetobacter johnsonii DBP-3對(duì)低溫富營(yíng)養(yǎng)化水體中典型營(yíng)養(yǎng)鹽的去除特征，結(jié)果表明，在避光、10℃和靜置條件下培養(yǎng)，菌株對(duì)模擬系統(tǒng)中的氮磷和溶解性有機(jī)碳具有明顯的去除作用。徐巧等[72]篩選出1株耐冷菌，在5℃曝氣8 h條件下，對(duì)接種廢水的COD、氨氮去除率均在90%以上。李慧峰等[73]研究了2株耐冷細(xì)菌對(duì)污水CODCr的降解效果，去除率分別達(dá)23%和53%.孫靜等[74]篩選出1株耐冷菌，在 8℃條件下，該菌株對(duì)模擬污水中的COD、總磷和氨氮的降解率分別達(dá) 62.92%、56.42%和50.63%.
3.2 對(duì)石油烴類廢水的降解
石油烴類污染物中含有大量不溶于水的物質(zhì)，在低溫下時(shí)常呈固態(tài)存在，加大了降解難度。中溫微生物無(wú)法在低溫環(huán)境下發(fā)揮作用，而從各種土壤、淡水和海洋系統(tǒng)中分離的低溫微生物能高效利用自然環(huán)境中存在的各種石油烴類污染物，并將其作為惟一的能源和碳源[75,76].
Whyte 等[20]分離到菌株 Rhodococcus sp.Q15,該菌在 5℃條件下能高效降解多種短鏈烷烴及十六烷、二十八烷以及環(huán)己烷衍生物等。Lin等[31]分離到石油烴降解細(xì)菌Pseudoalteromonas sp. P29,該菌在5℃條件下具有對(duì)混合油和真空油作為唯一碳源和能源的能力，并對(duì)混合油顯示出更高的利用率。
3.3 對(duì)芳香烴類廢水的降解
芳香烴類化合物是苯及其衍生物，如苯酚、甲苯、萘、菲等，一般難以被微生物降解，但仍有研究表明能夠分離到具有較高降解該類污染物效率的耐冷菌。Churchill等[8]分離到耐冷分支桿菌Mycobacterium,該菌可降解三環(huán)、四環(huán)芳香脂肪烴類化合物。Chauret等[25]篩選出反硝化耐冷細(xì)菌Pseudomonas fluorescens,該菌可在低于10℃的條件下降解鄰苯二甲酸;Robert等[77]分離到1株能夠降解高分子多環(huán)芳香烴的耐冷菌。Margesin等[21]從受到烴類污染物污染的高山土壤中分離到4株低溫微生物，2株Rhodococcus sp.,2株Basidiomycetous yeasts,均可降解高含量苯酚。其中，1株酵母屬?gòu)膶儆阡P菌綱，它可能代表著一個(gè)新物種，在溫度高于20℃時(shí)不能生長(zhǎng)，在1℃時(shí)降解含量為 5 mM 的苯酚，速率高于兩種耐冷細(xì)菌在10℃時(shí)的。
3.4 對(duì)氯酚類廢水的降解
氯酚類物質(zhì)是重要化工原料，具有抗菌和消毒功能，被廣泛用于農(nóng)藥、防腐和造紙工業(yè)中，屬于較難降解的有機(jī)物且水溶性較高，導(dǎo)致了許多河流、土壤等自然生態(tài)系統(tǒng)受到污染。大量研究表明，耐冷菌中的一些菌種能夠降解存在于低溫土壤、沉積物和水體中各種構(gòu)型的氯酚類物質(zhì)。
Zilouti等[78]從受到五氯苯酚污染和農(nóng)藥污染的土壤中分離到幾株耐冷高效氯酚降解菌并接種到流化床和生物反應(yīng)器中，凈化地下水中的氯酚污染，結(jié)果表明：這2種反應(yīng)器分別在14℃和(23±1)℃下，氯酚負(fù)荷為11 mg/L·h時(shí)，氯酚去除率均能達(dá)到99%以上。
3.5 對(duì)表面活性劑廢水的降解
表面活性劑廢水中含有的首要污染物L(fēng)AS屬于生物難降解物質(zhì)，我國(guó)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中把它列為第二類污染物質(zhì)，若不經(jīng)處理直接排入水體，將造成湖泊、河流等水體的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題[79].胡浩等[16]分離到蒼白桿菌Ochrobactrum sp.T-1和伯克霍爾德菌Burkholderia B-2,并利用這2株菌進(jìn)行對(duì)TritonX-100和Brij-35的降解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：T-1的最適生長(zhǎng)和降解溫度為25℃，但低溫對(duì)菌株的影響較小，其降解率在15℃時(shí)可達(dá)到80%;B-2的最適生長(zhǎng)和降解溫度為30℃，低溫會(huì)抑制菌株生長(zhǎng)，但對(duì)降解率的影響很小。
4 固定化微生物處理廢水
由于低溫環(huán)境使得大部分微生物的新陳代謝處于抑制狀態(tài)，利用懸浮態(tài)耐冷菌群降解水中的污染物質(zhì)，效果不是很明顯[80],并且在實(shí)際應(yīng)用中抗沖擊性較差，達(dá)不到理想效果。固定化技術(shù)能使生物量在處理裝置內(nèi)維持高濃度，提高處理負(fù)荷，并且抗毒物毒性強(qiáng)，對(duì)水質(zhì)及pH的變化有較好的抗沖擊性[81].關(guān)于固定化微生物的應(yīng)用研究，國(guó)內(nèi)外已有報(bào)道基本集中在工業(yè)廢水和城市污水的處理研究領(lǐng)域，并且國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的實(shí)驗(yàn)研究較多[82-85].
Jae-Koan[86]等的研究結(jié)果表明，固定化微生物在30~40 d的操作過(guò)程中，對(duì)NH3-N的去除達(dá)到了100%.賁岳等[87]為確保寒冷地區(qū)污水生物處理系統(tǒng)的有效運(yùn)行，接種耐冷微生物在6~10℃時(shí)處理生活污水，COD的去除率達(dá)到86.7%.葉姜瑜等[88]分離到可低溫降解植物油的菌株，使用泥炭和木屑作為固定化載體，在5℃條件下對(duì)模擬含油廢水進(jìn)行處理，結(jié)果表明 3 d 后降解率達(dá)到77.34%,5 d后達(dá)到85.22%.褚可成[89]利用聚氨酯泡沫作為固定化載體并投加到原污水中處理10d,污水中COD、SS和BOD的去除率分別達(dá)到了75.7%、87.1%、55.6%.徐成斌等[90]研究了顆粒活性炭固定鮑氏不動(dòng)桿菌對(duì)硝基苯的降解情況，結(jié)果表明固定化生物活性炭可在84 h基本完全降解濃度為400 mg/L的硝基苯。耿振香等[91]采用聚乙烯醇-硼酸包埋固定硝化菌和反硝化菌，對(duì)生活污水進(jìn)行硝化反硝化工藝處理，最終氨氮去除率高達(dá)96%.魏小娜等[92]將固定化微生物顆粒按20%的填充率裝填到自制反應(yīng)器中處理模擬污染地表水，最終COD去除率達(dá)到62.3%,氨氮去除率高于90.6%.
5 結(jié)語(yǔ)
近年來(lái)有關(guān)低溫微生物的研究日趨增多，基礎(chǔ)研究工作主要集中在低溫菌的分布和降解機(jī)制方面。低溫微生物的研究不僅拓寬了人們對(duì)低溫微生物的認(rèn)識(shí)，也豐富了微生物資源。但是低溫微生物的抗低溫機(jī)制目前尚不完全清楚，有待于進(jìn)一步深入地研究。低溫微生物的應(yīng)用研究相對(duì)較少。相信隨著研究持續(xù)深入以及固定化生物工程技術(shù)的充分利用，低溫微生物在污水處理的應(yīng)用將有廣闊的前景。
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