活性污泥法降解石油化工廢水的微生物群落研究進展*

李東彧 趙國崢 李長波# 王 碩 鮑明福 劉 爽

(1.遼寧石油化工大學環境與安全工程學院,遼寧 撫順 113001;2.撫順礦業集團有限責任公司工程技術研究中心,遼寧 撫順 113005)

石油化工廢水是石油加工生產過程中所產生的廢水,具有毒性高、排放量大、成分復雜與處理難度較大等特點[1]。隨著人們對石油化工產品的需求逐年增加,石油化工廢水排放量日益增大,已經占據整個工業廢水排放量的10%以上[2],石油化工廢水的高效處理至關重要。

石油化工廢水的處理方法主要包括物理法、化學法、物理化學法和生物法[3]。其中,物理法難以去除水體富營養化的氮磷等污染物;化學法對廢水中油脂的去處能力較差;物理化學法會消耗大量能源及材料,且對水質要求較高。對比上述處理方法,生物法具有成本低、效益高、去除效率明顯以及減少二次污染的優勢,已成為處理石油化工廢水的核心工藝[4]。其中,活性污泥法是石油化工廢水處理中應用最廣泛的生物處理方法[5]。

活性污泥為棕色絮狀污泥,具有極其豐富的微生物群落,由細菌、古生菌、真核生物和病毒組成[6]。其中,細菌是活性污泥群落的主要組成部分,XIA等[7]發現,在正常運行的活性污泥中,代謝活躍的細菌細胞通常占細胞總數的80%左右。活性污泥中不同類群的微生物可以協同降解廢水中污染物,使有機碳去除、硝化與反硝化反應以及強化生物除磷等同時進行[8]。ZHANG等[9]研究發現,石油化工廢水中活性污泥體積分數為25%時,氨氮去除率為76%,生化需氧量(BOD)去除率可達到90%,說明活性污泥對石油化工廢水的處理能力較高。活性污泥主要的降解能力來源于微生物,對活性污泥中微生物群落進行評估,對于理解微生物群體間的相互作用和優化生物降解至關重要。

為深入了解活性污泥中微生物群落結構組成,提高石油化工廢水中污染物的去除效率,本研究對不同類型石油化工廢水中特征污染物及處理該石油化工廢水活性污泥中的優勢菌群進行整理,總結了分子生物技術在活性污泥微生物群落分析中的應用,研究結果為優化石油化工廢水活性污泥處理的工藝條件和運行參數提供參考。

1 石油化工廢水的特征污染物及處理優勢菌

石油化工類產品、半產品以及所需的原材料種類繁多,其廢水處理難度較大。由于化學產品性質和種類不斷更新,石油化工廢水中有毒化學物質的種類不斷改變,導致污染物的物理、化學性質極其復雜,難以去除[10]。不同石油化工廢水具有不同的特征污染物,直接影響著廢水活性污泥法的處理效果,也會導致活性污泥中微生物群落組成有所差別。不同類型石油化工廢水的特征污染物及活性污泥處理優勢菌匯總見表1。

表1 不同類型的石油化工廢水及活性污泥處理優勢菌 Table 1 Different types of petrochemical wastewater and dominant bacteria

由表1可見,石油化工廢水中含有酚類、苯類、氰化物、醛酮類等有毒污染物,特別是含有酚與氰類的廢水毒性明顯,這類有毒污染物處理不當會危害人類健康。觀察不同種類石油化工廢水的特征污染物、COD以及表征物種豐富度的Shannon指數,發現活性污泥物種豐富度與特征污染物相關性較大而與COD濃度相關性較小,表明不同特征污染物會影響微生物群落的多樣性,活性污泥中微生物與特征污染物種類息息相關。

處理石油化工廢水的活性污泥中優勢菌門主要為3種,變形菌門、擬桿菌門與綠彎菌門。高鹽石化廢水中變形菌門相對豐度為71.3%[15],而高堿性合成廢水中變形菌門相對豐度僅為16.9%,說明不同污染物對變形菌門產生一定的促進或抑制作用。尤其堿性條件下,變形菌門的生長受限而綠彎菌門能較好生存,綠彎菌門相對豐度達33.1%[16]。煉油廢水中的擬桿菌門(相對豐度為12.43%)、含酚石化廢水中的厚壁菌門(相對豐度為26%)與高鹽石化廢水中的綠彎菌門(相對豐度為12.58%)是廢水中除變形菌門外相對豐度最大的優勢菌門,而變形菌門、擬桿菌門、綠彎菌門、厚壁菌門與酸桿菌門在不同類型石油化工廢水活性污泥中相對豐度相差較大。由此推斷,活性污泥中微生物群落結構組成總體相似,受污染物種類的影響導致相對豐度不同,主要優勢菌門不會發生變化,但優勢菌屬種類相差較大,表明污染物種類對優勢菌屬的影響高于優勢菌門。

2 特征污染物的微生物降解

2.1 降解酚類、多環芳烴

石油化工廢水中特征污染物主要以多環芳烴和酚類為主,分別以萘及苯酚為多環芳烴及酚類化合物的代表污染物分析微生物的降解機理。在微生物好氧降解過程中,萘首先經羥基化反應,在多組分雙加氧酶或環羥基化雙加氧酶催化下生成順式二氫二醇,而后芳環被順式二氫醇脫氫酶再芳構化形成二羥基化中間體,經氧化形成的鄰苯二酚受水楊醛脫氫酶影響形成水楊酸,成為好氧芳烴降解的主要中間產物。后續降解過程取決于羥基在二羥基化中間體上的位置,在鄰位上有羥基的中間體,二醇內裂解雙加氧酶在兩個羥基之間作用,產生順式二羧酸;而羥基的中間體處于中間位置,則裂解發生在二醇外經雙加氧酶形成2-羥基粘糠半醛。最后,萘中所有環轉化為三羧酸循環(TCA)中間體,這些中間體進入細菌的中央代謝,進一步用于細胞成分組成和能量合成,最終降解為CO2和水[17]。苯酚降解過程與萘相似,苯酚羥化酶將苯酚轉化為鄰苯二酚后,與萘后續降解相同,經多種功能酶產生順式二羧酸循環或TCA,最后生成CO2和水[18]。由此推斷,苯酚和多環芳烴利用羥化酶與雙加氧酶進行羥基化反應,生成鄰苯二酚,經細菌代謝,最后降解為CO2和水。

關于其他酚類物質與多環芳烴的微生物降解機理,LU等[19]研究發現鞘脂單胞菌屬(Sphingomonas)可降解芴、蒽和熒蒽,其中芴的代謝通過9-芴酮途徑進行,形成鄰苯二甲酸和原兒茶酸。熒蒽和蒽的共代謝單羥基化反應與芴的羥基化反應相似。可見,上述降解過程可處理含有兩個及以上苯環的污染物,先通過多環芳烴雙加氧酶、多環芳烴脫氫酶、二羥基多環芳烴脫氫酶等多環芳烴功能基因酶降解,一個芳香環完成降解后,其余芳香環則會以相同方式逐一降解,形成鄰二甲苯后經脫氫酶、變位酶、脫羧酶、水合酶、醛縮酶等功能酶,將污染物最終降解為CO2和水,這類基因酶是微生物降解此類多環污染物的關鍵酶。

在厭氧降解方面,微生物以芳香族化合物作為供電子基質,以硝酸鹽和硫酸鹽為最終電子受體,通過氧化來實現微生物生長,從而參與降解過程[20]。由此推斷,微生物降解酚類物質和多環芳烴應具有雙氧化酶、脫氫酶、輔酶A、變位酶、脫羧酶、水合酶、醛縮酶、異構酶與硫解酶等基因。通過分子生物技術對微生物基因組進行研究,能有效提高微生物對多環芳烴和酚類污染物的降解能力,提高石油化工廢水處理效率。

2.2 降解其他污染物

石油化工廢水中除酚類以及多環芳烴外,還具有氨氮、COD、石油類等污染物。微生物對污染物的降解情況如表2所示。變形菌門具有降解COD、氨氮、磷和酚類化合物等多種污染物的能力;擬桿菌門具有降解COD、氨氮和有機碳的能力;綠彎菌門能降解低濃度苯酚(≤50 mg/L),但苯酚達到200～1 000 mg/L,會導致菌數量減少且降解能力受限[31]。Azoarcus具有脫氮除磷、處理酚類化合物及多環芳烴的能力。根據上述分析可知,同種微生物基因中因含有多種功能酶,可同時處理廢水中多種污染物;不同微生物對同種污染物具有相同的處理效果,如Azoarcus、海小桿菌屬、藤黃色單胞菌屬、拉氏無色桿菌屬、鞘氨醇桿菌屬、嗜麥芽窄食單胞菌屬、鞘脂單胞菌屬、申氏菌、分枝桿菌屬對多環芳烴都具有去除能力,研究對特定污染物具有高效處理效果的微生物更有利于未來石油化工廢水的高效處理。

表2 對不同污染物具有降解功能的微生物菌群Table 2 The functional microorganisms for degrading different pollutants

活性污泥中有些微生物能單獨降解石油化工廢水中的特定污染物,有些微生物可與其他微生物協同提高特定污染物去除率或實現某些新型污染物的降解。SONG等[42]發現Longilinea和Ignavibacterium與芳香族化合物降解有關;Ignavibacterium、Syntrophus、Pelotomaculum可與Methanosaeta共同作用對芳香族化合物進行降解,這些具有共生關系的菌屬在厭氧處理精對苯二甲酸(PTA)生產廢水中,對苯二甲酸酯的降解發揮重要作用。LIU等[43]研究發現海小桿菌屬具有降解多環芳烴能力,協同其他降解菌可降解石油類物質。多種微生物均可降解某種特定污染物,表明各種微生物對同一種污染物的降解具有相同或相似的基因,所以采用分子生物技術對微生物基因進行分析,有助于特定污染物的降解機理研究。

3 活性污泥微生物的分子生物學鑒定技術

微生物檢測技術主要有熒光原位雜交(FISH)技術、高通量測序技術、宏基因組學、宏蛋白組和宏轉錄組等技術。FISH技術用以檢測和計量核酸序列,這種技術可以高度特異性檢測并定量目標序列,廣泛應用于醫學、生物學、環境科學等領域[44]。高通量測序技術具有操作簡單和結果可信度較高等特點,能更加精準地反映樣品中微生物的群落結構[45]。其中MiSeq高通量測序平臺由于數據產生成本太高,目前使用較少[46]。高通量測序技術和宏基因組學方法的快速發展使活性污泥微生物群落組成與功能基因信息分析變得更全面、更加具體且具有較高的分辨率[47],當前主要應用宏基因組學、宏蛋白組和宏轉錄組分析方法分析微生物群落。作為環境微生物學的重要研究手段,宏基因組學研究無需對環境微生物進行分離培養,而是直接分析環境中微生物的脫氧核糖核酸(DNA)來獲知微生物群落的遺傳、功能與生態特性[48]。宏基因組學提取出來的漆酶,處理粗酶提取物或游離酶生物轉化的各種污染物方面顯示出很高的潛力。在大規模生物修復和水處理應用中漆酶受污染介質的復雜組成、高鹽濃度以及pH的限制,影響蛋白質的穩定性、回收和再循環[49]。宏蛋白組是指特定條件下,環境微生物所表達的所有蛋白[50]。應用宏蛋白組可對土壤和沉積物中的微生物進行蛋白鑒定,還可對微生物的功能進行表征,使宏蛋白組的數據分析多元化[51]。宏轉錄組是對某一特定時期、特定環境樣品中全部微生物的核糖核酸(RNA)進行高通量測序,直接獲得該環境中所有微生物轉錄組信息的一種測序技術[52]。

通過分子生物技術,特別是宏基因組學技術,能更加具體全面地分析和測序所有基因序列,從而分析微生物種類、豐富度以及基因功能。通過微生物群落結構的研究,分析不同類型石油化工廢水活性污泥中優勢菌與不同工藝中微生物群落,可為后續提高微生物去除特定污染物的效率提供技術支撐。

4 結論與展望

石油化工廢水活性污泥中主要的優勢菌為變形菌門,其次為擬桿菌門和綠彎菌門,石油化工廢水類型不同,活性污泥中微生物的群落結構具有一定差異。針對石油化工廢水中較難處理的多環芳烴和酚類等污染物,目前已鑒定并培養出多種具有高效處理效果的微生物,少數微生物可通過協同配合進一步提高對污染物的去除效率。通過分子生物技術可以更全面地鑒定并識別微生物中參與污染物降解的功能基因信息,實現對石油化工廢水中特征物質的定向降解,拓寬石油化工廢水生物降解的生物資源,為提高活性污泥工藝的處理效果提供科學依據。

未來針對石油化工廢水活性污泥中微生物群落結構的研究應在以下幾方面展開:(1)采用宏基因組學等分子生物學技術檢測微生物基因,檢索微生物體內有降解石油化工廢水特征污染物的特征基因,通過富集馴化出能降解特定污染物的菌群,提高石化廢水中特定污染物的去除效率;(2)由于生物系統結構會隨著石油化工廢水特性和操作參數不同而產生變化,未來應加強對微生物群落的研究,使微生物更好地適應石油化工廢水的條件,促進微生物生長,為進一步研究菌株降解有毒以及難降解化合物提供依據;(3)結合大數據對處理石油化工廢水的活性污泥進行模型預測,監控活性污泥狀況,保證活性污泥高效運行;(4)進一步研究石油化工廢水毒性與活性污泥以及環境條件的穩定關系,使石油化工廢水處理過程中盡量處于動態平衡,防止處理廢水時因微生物群落的變化或死亡,影響其處理效率;(5)將具有多種降解能力的超級微生物進行集中培養,加強污染物的最大降解能力,減少剩余污泥產量。