（环境工程专业论文）抗生素废水生化处理研究.pdf

k jj囊ii-l1 o，j蕾j强聱 r基弘舻嚣；氧0 at h e s i si ne n v i r o n m e n g t a le n 西n e e n g 1 h1j 1n k e s e a r c n0 nt n eb 1 0 c n e m l c a it r e a t m e n t0 f j ljo a n t ld 1 0 t l cw a s t e w a t e r b y d uw r e n t a o s u p e i s o r ：，惝d ，勋l 拗口刀g n o r t h e a s t e mu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 l ， 嬲 罄；。蝴 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 扭久哮 日期： 瓣7y 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年吖 学位论文作者签名：舡戈涛 签字日期：d 6 l - 严 聊躲派吓呷坳 签字日期： 矿扩、 1 v ，1 ，。 广 、l l ，钆o 东北大学硕士学位论文 摘要 抗生素废水生化处理研究 摘要 抗生素对某些病原微生物具有抑制或杀灭作用，是大家公认的二十世纪最 伟大的医学发现，但是在生产抗生素的过程中会产生大量的高浓度有机废水，其 特点是有机物浓度高、存在生物毒性物质、色度高、p h 值波动大等，是治理难 度大的有毒有机废水之一；另外，抗生素非正常流入环境，为生态环境埋下了安 全隐患。 本课题目的为筛选和驯化高抗药性和降解性菌体，对其培养条件进行优化， 并对其抗药性能、降解性能，及其受紫外线诱变的影响进行系统研究。 从东北制药厂污水处理站的活性污泥中分离出一株抗药性强，稳定性能好的 菌株，命名为s h 5 。通过改变培养基组成、培养时间、温度、p h 、通氧量等条 件，确定了s h 5 的最佳降解条件：在1 0 0 0 m g l 的氯霉素模拟废水中分别加入 营养物质葡萄糖1 l ，n h 4 n 0 3 1 9 l ，c a c l 2 、m g s 0 4 7 h 2 0 、n a c l 各o 3 9 l ， k h 2 p 0 4 0 5 9 l ，并调节p h 值为6 ，在2 5 ，1 6 0 r m i n 的空气浴震荡器中培养7 2 小时时，菌体降解氯霉素的效率最高，为6 4 2 8 。 与普通菌体不同，由于s h 5 号菌体的培养基中含有对茵体具有抑制、杀灭 作用的氯霉素，所以其生长周期相对较长，指数生长期比重较大；从被氯霉素抑 制到逐渐降解氯霉素是一个漫长的过程。 通过紫外线诱变对菌体进行抗药性能和降解性能改善实验，结果表明：菌体 降解抗生素的性能没有得到显著提高，而且变化不规律；降解效率并没有随着紫 外线照射时间的增加提高或降低，而是呈随机性发展。从显微镜下菌体的形态图 可以看出：菌体的抗药性能和降解性能并不是随着其形态变化而改变。 关键词：抗生素废水菌种驯化抗药性水处理 一村钆0 产 a b s t r a c t a m t i b i o t i c sp l a yt h er o l e0 fi n l l i b i t i n go rk i l l i n gc e r t a i np a t h o g e n i cm i c r o b e s ，i ti s r e c o g n i z e db ya nt h e2 0 t hc e n t i l r ) ，s 黟e a t e s tm e d i c a ld i s c 0 v e r ) r b u tt h e r ca r ea l o to f h i 曲c 0 n c e n t r a t i o n so fo r g 锄i cw 弱t e w a t e ri nt h ep r o d u c t i 彻o f 柚t i b i o t i c s a n di t i s c h a r a c t e r i z e db yh i 曲c o n c e n t r a t i o n so fo r g a n i cc o m p o u n d ，t h ee x i s t e n c eo ft o x i c s u b s t a n c e s ，h i g l l c o l o r ，l a r g en u c t u a t i o n so fp hv a l u e s oi t i st o od i 彤c u l tt ot r e a ta s o n eo ft h et o x i co r g a n i cw a s t c w a t e r i na d d i t i o n ，t h en 0 n - n o 姗a lf l o wo fa n t i b i o t i ci n e n v i r o n m e n tw i l ll a yap o t e n t i a ls a f c t yp r o b l e m sf o r t h ee c o l o 酉c a le n v i r o n m e n t t 1 l ep u 印o s eo ft h es u b j e c lw 弱t 0s c r e e n 柚dd o m e s t i c a t eh i g l l r e s i s t a i l ta l l dh i 曲 d e 黟a d a t i o nb a c t e r i a ，t h e nt 0o p t i l l l i z et h ec u l t u r ec o n d i t i o n s 1 tm a d e as y s t e m a t i c s t u d y0 ni t sr e s i s t a n c ea n dd e 笋a d a t i o np e r f o m a n c e ，孤d ar e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c e 0 fu l t r a v i o l e tr a d i a t i o nt ot h eb a c t e r i a a h i g h d n l 分f a s ts t r a i nn a m e df o rs h 一5w a ss e p a r a t e d 行o mt h ea c t i v a t e ds l u d g e i nt h es e w a g et r e a t m e n ts t a t i o no fn o n h e a s tp h a m a c e u t i c a lf a d o 够b yc h a n 酉n gl h e c o m p o s i t i o no ft h em e d i u m ，t r a i n i n gt i m e ，t e m p e r a t u r e ，p ha n do x y g e n c o n d i t i o n s ，t h e b e s t t r a i n i n g c o n d i t i o n so fs h - 5w a sd e t e m i n e d i tw a t l l a t a d d i n g酉u c o s e 1 叽n h 4 n 0 3 1 9 l ，c a c l 2 m g s 0 4 7 h 2 0 ，n a c lo 3 驰i ( h 2 p 0 4 0 5 9 li 1 1 t ol 咖g l c h l o r a m p h e n i c o ls t i m u l 觚tw a s t e w a t e r ，锄da d j u s t i n gt h ep h v a l u ef 研6 ，t e m p e r a t u r c f o r2 5 ，r o t a t es p e e df o r1 6 0r m i n ，t r a i n i n gt i m ef o r 7 2h o u r 1 1 1 er e s u l ta sf o l l o w s ： h i g l l e s te f f i c i e n c yo f b 拟e r i a ld e 伊a d a t i o nw a s6 4 2 8 t h e 铲o 、以hc y d eo f s h 5w 舔r e l a t i v e l yl o n 岛a n dt h ep r o p o n i o no fe x p o n e n t i a l 铲o w i n gw a sl a r g e t h er e a s o na sf o l l o w s ：t h em e d i u mh a dc h l o r a m p h e n i c o lw h i c h c o u l di n h i b i tt h eg r o w t h0 ft h eb a c t e r i a s oi tw a sas l o wp r o c e s s 仃o mi n h i b i t e db y c h l o r a m p h e n i c o lt ot h eg r a d u a ld e g m d a t i o n o fc h l o r a m p h e n i c 0 1 i tm a d eae x p e r i m e n tw h i c hd c v e l o p e dd n l 争f a s tp c r f b 珊粕蛐dd e 黟a d a t i o no f t h eb 拟e r i ab vu v i n d u c c d 1 k 陀辄n ss h o w e dt h a tt h c 锄l i b i o l i cd e 铲a d a t i o no f b a c t e r i a lh a dn o tb e e ns i 印i f i c 锄t l yi n c r e a s e d c h 柚g c sw c 托i 玎c g l l l 她d e 黟a d a t i o n0 f e f ! f i c i e n c vd i dn o ti n c r e a c co r 僦1w i 也 t h eu l t m v i o l c ti i r a d i a t i o nt i m c hh a d 东北大学硕士学位论文a b s t r c a t r 柚d o m i c i t y i t w 弱l 【i l o w n 舶mt h ef 0 肌o ft h e b a c t e r i a lt h a tt h e d n l 分f a s t p e 血m a n c ea n dd e g r a d a t i o no ft h eb a c t e r i ad i dn o tc h a n g ew i t ht h ec h a n g eo ft h e f b n n k e y w o r d s ： a n t i b i o t i c w a s t e w a t e r ， b a c t e r i a l d o m e s t i c a t e d ，d r u g - f a s t p e r f b r m a n c e ，w a s t e w a t e rt i e a t m e n t - - _ - _ _ _ - 一 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 抗生素废水生化处理研究i i 摘要i i a b s t r a c t i i i 飞 目录v 第1 章绪论1 1 1 抗生素简述1 1 1 1 抗生素及其发展史l 1 1 2 抗生素生产及使用过程的安全隐患2 1 2 抗生素废水水质特征概述4 1 3 抗生素废水处理方法概述5 l3 1 国内外研究现状5 1 3 2 生物强化技术简述6 1 4 微生物在水处理中的应用概述7 1 4 1 微生物在水处理中的应用7 1 4 2 微生物抗药性产生机理9 1 - 5 研究意义1 0 1 6 主要研究内容1 1 1 7 技术路线1 l 第2 章实验材料与研究方法1 3 2 1 实验材料与设备1 3 2 1 1 实验常用药品1 3 2 1 2 实验仪器与设备1 4 2 2 菌体驯化、筛选及培养方法1 4 2 2 1 菌种来源1 4 2 2 2 实验水样1 4 2 2 3 培养基制各1 5 2 2 4 菌体的筛选与驯化1 7 2 3 菌体培养条件优化实验1 8 2 4 菌体紫外诱变实验方法1 9 2 5 菌体培养液的特性研究1 9 2 5 1 微生物量的测定1 9 东北大学硕士学位论文目录 2 5 2 生长曲线的测定1 9 2 5 3 培养液最佳用量的确定1 9 2 6 菌体特征观察1 9 2 6 1 菌株的个体形态观察1 9 2 6 2 革兰氏染色1 9 第3 章抗生素降解菌的筛选与驯化2 1 3 1 菌体筛选驯化结果2 l 3 1 。l 第一驯化阶段培养基2 1 3 1 2 第一二驯化阶段培养基2 l f 3 1 3 菌体形态特征2 1 3 1 4 菌体复筛结果2 3 3 2 小结2 4 第4 章菌株对抗生素废水的降解性能研究2 5 4 1 菌体对抗生素废水的降解性能研究实验结果2 5 4 1 1 碳源对菌体生长及其降解性能的影响2 5 4 1 2 氮源对菌体生长及其降解性能的影响2 6 4 1 3 无机盐对菌体生长及其降解性能的影响2 8 4 1 4p h 值对菌体生长及其降解性能的影响3 4 4 1 5 培养温度对菌体生长及其降解性能的影响3 5 4 1 6 培养时间对菌体生长及其降解性能的影响3 7 4 1 7 摇床转速对菌体降解性能的影响3 8 4 1 8 优化结果3 9 4 2 小结3 9 第5 章抗生素废水降解菌的特性研究及紫外诱变研究4 l 5 1 菌体特性研究结果4 l 5 l1 菌体生长曲线4 1 5 1 2 接种量对菌体降解性能的影响4 2 5 1 3 营养物浓度对菌体降解性能的影响4 3 5 2 紫外诱变对菌体降解性能的影响4 4 5 3 小结4 7 第6 章结论与建议4 9 6 1 结论4 9 6 2 建议4 9 参考文献5 l 致谢翳 r 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 抗生素简述 第1 章绪论 1 1 1 抗生素及其发展史 抗生素是微生物学史上最伟大的成就之一。很早以前，人们就发现某些微生 物对另外一些微生物的生长繁殖有抑制作用，把这种现象称为抗生。随着科学的 发展，人们终于揭示出抗生现象的本质，从某些微生物体内找到了具有抗生作用 的物质，并把这种物质称为抗生素，如青霉菌产生的青霉素，灰色链丝菌产生的 链霉素都有明显的抗菌作用。所以人们把由某些微生物在生活过程中产生的，对 某些其他病原微生物具有抑制或杀灭作用的一类化学物质称为抗生素1 1 j 。 纵观抗生素的发展史，抗生素的研究、生产大体可分三个发展阶段： ( 1 ) 天然抗生素的发展阶段 19 2 8 年，英国科学家砧e xa n d e rr e m i n g ( 1 8 8 1 1 9 5 5 ) 偶然发现了青霉素 ( p e n i c i l l i n ) 。19 3 8 年，c h a i n 和f l o r e y 等科学家又成功地从点青霉( p e n i d l l i u mn a t u r e ) 的培养液中分离制得青霉素。4 0 年代初期，随着培养方法的改良，青霉素的 生产成本大幅度下降，从而很快开始了大规模的工业化生产，产量迅速增加【4 9 】。 由于青霉素的发现，挽救了无数感染性病人的生命，被当时的人们誉为黄色的魔 物，科学家r e m i n g 、h o r c y 和c h a i n 因此同时获得了1 9 4 5 年诺贝尔医学生理奖。 之后，一系列新抗生素如链霉素( 1 9 4 5 ) 、氯霉素( 1 9 4 7 ) 、金霉素( 1 9 4 8 ) 、新霉素 ( 1 9 4 9 ) 、土霉素( 1 9 5 0 ) 、红霉素( 1 9 5 2 ) 等相继被发现刚，对如肠伤寒、斑疹伤寒 及赤痢等有特效。随着抗生素的广泛应用。细菌对抗生素的耐药性问题也日益引 起人们的关注。例如青霉素g 开始使用时只有8 葡萄球菌对它有耐药性，而到 了1 9 6 2 年，耐药的葡萄球菌增加到7 0 ，呈现逐年上升的趋势【5 1 】。因此，对抗生 素的结构改造及其衍生物的研究显得日益重要。 ( 2 ) 半合成抗生素的发展阶段 1 9 5 8 年，发现了青霉素的活性母核川氨基青霉烷酸( 6 a p a ) ，并通过 6 觚的酰化反应合成了一系列新的青霉素。随后，对头孢菌素c 结构进行改造 研究，分离出母核7 一氨基头孢霉烷酸( 1 a q 吣。目前，大多数半合成头孢菌素 均为母核7 a c a 中的7 位氨基酸及3 位乙酰甲基进行化学改造制得的衍生物。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 9 6 0 年，通过对四环类抗生素、氨基糖甙类抗生素、大环内酰抗生素、利福平 类抗生素等相继进行化学改造，获得了大量具有抗菌谱广、抗菌活力强、稳定、 毒性小、易吸收等优点的半合成抗生素。目前，半合成青霉素和半合成头孢菌素 品种已不下7 0 个。 ( 3 ) 药理活性物质的发展阶段 8 0 年代后，又出现了抗生素发展的第三个高峰，这一时期发现的新抗生素 的特点是酶抑制剂、免疫调节剂、抗肿瘤活性物质、杀虫剂等药理活性物质占有 相当大的比例。 每种抗生素都有一定的抗菌范围，不能抑制所有致病菌，这种抗菌范围叫抗 菌谱。广谱抗生素是指抗菌谱比较宽的药物，简单说就是能够拮抗大部分细菌的 药物，而窄谱抗生素是专门杀灭某一种或一类细菌的药物圈。本课题中研究的氯 霉素属于典型的广谱抗生素。氯霉素( c h l o r a m p h e n i c o l ，c h l o r o m y c e l i n ) 是由委 内瑞拉链丝菌产生的抗生素，分子中含有氯。氯霉素对革兰阳性、阴性细菌均有 抑制作用，且对后者的作用较强。其中对伤寒杆菌、流感杆菌、副流感杆菌和百 日咳杆菌的作用比其他抗生素强，对立克次体感染如斑疹伤寒也有效，但对革兰 阳性球菌的作用不及青霉素和四环素。其抗菌作用机制是与核蛋白体5 0 s 亚基 结合，抑制肽酰基转移酶，从而抑制蛋白质合成。各种细菌都能对氯霉素发生耐 药性，其中以大肠杆菌、痢疾杆菌、变形杆菌等较为多见，伤寒杆菌及葡萄球菌 较少见。细菌对氯霉素产生耐药性比较慢，可能是通过基因的逐步突变而产生的， 但可自动消失。细菌也可以通过r 因子的转移而获得耐药性，获得r 因子的细 菌能产生氯霉素乙酰转移酶( a c e t v l t r 柚s f e r 弱e ) 使氯霉素灭活。 1 1 2 抗生素生产及使用过程的安全隐患 抗生素是大家公认的二十世纪最伟大的医学发现，抗生素真正用于临床是 1 9 4 1 年。抗生素6 0 年左右的发展，前3 0 年是比较好的，后3 0 年由于细菌、病毒等 微生物对抗生素的耐药性，人类面临着不断的挑战。2 1 世纪的人类将面临着三大 病原微生物的威胁：耐多药的结核菌、艾滋病病毒、耐药菌株，其中耐药菌的发 展速度令人触目惊心，其原因就是滥用抗生素网。比如现在就是使用几百万单位 的青霉素效果也不是很好。甚至有一部分悲观的学者认为，如果不有效地加以控 制，二十一世纪人类可能是去抗生素这一有利的治疗武器，重新回到没有抗生素 的时代，即所谓：“后抗生素时代。 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 近年来，世界抗生素市场的平均年增长率为8 左右，全球抗生素的市场分 额约为2 5 m 2 6 0 亿美元，各大制药企业纷纷投入巨资进行抗生素药物的研发，使 抗生素新品不断出现。在中国医药市场中，抗感染药物已经连续多年位居销售额 第一位，年销售额为2 0 0 多亿元人民币，占全国药品销售额的3 0 ，全国6 7 0 0 国 家药品生产企业中，有1 0 0 0 多家生产各类抗生素。 我国是生产和使用抗生素最多的国家之一，仅青霉素工业盐的年发酵产量就 达2 8 万吨，占全世界市场份额的6 0 ；同时头孢菌素类产品的产量也位居全球 第一。我国临床上基本每一个科室、每一个专业的一生都在使用抗生素，其使用 量占医院所有药品用量的3 0 5 0 【4 j 。 目前，我国门诊感冒患者约有7 5 应用抗菌药物，外科手术应用抗菌药物的 情况更是高达9 5 ，住院患者的抗菌药物应用率为7 9 ，远远高于英国的2 2 和 世界各国平均水平的3 0 。相关数据显示，我国是世界上滥用抗菌药物最为严重 的国家之一，由此造成的细菌耐药性问题日益突出。临床分离的一些细菌对某些 药物的耐药性已居世界首位【5 2 j 。 专家分析，抗菌药物的使用不当，非但会加速抗药性微生物的进化，更会危 及人体健康。在我国的8 0 0 0 万残疾人中，1 3 有听力残疾，其中7 成以上的致聋原 因与使用过氨基糖甙类抗菌药物有关。 除人类滥用抗生素外，抗生素的非正常流入环境也是很重要的因素。抗生素 生产主要包括菌种制备及菌种保藏、培养基制备与灭菌及空气除菌、发酵工艺与 设备、发酵液的预处理和过滤、提取工艺和设备、干燥工艺与设备等网，采用 常规的微生物发酵法生产抗生素过程中产生大量发酵残液，其中不但存在大量的 菌丝体、蛋白质和悬浮微粒等杂质，有机物浓度高。同时，由于发酵液中抗生素 得率仅o 1 3 ，且分离提取率仅6 0 7 0 ，所以在发酵废水中残留了一定量的抗 生素产品，而抗生素本身具有很高的抗菌性，半衰期长。若直接排入水体，破坏 生态，甚至可能对环境形成残毒效应。而抗生素药厂的污水排放是抗生素进入环 境的重要渠道之一，而且细菌耐药产生的速度远远快于我们新药开发的速度，没 有抗生素使用，人类将再一次面临很多感染性疾病的威胁，长此以往，我们可能 会退回到七、八十年代以前的状态。比如，结核病是结核杆菌引起的传染病，很 多年前大家觉得控制得非常好，但是现在耐药的结核菌非常多，治疗起来就很困 难。这就可能引起死亡率的增加，而且治疗耐药性结核花费的社会资源是治疗一 个非耐药结核的十倍以上，造成的社会负担是非常重的。这不光是我们国家的问 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 题，也是个全球性的问题。 1 2 抗生素废水水质特征概述 抗生素的生产包括生物发酵、过滤、萃取结晶、化学提取、精制等过程。在 生产抗生素的过程中会产生大量的高浓度有机废水，其特点是有机物浓度高、存 在生物毒性物质、色度高、p h 值波动大等，是治理难度大的有毒有机废水之一。 具体地讲，有以下特征： ( 1 ) c o d 浓度高( 5 0 0 0 8 0 0 0 0 m g l ) ，是抗生素废水含有的主要污染物之 一。其中主要组成为发酵残基质及营养物、溶媒提取过程的萃余液、经溶媒回收 后排出的蒸馏釜残液、离子交换过程排出的吸附废液、水中不溶性抗生素的发 酵滤液以及染菌倒罐废液等。这些成分在废水中浓度较高，如青霉素废水c o d 浓度为1 5 0 0 0 8 0 0 0 0 m g l ，因此不宜直接采用好氧生物法处理。 ( 2 ) 废水中s s 浓度高( 5 0 0 2 5 0 0 0 m g l ) 。其中主要为发酵的残余培养基 质和发酵产生的微生物丝菌体。 ( 3 ) 存在难生物降解物质和有抑菌作用的抗生素等毒性物质。由于发酵中 抗生素得率和后续分离提取率均较低，因此废水中残留抗生素含量较高，一般 条件下十四环素残余浓度为1 0 0 1 0 0 0 m g l ，土霉素为5 0 0 1 0 0 0m g l 。废水中青 霉素、四环素、链霉素浓度低于1 0 0m l 时不会影响好氧生物处理，但当浓度大 于1 0 0m 虮时会抑制好氧活性污泥，降低处理效率。 ( 4 ) 硫酸盐浓度高。一般认为，好氧条件下硫酸盐的存在对生物处理没有 影响， 也有报道硫酸盐达1 0 0 0 n l g l 以上对好氧生物处理有抑制。但是高浓度 硫酸盐给废水的厌氧生物处理带来严重的影响。硫酸盐在厌氧环境下，通过硫 酸还原菌( s r b ) 的作用，产生大量硫的还原产物存在于消化液中，引起设备的 腐蚀，使水质产生异昧；当这些物质在消化器中积累到一定浓度，就对甲烷菌 ( m p b ) 产生严重的抑制作用1 3 0 l 。 ( 5 ) 水质成分复杂。中间代谢产物、表面活性剂( 破乳剂、消沫剂等) 和 提取分离中残留的高浓度酸、碱、有机溶剂等化工原料含量高。该类成分易引起 p h 值波动大、色度高和气味重等不良后果，易影响厌氧反应器中甲烷菌正常的 活性。 ( 6 ) 总水量不大，但浓度高且间歇排放，冲击负荷较高，给生物处理带来 极大的困难【3 1 l 。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 抗生素废水处理方法概述 1 3 1 国内外研究现状 当前，抗生素行业废水处理的方法有化学处理法、物化处理法、生化处理法 以及多种方法的组合处理。 目前的化学处理法一般用于抗生素废水的预处理，提高抗生素废水的 b o d c o d 比值，改善废水的可生化性，同时对有机物也有较好的去除率【5 一1 7 1 。 物化处理法主要包括混凝、吸附、光降解、微电解、反渗透和膜过滤等。饶 义平【8 】等的研究表明，采用复合絮凝剂可以大幅度消减废水中残留的抗生素，絮 凝处理后废水接近普通有机废水，有利于生化处理。张满生等利用两级炉渣吸附 和三级活性炭吸附对青海制药集团原料药生产废水进行深度处理，当进水c o d 为1 1 4 5m g l 时，三级吸附后c o d 可降至3 0 0m g ，l 以下【9 j 。李耀中等以二氧化 钛作催化剂，利用流化床光催化反应器处理制药废水，考察了在不同工艺条件下 的光催化效果，结果表明，进水c o d 分别为5 9 6 、8 6 1m g l 时，采用不同的试验 条件，光照1 5 0m i n 后光催化氧化阶段出水c o d 分别为1 1 3 、1 2 4m g 化去除 率分别为8 1 o 、8 5 6 ，且b o d 5 c o d 值也可由o 2 增至o 5 ，提高了废水的 可生化性【1 0 1 。张亚楠掣1 1 1 、肖利平等【1 2 】利用微电解法作为无环鸟苷、肌苷、病 毒唑和抗感染原料药生产废水生物处理的预处理，均取得了较好的效果。朱安娜 1 13 】等采用纳滤膜对洁霉素废水进行的分离实验，发现既减少了废水中洁霉素对 微生物的抑制作用，又可以回收洁霉素，增加企业经济效益也社会效益。 生物处理方法的各种工艺是目前抗生素废水的主要选择【1 4 l ，该工艺的核心 是筛选、驯化能耐受并分解废水所含抗生素和其它有机物的微生物，从而实现净 化污水的目的。郎咸明【15 】利用水解酸化工艺处理东北制药厂的抗生素废水，取 得了理想的效果。翟素军1 16 】等采用低氧好氧工艺处理山东泰安市某制药厂的庆 大霉素废水，处理后的各项指标均稳定。乔洪棋【1 7 】等采用生物膜法处理四环素 工业废水，也取得了不错的效果。陈业刚【18 】等采用水解酸化反应器于复合厌氧 反应器组合工艺处理含高浓度硫酸盐的抗生素废水，对各种抑制物质和冲击负荷 表现出很好的适应性。杨俊仕【1 研等采用水解酸化a b 生物法新工艺处理多琴种 抗生素废水，工艺流程短，节能，处理费用也低于同中废水的化学絮凝生化处 理工艺。s 、s c v c r 在常规活性污泥法处理青霉素废水系统中加入含有絮凝物质 ( f c 2 + 、m n 2 + ) 和营养物质的复合5 0 s ，并控制m ( c o d ) ：m ( n ) ：m ( p ) = 1 0 0 ：5 ： 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 2 ，在低温操作条件下( 1 0 ) ，c o d 可降至1 0 0 m g l 以下，系统的污泥沉降性 能、c o d 去除率及硝化作用都有明显的提高【2 0 】。 目前，国内外处理高浓度有机废水主要是以厌氧法为主。王庆生等人针对河 北承德四环素生产废水、河北张家口青霉素生产废水和内蒙古赤峰土霉素、灰霉 素及黄霉素等生产废水，应用定向选育、定向制备降解能力较高的纤维降解工程 菌，采用厌氧发酵一工程菌生化反应器处理抗生素废水。所用工程菌为自然驯化 培养的混合厌氧菌和从牲畜胃中提取的新鲜厌氧纤维素降解工程菌组成复合工 程菌。结果发现：制备的高效复合降解工程菌剂，其活菌数可达到9 1 0 8 个儋； “ 用于处理生物制药抗生素工业废水，其最佳工艺条件为：温度在3 5 4 0 ，p h 值 为6 8 7 5 ，菌剂用量为1 0 ( 体积比) ；通过水解( 酸化) 一好氧生化联合工 艺，可以使废水达到国家制药废水行业排放标准，c o d c r 值小于3 0 0 m g l 【2 1 ，2 2 ， 冽 。 但是这些用来处理有机废水的常规方法，在处理抗生素废水时却可能存在严 重的生物安全隐患。这些微生物在处理污水的同时产生抗药性，或者在污染物的 持续作用下导致其进化加速，产生新的变异生态型。筛选高效抗药性微生物，不 仅可以研究其抗药性转化规律，降低对生态环境的负面影响，还能利用这些微生 物降解抗生素。因此，构建能够耐受抗生素毒性、繁殖速度快、降解速度高的环 境工程菌是有必要的【2 1 1 。 1 3 2 生物强化技术简述 所谓生物强化技术【2 4 j ，即向废水处理系统中直接投加从自然界筛选或通过 基因工程技术重组得到的高效菌种，以改善原来处理系统处理能力，达到对某一 种或某一类有害物质的去除或某方面性能的优化的目的。 生物强化技术产生于二十世纪7 0 年代中期，8 0 年代以来在水污染治理、污 染土壤的修复及大气污染的治理中得到广泛的研究和应用。生物强化菌的获得可 以通过从自然界中筛选或利用分子育种构建工程菌。在生物强化技术的实际应用 中，投菌法在美国、德国、日本等国已被采用，用以改善活性污泥法处理效果， 去除c n - 、s c n 一、腈、纤维素、聚乙烯醇等，尤其适用于难降解有机废水的治 理网。罗国维陶等利用投菌接触氧化法处理洁霉素废水，将已经分离纯化的菌 种接种、活化、离心洗涤，制成菌悬液，再接种于适量c o d c r 浓度的纯废水中， 同时以不加菌的相应培养基作为对照。结果表明，混合菌的降解能力最强，降 谚 4 烈 ， 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 解率为5 2 6 ，虽然未表现出明显的叠加效果，但在降解速度、降解率、存活时 间、抗冲击性以及抑制杂菌侵害等综合特性上却表现出任何单一菌株无法比拟 的优越特征。他认为，混合菌依靠协作机制，彼此为对方提供生长所需的条件 或消除了对方代谢的障碍，从而能顺利地降解污染物。张仲燕【2 7 】等利用优势菌 株生物膜处理卡那霉素废水，对投加优势菌和自然驯化污泥两种方法进行了比 较，结果表明，含有优势菌种的培养液所挂上的生物膜致密稳定，且挂膜速度快， 缩短了驯化时间，经过优势菌种挂膜处理的高浓度废水，c o d 去除率可达9 0 以上。李尔炀等以乙酸钙不动杆菌t 3 株( a c i n e t o b a c t e rc a l c o a c e t i c n st 3 ) 为受体， 恶臭假单胞菌6 。8 1 株( p s e u d o m o n a sp u t i d a6 8 1 ) ，节杆菌错株( a n h r o b a c t e rs p 错) 为供体，制成工程菌u 6 ，以接触氧化方式对废水进行处理，当进水c o d 为 4 0 0 0 0 m g l 时，出水c o d 可达2 0 0 m g l 以下【2 8 l 。刘燕群等筛选、分离、驯化后 得出的优势菌分别为黄杆菌属、产碱杆菌属、假单胞菌属和棒杆菌属冽，将优 势菌制成混合菌液，用于处理氯霉素废水时，1 2 h 降解率达9 1 ，采用优势菌处理 废水有利于降低曝气过程所需能耗，提高处理效率。 1 4 微生物在水处理中的应用概述 1 4 1 微生物在水处理中的应用 微生物具有来源广，易培养，繁殖快，对环境适应性强和易实现变异等特性， 适当地对其加以培养繁殖，特别是在一定特定条件下进行驯化，就能使之很好地 适应各种有毒的工业废水环境；通过有针对性地对菌种进行筛选、培养和驯化， 可以使大多数的有机物质实现生物降解处理，因此对废水水质的使用面越来越 宽；废水生物处理法不加投药剂，可以避免对水质造成二次污染；另外，微生物 处理处理费用低廉，成本低，顺应了建设节约型社会的时代选择。 ( 1 ) 含重金属离子废水的处理 近几年来，国外有人利用废弃菌丝体吸附废水中重金属离子，这样即解决了 工业废水污染问题，又解决了发酵废渣处置问题，而且回收大量贵重金属，成本 低廉，是环保领域以废治废，变废为宝的新措施。从废水、电镀污泥及下水道管 内分离筛选出3 5 株菌株，从中获得高效净化重金属的5 株复合功能菌，进行微 生物净化回收电镀废水和污泥中铬等金属的示范工程，对z n 2 + 、c u “、n i 2 + 、铲、 c ，等金属的一次净化率达到9 9 9 嗍以上，污泥量极少，并且从中回收铬等金 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 属，回收率大于8 5 1 1 1 。其处理机理是：根据获得的高效功能菌对金属离子有静 电吸附作用，酶的催化转化作用、络合作用、絮凝作用、共沉淀作用及对p h 值 的缓冲作用，使得金属离子被沉淀，同原液分开离，废水被净化。微生物法是治 理电镀废水的高效生物技术，建成的年处理0 0 3 4 6 万吨电镀废水的微生物治 理工厂1 3 2 】，运行稳定，处理效果很好；水回用，金属回收，功能菌无二次污染， 消耗材料少，运行费和耗能均低，安全无毒；本技术有重大的实用价值和显著的 社会、环境、经济三大效益，易于推广应用【3 2 】。 ( 2 ) 含油废水的处理 在适宜的条件下，用存在于石油污染现场的微生物群能够有效地降低废水中 有机物的含量，利用生物降解法处理含油废水具有成本低、投资省、不会造成二 次污染等优点。微生物对废水中石油烃类的降解，主要是在加氧酶的催化作用下， 将分子氧结合到基质中，先是形成含氧中间体，然后再转化成其他物质。因而， 氧是影响好氧微生物生长和降解有机污染物的重要因素。在有机污染物存在时， 微生物耗氧变化己被用于表征有机物的可降解性。 一般认为，微生物是通过自身特殊的呼吸系统使长链脂肪烃进入自身细胞 内，然后在加氧酶的催化作用下使其逐步氧化分解，并摄取该分解过程中产生的 能量供自身生长所用。芳香烃类化合物则是先转化成脂肪烃化合物再逐步分解 的，所以芳香烃类化合物的微生物降解速率比直链脂肪烃类化合物慢。对于有机 物结构与微生物可降解性之间的关系则有不同的解释。但总的说来，有机物渗透 到微生物细胞是反应的速率控制步骤，对于同系物则是支链烷烃化合物比直链烷 烃化合物难降解，这是由于空间效应造成的嗍。 ( 3 ) 印染废水的处理 用微生物方法进行印染废水处理具有广泛应用前景。从印染厂污水中分离、 筛选出高效脱色菌，将其固定化于凹凸棒颗粒，组装成固定化微生物反应柱，试 验其对各种染料及实际废水的脱色效果，确定生物降解条件和各种参数，并探讨 脱色机理，发现凹凸棒刚颗粒对染料的吸附与固定化细菌对染料的降解的双重 作用，固定化填料吸附了染料，既有利于废水的脱色，又为细菌提供了集中的营 养物，有利于细菌繁殖。细菌对染料降解，不断腾出填料的吸附空间，可以再吸 附水中的染料。 谚 毒 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 1 4 2 微生物抗药性产生机理 微生物对抗生素的抗药性普遍存在是众所周知的。事实上，微生物的抗药性 现象已不仅仅局限于抗生素，早已扩展到消毒剂、防腐剂、农用以及工业用杀菌 剂等领域中，且随着工业杀菌剂的长期广泛而大量连续使用，微生物的抗药性问 题也越来越严重瞰，5 5 l 。 早在1 9 5 1 年，l 0 w b u r y 就观察到铜绿假单胞菌( p s e u d o m o n a sa e m 酉n o s a ) 对 季铵盐类杀菌剂产生抗药性，2 0 世纪6 0 年代后，国际上又陆续报道对杀菌防腐 剂产生抗药性的微生物有郾，5 7 1 。产碱杆菌属渊c a l i g e n e ss p ) 、肠杆菌属 ( e n t e r o b a c t e rs p ) 、黏质沙雷氏菌( s e r r a t i am a r c e s c c n s ) 、金黄色葡萄球菌 ( s t a p h y l o c 0 c c u s 锄r e u s ) 、大肠杆菌( e s c h e r i c h i ac o l i ) 、白假丝酵母( c a n d i d a a l b i c a n s ) 、洋葱伯克霍尔德氏菌( b u r l 【l l o l d e r i ac e p a c i a ) 、恶臭假单胞菌 ( p s e u d o m o n a s p u t i d a ) 、荧光假单胞菌( p s e u d o m o n a sn u o r e s c e n s ) 和皱纹假单胞菌 ( p s e u d o m o n 嬲c o 姗g a t a ) 等。根据c h a p m a n j s ( 1 9 9 8 ) 进一步对化妆品杀菌防腐 剂的抗药性微生物菌株研究结果，分离的抗药性细菌中多数为革兰氏阴性杆菌， 其中9 2 是假单胞菌属( p s e u d o m o n a ss p ) 。 关于微生物抗药性产生的机理，有以下几种说法： ( 1 ) 微生物自身产生一种或多种水解酶或钝化酶来水解或修饰进入细胞内 的杀菌剂使之失去生物活性【4 2 l ； ， ( 2 ) 抗生素作用的靶位由于发生突变或被微生物产生的某种酶修饰而使杀 菌剂无法发挥作用； ( 3 ) 由于微生物细胞膜渗透性的改变或其他有关特性的改变，如细菌生物 膜( b i o f i l m ) 的形成而使杀菌剂无法进入细胞内。 ( 4 ) 微生物细胞内存在r 质粒，是一种环形的d n a ，编码着一种或者数 种抗生素的抗性基因；这些r 质粒可以借助微生物细胞内嘌呤、嘧啶和氨基酸 等生物小分子进行转录和翻译，合成出能够降解抗生素、或对抗生素的结构进行 修饰从而使其失去作用的酶蛋白。具有抗药性的微生物正式依靠这些r 质粒才 得以在含有抗生素的环境中生存和繁殖。这也是借助现代生物分子学研究发现的 陶 o ( 5 ) 微生物具有一种依赖于能量的主动转运( 拟i v ce f f l 甑) 机制，即它能够 将已经进入细胞内的杀菌剂泵至细胞外。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 6 ) 形成救护途径仪d v a g ep a t h w a y ) ，通过杀菌剂阻断的代谢途径发生变异， 而变为仍能合成原来产物的新途径。 1 5 研究意义 抗生素工业废水是一类高色度、含难降解和生物毒性物质多的高浓度有机废 水，国内3 0 0 多家企业生产占世界产量2 0 3 0 的7 0 多个品种的抗生素，废水 排放量大且目前大多直接排放，严重危害水体环境【镐l 。目前国内外应用的治理 技术不多且不成熟，已建成的以好氧工艺为主的工程，投资和处理成本高，废水 实际处理率很低。欧美日等国从4 0 年代生