MBR高盐废水处理中耐盐微生物研究进展

　　摘要:耐盐微生物是一种新型微生物资源，在膜生物反应器(MBR)含盐废水处理有着重要的作用，与进水盐度和进水类型密切相关。文章对耐盐微生物在MBR处理高盐废水中的研究现状和现有研究发现的耐盐微生物特性对MBR处理高盐废水的影响进行了总结，对该领域存在的问题和不足进行了分析，对下一步可能的研究方向进行了预测，为更好开发这种特殊微生物资源打下基础。

　　关键词:膜生物反应器(MBR);耐盐微生物;高盐废水

　　随着我国工业经济的迅速发展和科技水平的不断提高，高盐度废水的排放量剧增。高盐度废水(以NaCl含量计>1%)来源广泛，如沿海城市对海水的利用，制革厂、石油、印染、石化、制药、冶炼等化工企业排放的废水以及垃圾渗滤液等通常具有高盐度、pH极端、含大量难降解有毒有机物等特点，该类废水所含盐度对微生物的正常生长代谢会产生抑制作用，其有效处理问题是当前研究热点。

　　耐盐微生物因具有特殊的耐盐机制得以在含盐环境中维持正常的生长代谢，并在高盐环境中广泛存在。因此，耐盐微生物对含盐废水的有效处理提供了材料。MBR工艺处理高盐废水中耐盐微生物发挥着积极作用，不仅具有高耐盐特性，还可以在膜生物反应器中应用(接种)耐盐微生物或海洋微生物，以增强系统的生物多样性，提高处理含盐废水的生物降解效率，而且还能降低工艺的运行成本。但耐盐微生物的培养需要较长的时间，且对废水类型具有较高依赖性，难以广泛应用。

　　因此，加强对MBR工艺废水处理中耐盐微生物的研究具有十分重要的作用，一方面高盐废水的有效处理可以实现对此类废水的回收利用，减少水资源的浪费，可减少高盐废水对生态环境带来的巨大压力，对保护环境具有重要意义，另一方面耐盐微生物在含盐废水处理的广泛应用具有较高的应用价值，为MBR稳定高效处理含盐废水提供依据。本文总结了目前耐盐微生物在高盐废水MBR处理的主要应用研究现状，同时对高盐废水中微生物种类与运行效能的关系的研究现状和存在的问题作出了一些探讨，并对MBR处理高盐废水中耐盐微生物研究前进进行了展望。

　　1耐盐微生物特性

　　1.1耐微生物与嗜盐微生物的差异

　　根据微生物对盐浓度的适应程度可分为耐盐(Halotolerant)和嗜盐(Halophilic)两大类群：耐盐微生物是指能耐受一定盐浓度溶液，但在无盐条件下生长最好，其正常生长代谢活动也不需要大量无机盐，NaCl不是其生长繁殖的必要条件，因此该类群也称为非嗜盐微生物(Non-halophilic);嗜盐微生物是指可以在高盐浓度环境下正常进行生命活动的微生物，其生长离不开高盐环境，一定浓度的NaCl是其生长繁殖的必要条件。目前对于废水处理应用中耐盐菌的分类还没有严格的标准，而Lay等人[1]依据耐嗜盐微生物对盐度的依赖性进行了分类。

　　1.2耐盐微生物的耐盐机制

　　对于传统活性污泥，盐度冲击会改变细胞周围渗透压，通过促进膜细胞的渗透交换，从而导致污泥絮体的脱水，严重时甚至发生质膜分离，破坏细胞结构[2]。且高盐度对污泥活性和微生物结构产生抑制或毒性影响，从而有机污染物去处性能下降[3]。通常，大部分定植于活性污泥上的微生物可能不适应高盐环境[4]，但活性污泥通过长期的条件驯化，盐敏感微生物菌群逐渐减少，耐盐细菌开始活动聚集，并成为污泥絮体中的优势物种[5-6]。

　　因此，微生物细胞可以通过驯化机制适应渗透压。此外，也有研究人员通过将耐盐细菌纯化进行分离和富集[7-10]以处理含盐废水，但获得的耐盐微生物在实际含盐废水中的成功应用严格取决于该类菌群在实际废水中的存活和有效代谢。有报道称，驯化后的微生物即使在高盐度冲击下也能平衡细胞内的渗透压或保护细胞内原生质的内部调节机制，这种调节机制包括细胞形成一个新的保护层，聚集了低分子量物质(即糖和氨基酸等)来抵抗细胞外的高渗透压，进而调节新陈代谢[11]，维持细胞的形态、结构和生理功能等。

　　类似地，信欣[12]研究了高盐环境(CaCl2)下腐生葡萄球菌(Staphylococcussaprophyticus)细胞内某些于调渗有关的物质(如氨基酸、蛋白质、K+和季铵化合物(QAC))可能增加，调节内外渗透压以保证细胞的生长繁殖;且菌株在胞内会产生一些新的蛋白，这些蛋白可以参与高盐条件下水分的吸收、离子、糖类、氨基酸和细胞代谢物等物质的转运和运输，并且还具有保护细胞膜的正常生理功能。

　　并且高盐条件(9.0%CaCl2)培养的细胞，其胞内可溶性糖的含量先增加后减少，这表明这些糖类分解释放的能量可供给生物进行生物大分子蛋白质、核酸等的合成，是菌株在高盐条件下能进行正常生命和生理活动的能源保证。也有学者通过耐盐细菌的革兰氏染色信息分析得到[6]，当盐度低于100g/L(NaCl)时，革兰氏阴性菌可能更耐盐，这主要由于革兰氏阴性菌有一种独特的脂多糖和蛋白质外膜，能够阻止一些细胞外物质进入细胞，增加细胞对某些有毒环境的耐受性。

　　2耐盐微生物应用研究现状

　　2.1耐盐微生物在海洋类废水中的研究现状

　　目前海水资源广泛应用于海水养殖、沿海工业应用、海水淡化工艺、海水冲厕等，实现了对海水资源的充分利用。海水应用产生废水的生物处理过程中，耐盐微生物菌群是研究较多且功能特性研究比较独特的微生物之一。

　　目前研究得到该类废水生物处理过程中变形菌门、浮霉菌门和拟杆菌门是三个最主要的菌门。ZHANG等人[13]研究了膜生物反应器处理海水养殖废水的微生物群落，结果发现在3%盐度下反应器中的变形菌门和拟杆菌门最为丰富，其次为酸杆菌门、浮霉菌门、螺旋菌门和厚壁菌门，且反应器对COD的平均去除率均在94.1%以上。其中有研究表明，变形菌[14]和拟杆菌[15]在降解有机污染物方面起重要作用，且被广泛报道在各类废水处理中占主要种类[16-18]，厚壁菌可在含盐废水中进行正常的生长代谢[19]，并能产生抵抗脱水后如其他极端环境的孢子[20]。

　　SONG等人[21]通过海水驯化污泥以处理海水养殖废水，将能够降解难降解化合物的海洋细菌接种到海水活性污泥中，结果发现变形菌门、浮霉菌门、拟杆菌门和厚壁菌门最丰富，其中Phycisphaera和海洋杆菌属是反应器中的优势种，海洋生菌属是一种嗜盐、需氧和化学异养细菌，最常见于海洋环境[22]。

　　由于海水对硝化菌的选择性和高盐抑制作用，只检测到亚硝化单胞菌和硝化螺菌，但该体系中得到四种反硝化菌(Sulfurimonas、Thermogutta、Desulfovibrio、Sedimenticola)，这可能是由于反硝化菌比硝化菌更能抵抗盐胁迫[23]。此外，微生物在高盐环境下还具有其他特性。LI等人[24]采用膜生物反应器处理海水养殖废水中的抗生素，变形菌在抗生素的胁迫下相对丰度相对新上升，而厚壁菌的相对丰度下降，可见变形菌的耐药性增加。

　　2.2耐盐微生物在工业生产废水中的研究现状

　　近年来，工业生产的大力发展和石油开采造成了大量含盐废水的排放。由于该类废水含有高盐浓度和其他有毒化学物质，直接排放进入淡水会导致水生生物死亡、生态系统破坏和饮用水生产成本增加等有害后果。耐盐微生物广泛存在于高盐环境中，结合耐盐微生物对该类废水进行生物处理是目前对高盐废水有效处理的研究热点。ALEJANDRO等人[25]采用膜生物反应器复合系统处理含盐城市污水考察了系统性能和微生物群落结构，结果表明生物反应器在去除有机物方面性能较差，黄单胞菌科和分枝杆菌属为优势菌种，其中黄单胞菌科与氨氧化活性密切相关，而细小杆菌属和醋酸杆菌科与系统中的有机物降解密切相关。

　　CAPPELLO等人[15]在MBR系统处理海洋运输产生的含盐含油废水中共筛出42株菌株，主要为变形菌(α-变形菌和β-变形菌)、放线菌属和拟杆菌属三个类群，其中14株菌株分为7个属(Alcanivorax、Erythrobacter、Marinobacter、Microbacterium、Muricauda、Rhodococcus和Rheinheimera)显示出一个或者多个生物修复的代谢特性。尤其Alcanivorax、Rheinheimera、Rhodococcus和Muricauda表现出较高活性，且这些微生物可在生物修复中发挥重要的生态作用[26]。

　　目前能以烃类为碳源和能源生长的微生物约又100余属、200多种，分属于细菌、放线菌、霉菌和酵母，如芽孢杆菌属、假单胞菌属和假丝酵母属等[27]。其中，在微生物类群中，盐单胞菌属(Halomonas)、海洋杆菌属(Marinobacter)和食烷菌属(Alcanivorax)是高盐度环境中常见的菌种，具有降解多种碳氢化合物(包括原油、柴油、十六烷、萘、芘、二苯并噻吩、水杨酸盐、邻苯二酚和菲等)的潜力;在古细菌中，Heloferax、Haloarchula和Halobacterium在高盐环境中对碳氢化合物的降解起着重要作用[28]。

　　2.3耐盐微生物在食品生产加工废水中的研究现状

　　海产品加工、蔬菜罐头、酱油和榨菜生产等食品加工生产所产生的废水具有高盐、高营养和高有机浓度的特点。大多数耐盐微生物在高盐度条件下仍具有降解有机污染物的特性，对实现高盐有机废水的有效处理起着重要作用。NGUYEN等人[29]采用从酱油废水处理厂获得的高耐盐特性微生物应用于MBR处理海产品加工废水，结果表明系统在2.4%盐度下对溶解性有机物和氨氮的去除率达99%以上，且系统中的耐盐微生物仍具有较高活性。

　　胡殿囯[30]等人从以海产品加工废料为食的招潮蟹肠道中分离得到了Pseudoalteromona、Halominas、Enterobacter、Bacillus和Vinrio为主的变形杆菌门和拟杆菌门细菌，研究得到以这些菌种培育的生物处理系统对高盐煮虾废水具有较高的去除能力，COD和氨氮平均去除率分别达到87%和94%，且能耐受4.1%NaCl浓度。

　　3耐盐微生物特性研究现状

　　3.1耐盐微生物污染物的去除特性

　　生物处理过程通常通过去除有机污染物(即C、N、P、S)来衡量系统运行效率。耐盐微生物除了具有抵抗外界环境的渗透胁迫的特性，还能对环境中的有机物和氨氮等物质作为营养物质进行生物降解，从而降低废水中有机物和氨氮浓度。LUO等人[37]通过对比无盐条件MBR与加盐MBR对有机污染物质的去除性能，研究得到对照MBR的TOC和NH4+-N的去除率都在98%以上，而含盐MBR随着盐负荷的增加，其有机物去除率呈先下降后逐渐增加的趋势。

　　LI等人[24]研究发现α-变形菌在海洋环境中广泛存在，且一些α-变形菌可促进硝化作用，β-变形菌则在有效去除NH4+-N和反硝化方面起重要作用[38-39]。JANG等人在5～20g/LNaCl废水的实验室规模处理中，研究表明随着盐度的增加，氨氮的去除率由87%降至46%，微生物群落结构发生了变化，其中亚硝基单胞菌属是优势菌，负责MBR中有机物的生物降解。

　　4当前耐盐微生物研究存在的问题及建议

　　目前，人们在耐盐微生物处理高盐废水的研究领域取得了一定的进展，并且在高盐废水处理中的运用效果显著。但是，在很多方面都需要进一步的研究和探索。如对耐盐微生物分离筛选的不多，没有形成耐盐微生物的基因库;对耐盐微生物的生理化作用和培养特性、代谢特性研究不多;对耐盐微生物在MBR高盐废水处理中的实际运用性及可大量生产制备程度不高。针对以上问题，建议加强如下两方面研究。1)利用相关分子生物学技术将高盐废水处理中的耐盐微生物分离鉴定，收集有效的微生物资源并建立耐盐微生物的基因库，为其应用研究打下基础。2)深入了解耐盐微生物代谢特性和环境效应，以便在实验研究和实际应用中设计优化运行参数，从而获得最佳的处理效果。

　　参考文献：

　　[1]LAYWCL,LIUY,FANEAG.Impactsofsalinityontheperformanceofhighretentionmembranebioreactorsforwaterreclamation:Areview[J].WaterResearch,2010,44(1):21-44.

　　[2]FERRER-POLONIOE,GARCÍA-QUIJANONT,MENDOZAROCAJA,etal.EffectofalternatinganaerobicandaerobicphasesontheperformanceofaSBRtreatingeffluentswithhighsalinityandphenolsconcentration[J].BiochemicalEngineeringJournal,2016,113:57-65.

　　[3]FRANKVB,REGNERYJ,CHANKE,etal.Co-treatmentofresidentialandoilandgasproductionwastewaterwithahybridsequencingbatchreactor-membranebioreactorprocess[J].JournalofWaterProcessEngineering,2017,17:82-94.

　　[4]AMINMM,KHIADANIMH,FATEHIZADEHA,etal.Validationoflinearandnon-linearkineticmodelingofsalinewastewatertreatmentbysequencingbatchreactorwithadaptedandnon-adaptedconsortiums[J].Desalination,2014,344:228-235.

　　作者：罗玲1，袁野1，郝会超1，陆柳鲜1，唐林旺1，钟常明1，2

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