（发酵工程专业论文）添加不同共代谢基质处理苯胺废水的研究.pdf

山东轻工业学院硕士学位论文 摘要 生活污水和某些生产废水中存在着一类污染面广、毒性大、难降解的化合物 苯胺，本文便利用人工驯化的微生物通过共代谢降解作用将其彻底降解。 本文先通过污泥驯化试验，驯化出能够适应苯胺环境并且能够将其降解的污 泥菌液。然后选用了四种共代谢基质一葡萄糖、苯酚、醋酸及v c 分别进行了共代 谢降解苯胺的实验，通过比较可知，v c 是最佳共代谢基质，v c 的质量与苯胺质量 比为1 ：6 时，处理效果较佳。选用v c 作为共代谢基质共代谢降解苯胺废水，为 了确定其最优处理方案，随后又进行了时间、温度及p h 的单因素实验及正交实验， 通过液相色谱测定苯胺残留量，最后比较得出，当原液c o d 为2 6 7 7 m g l ，各因 素分别为比例l ：6 ，时间1 7 h ，温度3 5 ，p h7 ，处理后苯胺残留量为0 0 5 1 m g l ， 远远低于g b 8 9 7 8 1 9 9 6 污水综合排放标准一级排放标准( 1r a g l ) 。 为了验证反应结束时，废水中的苯胺最终不是只通过污泥吸附作用去除的， 本文便做了破碎污泥试验及连续试验。通过破碎污泥试验，处理2 4 h 后，各反应 器中，污泥吸附量均在1 - 2 之间，这说明经过驯化的污泥菌液具有降解苯胺的 能力，而不是微生物表面吸附。经过1 5 d 连续实验后，出现了各种漫游型生物， 微生物生长良好，而且各反应器中苯胺残留量均小于l m g l ，c o d 含量均小于 1 0 0 m g l ，这说明苯胺及其中间代谢产物被彻底降解，没有在微生物体内蓄积，而 且，在v c 做为共代谢基质的条件下，苯胺去除率更高。 以v c 作为共代谢基质能够高效降解苯胺，为了确定共代谢能够降解苯胺的最 大能力，本文又做了降解苯胺能力的实验。实验得出，随着苯胺初始浓度的增大， 较短的曝气时间即可获得较高的苯胺去除率。当进水的苯胺浓度为8 0 0m g l 时， 曝气2 6h ，苯胺含量达到国家一级排放标准；当苯胺初始浓度超过15 0 0m g l 时， 只需2 4 h 即可达到同样的效果；而苯胺初始浓度为2 0 0 0m g l 时，达到同样效果只 需1 8 h 。 共代谢降解苯胺取得了显著的效果，本文便又把共代谢作用运用到降解硝基 苯废水中。先采用铁炭微电解，再采用已驯化好的污泥微生物共代谢降解废水中 的硝基苯，取得了较好的效果。 关键词：共代谢苯胺葡萄糖苯酚醋酸v c 硝基苯 i i i a b s t r a c t a bs t r a c t t h e r ei sab r o a da r e ao fp o l l u t i n g ，p o i s o n o u sa n dr e f r a c t o r yc o m p o u n d si ns e w a g e a n ds o m ep r o d u c t i o nw a s t e w a t e r - a n i l i n e t h i sp a p e ru s e dt h ed o m e s t i c a t e dm i c r o b et o d e g r a d a t ei tc o m p l e t e l yw i 也c o m e t a b o l i s ma c t i o n 1 1 1 i sa r t i c l ew e n tt h r o u g ht h ed o m e s t i c a t e ds l u d g et e s t f i r s t l y d o m e s t i c a t e d m i c r o b ec a na d a p tt ot h ee n v i r o n m e n tw i t ht h ea n i l i n ea n dc a nd e g r a d a t ei t f o u r c o m e t a b o l i s ms u b s t r a t e s - g l u c o s e ，p h e n o l ，a c e t i ca c i da n dv i t a m i ncw e r et h e n s e l e c t e dr e s p e c t i v e l yf o rad e g r a d a t i o no fa n i l i n ew i mc o - m e t a b o l i s ma c t i o ne x p e r i m e n t b yc o m p a r i s o ni ti sk n o w nt h a tv i t a m i nc i st h eb e s tc o m e t a b o l i s ms u b s t r a t e ，a n dt h e t r e a t m e n te f f e c ti sb e t t e rw h e nt h eq u a l i t yo fv i t a m i nca n da n i l i n er a t i oi s1 ：6 v i t a m i n ci ss e l e c t e da st h ec o m e t a b o l i s ms u b s t r a t et od e g r a d a t ea n i l i n ew a s t e w a t e r i no r d e rt o d e t e r m i n et h eo p t i m a lt r e a t m e n to p t i o n ，t h et i m e ，t h et e m p e r a t u r e ，t h ep h e x p e r i m e n t s a n dt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tw e r ef o l l o w e d t h r o u g hl i q u i dc h r o m a t o g r a p h i ca n a l y s i s d e t e c t i n gr e s i d u a la n i l i n eq u a l i t y ，b yc o m p a r i s o nf i n a l l yi tw a sd r a w e dt h a tv a r i o u s f a c t o r sw e r e1 ：6r a t i o ，t i m eo f1 7l l ，3 5 a n dp h7 ，a n dq u a l i t yo fa n i l i n ew a s0 0 5 1m g la f t e rt r e a t m e n t a n di tf a rb e l o w st h eg b 8 9 7 8 - 19 9 6 ”s e w a g ed i s c h a r g es t a n d a r d s ” f i r s te m i s s i o ns t a n d a r d ( 1m g l ) i no r d e rt ov e r i f ya tt h ee n do fr e a c t i o nt h a ta n i l i n ei nt h ew a s t e w a t e rw a sf i n a l l y n o tr e m o v e dt h r o u g ha d s o r p t i o no fs l u d g e t h eb r o k e ns l u d g ea n dt h ec o n t i n u o u s e x p e r i m e n t sw e r ed o n e t h r o u g ht h eb r o k e ns l u d g ee x p e r i m e n t , t r e a t i n gf o r2 41 1 ，t h e s l u d g ea d s o r p t i o ni nv a r i o u sr e a c t o r sw a sb e t w e e n1 a n d2 1 1 l i ss h o w st h a t d o m e s t i c a t e ds l u d g em i c r o b eh a st h ea b i l i t yo fd e g r a d a t i n ga n i l i n ei n s t e a do ft h es u r f a c e a d s o r p t i o no fm i c r o o r g a n i s m s a f t e r15d a y so fc o n t i n u o u se x p e r i m e n t ，av a r i e t yo f r o a m i n g b i o l o g ya p p e a r e d ，a n dm i c r o b eg r e ww e l l a n dt h er e s i d u a la n i l i n ea m o u n ti n e a c hr e a c t i o nw a sl e s st h a n1m g l ，a n dc o dc o n t e n tw a sl e s st h a n10 0m g l 啦s s h o w st h a tt h ea n i l i n ea n dt h ei n t e r m e d i a r ym e t a b o l i s mp r o d u c t so fa n i l i n ew e r e d e g r a d a t e dt h o r o u g h l y ，a n dw e r en o ti nv i v oa c c u m u l a t i o no fm i c r o o r g a n i s m a n du n d e r c o n d i t i o n so fv eb e i n ga sc o m e t a b o l i s ms u b s t r a t e ，t h e r ew a sa h i g h e ra n i l i n er e m o v e v i t a m i nca st h ec o m e t a b o l i s ms u b s t r a t ew a sa b l et od e g r a d ea n i l i n ee f f i c i e n n v i no r d e rt od e t e r m i n et h em o s td e g r a d a t i o nq u a l i t yo fa n i l i n e ，t h ed e g r a d a t i o nq u a l i t yo f a n i l i n ee x p e r i m e n tw a sa l s od o n e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e d ，w i t ht h ei n c r e a s eo f i n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fa n i l i n e ，ah i g h e ra n i l i n er e m o v a lc a nb er e c e i v e df o ras h o r t e r a e r a t i o nt i m e w h e nt h ei n f l u e n ta n i l i n ec o n c e n t r a t i o nw a s8 0 0m g l ，而m2 6h a e r a t i o n ，a n i l i n ec o n c e n t r a t i o na c h i e v e dt h en a t i o n a lf i r s tl e v e lt oe m i s s i o ns t a n d a r d i v 山东轻工业学院硕士学位论文 w h e nt h ei n i t i a la n i l i n ec o n c e n t r a t i o nw a sm o r et h a n15 0 0m g 】二，f o r2 4h t h es a t l l e e f f e c tc o u l db ea c h i e v e d ，a n dw h e nt h ei n i t i a la n i l i n ec o n c e n t r a t i o nw a s2 0 0 0m g l ， t h es a l l l er e s u l t sc o u l da c h i e v ew i t h o n l y18h t h ec o m e t a b o l i c d e g r a d a t i o no fa n i l i n ea c h i e v e dr e m a r k a b l er e s u l t s m c o - m e t a b o l i ca c t i o nw a sa g a i nu s e dt od e g r a d a t i o no fn i t r o b e n z e n ei nw a s t e w a t e r f i r s t k o n - c a r b o nm i c r o e l e c t r o l y s i sw a su s e d ，t h e nd o m e s t i c a t e ds l u d g em i c r o b ew a sa d o p t e d t oc o - m e t a b o l i c d e g r a d en i t r o b e n z e n ei nt h ew a s t e w a t e r , a n dab e t t e rr e s u l tw a s a c h i e v e d k e y w o r d s ：c o m e t a b o l i s m a n i l i n e g l u c o s e p h e n o l a c e t i ca c i dv i t a m i nc n i t r o b e n z e n e v 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文中 引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已 属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工业 学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专 利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名： 导师签名： 日期：年月日 日期：年月日 山东轻工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 生活污水和某些生产废水中存在着一类污染面广、毒性大、难降解的化合物。 这类化合物很容易穿透常规水污染控制工程屏障，进入自然环境并长期存留和富 集，对生态环境和人体健康构成严重威胁。通过人工强化的微生物作用将其转化 为无毒物质或彻底降解已成为近年来研究的热点，其中通过共代谢作用来转化或 降解卤代烯烃、卤代炔烃、卤代脂肪烃等难降解物质是一种有效的新兴水处理方 式，目前得到了广泛的研究，应用前景广阔。 难降解物质的共代谢广泛存在于自然界中，但这种过程不会持久。因为自然 界中广泛存在能代谢一级基质但不能代谢二级基质的微生物，它们中存在这样一 类微生物，对一级基质代谢速率大于具有共代谢能力的微生物对一级基质代谢速 度，因而很快在群落中取得优势，所以仅仅依靠自然界的微生物的共代谢作用往 往达不到降解难降解物质的目的，但通过人工强化的水处理构筑物进行处理则能 充分发挥共代谢处理有机物的优势。目前，共代谢方式处理难降解物质已经试探 性地应用到了实际工程中。笔者相信，随着人们对共代谢的认识进一步提高，它 作为一种处理难降解有机物的有效方式将得到广泛深入的应用。 1 1 微生物共代谢及共代谢基质 1 1 1 定义 、。 19 5 9 年l e a d b e t t e r 和f o s t e r 研究发现，在甲烷存在下，p s e u d o m o n o u sm e t h a n i c a 生长过程中可以氧化乙烷为乙酸、丙烷、丁烷，而乙烷、丙烷及丁烷这三种物质都 不可作为单一碳源物质维持p s c u d o m o n o u sm e t h a n i c a 生长，提出了共氧化概念【l 】； 随后j e n s e n 对其内涵进行了扩展，提出共代谢的概念。 所谓共代谢，一般是指原本不能被代谢的物质在外界提供碳源和能源的情况 下被代谢的现象。其中外界提供的碳源称为一级基质，用于微生物细胞增长并为 微生物细胞活动提供能量。被共代谢的物质称为二级基质，不用于微生物细胞增 长，也不能为微生物细胞活动提供能量。笔者认为：一级基质有两种来源，一是 外界环境直接提供的易降解物质，如甲醇、葡萄糖、苯酚等；二是休眠细胞体本 身的组成物质。目前说的共代谢有两种：一是指微生物的“生长基质和“非生 长基质一共酶。“生长基质和“非生长基质 共酶，是指有些污染物“非生长基 质不能作为某些微生物的唯一碳源和能源，其降解并不导致微生物的生长和能 量的产生，它们只是在其它微生物利用生长基质时，被微生物产生的酶降解( 辅 助代谢) 或转化成为不完全的氧化产物，这种转化为其它微生物的攻击创造了条 第l 章绪论 件，因此这种不完全的氧化产物进而可以被别的微生物利用并彻底降解；二是有 机污染物被彻底降解为c 0 2 和水的过程是有多种酶或微生物参与。有机污染物都 能作为这些微生物的“生长基质 ，在降解过程中成为它们自身的碳源和能源 2 1 。 能进行共代谢的微生物有无色杆菌、节杆菌、黑曲霉、固氮酶、芽孢杆菌、 短杆菌、黄色杆菌、微杆菌、微球菌、红色微球菌、黄色假单胞菌、黄色链霉菌 等等。 1 1 2 共代谢作用 随着工业和城市化的发展，大量的异型生物物质一合成有机化合物在人类活动 的过程进入环境，据估计每年有1 0 0 0 种新型的有机化合物投入市场，其中它们大多 数是相当难生物降解的化学物质【3 j 。一般认为，难降解性有机物具有4 个基本特性， 即：( 1 ) 长期残留性。一旦排放到环境中，它们难于被分解，因此可以在水体、土壤 和底泥等环境介质中存留数年或更长的时间；( 2 ) 生物蓄积性。难降解性有机物一 般具有低水溶性、高脂溶性的特征，能够在多数生物脂肪中发生生物蓄积；( 3 ) 半 挥发性；( 4 ) 高毒性。有的难降解性有机物具有半挥发性，可以在大气环境中远距 离迁移，它们对人和动物一般具有毒性作用，有的可以导致生物体内分泌紊乱、生 殖及免疫机能失调，有的甚至引起癌症等严重疾病【4 】。 进入水环境的难降解性的污染物，主要包括卤代有机溶剂、卤代苯环类化合物、 稠环芳烃、杂环化合物以及农药等，除少量低卤代物，如二氯甲烷、1 。2 一二氯乙烷、 氯丙烯醇、氯丙烯等可作为唯一碳源被特定微生物缓慢代谢外，通常情况下很难作 为营养物质供微生物生长被代谢降解。目前利用微生物的代谢作用处理含大量难 降解性有机物组分的废水技术与其他工艺相比具有明显的技术和经济竞争力，已 受到广泛关注1 5 j 。 共代谢过程的主要特点可以概括为：( 1 ) 微生物首先利用易于摄取的生长基质 作为一级基质，维持自身细胞的生长；( 2 ) 难降解性污染物作为二级基质被微生物 降解；( 3 ) 一级基质和二级基质之间对发挥降解作用的关键酶存在竞争现象；( 4 ) 污 染物共代谢的中间产物不能作为营养被同化成细胞质，有些会抑制关键酶的活性， 甚至对微生物有毒害作用；( 5 ) 共代谢是需能反应，能量主要来自生长基质的产能 代谢 6 1 ，当生长基质被完全消耗时，能量来源于细胞自身储存能量物质，如p h b r l 。 从共代谢过程的机理和特点可以看出，关键酶的诱导及其活性的维持、生长基质与 目标污染物之间的竞争抑制、目标污染物及其中间降解产物对微生物的毒性作用 将是影响共代谢过程的关键性因素。 1 1 3 共代谢的类型 共代谢一般有以下几种： ( 1 ) 生物在正常生长代谢过程中对二级基质的共同氧化。这种代谢是指当一级 基质存在时，一级基质的代谢能够提供足够的碳源和能源供微生物生长，并诱导产 2 山东轻工业学院硕士学位论文 生相应的降解酶来降解二级基质。何苗等【3 】报道，杂环化合物及多环芳烃的生物降 解需要一个完整的厌氧微生物食物链系统，葡萄糖的存在可为相关的微生物提供 碳源和能源，另外，葡萄糖经相关微生物的代谢还可为受试有机物的开环提供必须 的还原力和各种辅酶。付莉燕等【9 】考察了厌氧条件下废水中活性染料( 活性翠蓝) 的生物降解，发现以活性翠蓝为单一碳源时，厌氧菌不能降解活性翠蓝，但当进水 中补充葡萄糖后，厌氧菌对葡萄糖和活性翠蓝产生了共代谢作用，活性翠蓝被降 解。 ( 2 ) 微生物间的协同作用。这种代谢是指有些污染物的降解并不导致微生物的 生长和能量的产生，它们只是在微生物利用一级基质时被微生物产生的酶降解或 转化为不完全氧化产物，这种不完全氧化产物进而被另一种微生物利用并彻底降 解。w i d d e l 证明，对普通的脱硫弧菌属和铜绿假单胞菌属在用苯甲酸单独培养时， 均不能利用苯甲酸，但当两者在含有苯甲酸和s 0 4 2 - 的基质中共同培养时，苯甲酸即 可彻底被生物降解，同时s o ? 。被还原为h 2 s ；生物膜或颗粒污泥的形成能有效地 发挥微生物间的协同作用，提高难降解物质的生物降解率。 ( 3 ) 一级基质不存在时休眠细胞对二级基质的利用。瞿福平【1 0 】研究了氯苯类有 机物的生物降解，分别用氯苯、邻二氯苯、间二氯苯、对二氯苯、1 ，2 ，4 一三氯苯溶 液驯化污泥，并使其中微生物处于内源呼吸阶段，然后用这些污泥对这5 种有机 物在不同浓度下的降解进行了研究，发现用氯苯、邻二氯苯、间二氯苯溶液驯化 的污泥，能够有效地相互降解，它们诱导的酶系统具有一个共同特征，即要求被作 用的二级基质苯环上至少具有一个“连续三空结构；对二氯苯、l ，2 ，4 一三氯苯缺 乏“连续三空结构”卜因而不能被由上述3 种有机物驯化的污泥降解，而用这种有 机物驯化的污泥诱导的酶系统，作用的二级基质范围更宽，只要求二级基质苯环上 至少具有一个“连续二空结构打即可，所以用这2 种有机物驯化的污泥能够降解 所有受试的5 种有机物。由此可见共代谢作用在氯代苯的生物降解中能发挥重要 作用，因此可考虑利用此技术来驯化和富集高效降解菌株。 1 1 4 共代谢的影响因素 共代谢是一综合性过程，需考虑各方面因素并加以有效控制才能达到较高的难 降解物质共代谢率。 ( 1 ) 一级基质的选择 对于难降解物质的共代谢过程，一级基质的选择是非常重要的。一般选择葡萄 糖、蛋白胨、蔗糖、甲醇、乙醇、乳酸盐、乙酸盐、丁酸盐、淘米水、谷氨酸、 生活污水等生物易降解的物质作为一级基质，但并不是所有生物易降解物质的加 入都能获得较高的共代谢率。罗宇煊【l l 】报道，作为一级基质的葡萄糖、乳糖、蔗 糖、可溶淀粉等物质中，蔗糖是嗜碱性木质素降解菌最理想的一级基质。g u p t a 等 u 2 j 的研究表明，在产甲烷菌作用环境下降解废水中的三氯甲烷时，甲醇是比乙酸盐 3 第1 章绪论 更好的一级基质。所以，对各种生物难降解物质，应选择各自合适的一级基质。另 外，在某些情况下也可选择二级基质的类似物或中间代谢产物作为一级基质，这主 要是针对代谢酶的可诱导性而提出的。巩宗强【1 3 1 报道，向土壤中加入多环芳烃的代 谢中间产物一水杨酸、邻苯二甲酸、琥珀酸钠等有机物，能提高微生物酶的活性， 促进芘共代谢降解过程的进行，处理2 5 d 后芘的降解率可达8 0 ，其中以琥珀酸 钠作为共代谢的一级基质最好。 ( 2 ) 一级基质与二级基质的浓度比 s p e e c e 1 4 】报道，共代谢过程要求一级基质与二级基质保持合适的浓度比。对于 许多生物难降解物质，一级基质与二级基质的浓度比比生物难降解物质的进水浓 度对其降解率的影响更大。例如，如果废水中不存在其他可生物降解的有机物， 则三氯甲烷的质量浓度3 m g l 时即可能对微生物有破坏作用，但是如果废水中同 时存在质量浓度为3 0 0 m g l 的甲醇时，则用适当浓度的三氯甲烷驯化微生物后， 三氯甲烷的质量浓度仍为3 m g l 时对生化处理系统的连续运行几乎没有什么影响。 由于维持共代谢的微生物酶来自于微生物对一级基质的利用，二级基质的利 用也只能在一级基质消耗的基础上发生，所以一级基质和二级基质之间存在着竞 争性抑制。它们的反应动力学可以用具有竞争性抑制的酶动力学来描述： s + es e 呻e + p i + ei e _ e + p i 式中： s ，i 一分别为不同的基质； e 一酶； s e ，i e - 分别为不同的酶反应中间产物； p ，p i - 分别为不同的产物。 竞争性抑制的反应模型为： 式中： d s d t - 单位容积反应器的基质利用速率，m g ( l d ) ； s 一基质的质量浓度，m g l ； k _ 比基质利用速率，g ( g d ) ； x 一活性污泥的质量浓度，m g l ； k s 一半饱和系数，m g l ； k - 抑制系数，m g l ； i 一抑制剂的质量浓度，m g l 。 4 式( 1 1 ) 山东轻工业学院硕士学位论文 上式表明，二级基质为抑制剂时，二级基质不影响一级基质的最大利用速率， 却会降低给定一级基质的利用速率。但对于二级基质而言，把一级基质当作抑制 剂，一级基质的浓度过高反而会降低二级基质的利用速率。因此，二级基质的利 用速率必须通过维持适当的一级基质浓度来达到最优化( m c c a r t y ) 。王永杰1 1 5 】研究 发现，在用有机磷农药广谱活性降解菌以共代谢方式降解废水中的有机磷农药时， 一级基质的浓度过高，会抑制降解酶的诱导产生，有机磷农药降解率不高；一级基 质的浓度过低，菌体生长代谢受到抑制，有机磷农药降解率也不高。因此，只有 一级基质的浓度适当，才能既保证细胞的生理功能正常，又能满足降解酶的诱导 产生。王等【1 6 3 用淘米水作共代谢的一级基质，进行一级基质投加量对焦化废水难降 解物c o d 去除影响的试验，发现其影响较大，一级基质淘米水的适宜投加量为 2 0 - 4 0 ( 淘米水贡献的c o d 占所配废水总c o d 的百分比) ，最优投加量为3 0 。 ( 3 ) 能量物质 除了一级基质的产能代谢为微生物生长和生物难降解物质降解提供能量外， 也可以考虑外加适量能量物质提供额外能量，以提高难降解物质代谢的速率。能 量物质是指在难降解物质代谢过程中，只产生能量而不能够转化为细胞的物质。 试验中观察到，适量甲酸( 作为能量物质) 的加入能较大幅度地提高甲烷细菌共代 谢的速率，但长期投加甲酸会抑制甲烷细菌的活性，这是因为长期投加甲酸会导 致微生物细胞的逐渐衰竭。 ( 4 ) 营养物质 微生物的生长必须有足够的营养。共代谢不仅需要加入一级基质提供碳源， 而且还需要足够的氮、磷、硫等营养。并不是所有碳源的加入都能获得较高的共 代谢率，罗宇煊等采用不同碳源对嗜碱性木质素降解菌降解木质素的能力进行了 比较试验，发现在葡萄糖、乳糖、蔗糖、可溶淀粉等碳源中蔗糖是嗜碱性木质素降 解菌最理想的碳源，所以对各种难降解物质应选择各自合适的碳源；碳氮比对菌 株产酶的能力有很大影响，限碳培养基有利于酶的合成，限氮培养基对酶的合成 极为不利，而且碳氮质量比以1 1 2 为宜，在此条件下，能较大幅度地提高酶的活性 和木质素的降解率。微量营养元素对微生物生长也是必须的，营养不足会使厌氧 处理的有机负荷减小或处理效率降低。b 1 2 的加入能有效地提高氯化脂肪族化合物 的共代谢脱氯率。g u i o t t r 7 】报道，微量元素的补充可以提高所有种群微生物中活细 胞的浓度及其酶活性。王等【1 8 】研究发现，添加f e 3 + 能促进焦化废水中生物难降解 物质的共代谢降解。 ( 5 ) 表面活性剂 罗宇煊等研究发现，添加表面活性剂有利于木质素降解微生物胞外酶的分泌， 从而促进胞外高分子木质素的降解。他们认为，表面活性剂t - 8 0 在静置浅层培养 液中的作用可能主要是提高细胞膜的渗透性，从而可提高酶活性，进而促进菌株 5 第1 章绪论 对木质素的降解。 1 1 5 微生物共代谢作用的应用 共代谢过程不但提出了一种新的代谢现象，而且已被作为一种生化技术在芳 香族化合物生物解研究中得到应用。g i h o n 等以共代谢为手段，分离和确定了卤代 苯和对氯甲苯的假单胞菌的氧化产物，这有助于研究氧进入芳香环的机制。f o c h t 和a l e x a n d e r 等应用共代谢技术建立了d d t 的环断裂机制【1 9 1 。h o r v a t h 利用共代谢 反应步骤少的优点，分别确定了2 ，3 ，6 一三氯苯甲酸降解过程中所含的氧化、脱经和 脱卤反应，从而发现了无色杆菌( a c h r o m o b a c t e r ) 代谢2 ，3 ，6 一三氯苯甲酸的途径【2 0 1 。 h a n n e 、j a a k k o 、w o o d s 、m a r y 等利用厌氧反应器中存在共代谢的原理，通过添加 初级基质来处理含氯酚的废水，使氯酚这种有毒的“难降解物质 得到生物净化。 1 2 微生物共代谢的机理 1 2 1 共代谢的生化机制 微生物的共代谢作用向微生物学家提出了一种新的生物氧化机制问题：为什 么微生物能氧化一种化合物，而又不能从中获取生长所必需的碳源和能源? 针对 这一现象，许多学者提出了各种假设【2 l 】，主要有： ( 1 ) f o s t e r 认为微生物不能在某种基质上生长的原因并不是由于微生物无法分 解代谢这种物质，而是由于微生物本身缺乏吸收、同化其氧化产物的能力。这种 假设不能很好的解释共代谢过程中基质的不完全氧化和终产物的积累的现象。 ( 2 ) h u g h e s 提出，氯代芳烃化合物的共代谢可能是由于微生物无法从苯环上脱 去卤素取代基，并把芳香环基质导向碳吸收同化的节点。这一观点得到了k e n e d y 和f e w s e n 的实验验证。他们发现，具有苯甲酸氧化酶的微生物只能氧化苯甲酸和 单氟苯甲酸( 因为氟和氢的范德华半径相近) ，而氯、溴、碘取代基却使基质失去 活性。显然，这一机制无法解释己发现的许多氯、溴、碘代苯甲酸的脱卤作用， 以及脂肪烃、芳香烃共代谢过程中取代基消除的倾向。 ( 3 ) t r a n t e r 和c a i n 把具有氧化卤代芳烃化合物功能的细菌不能在该基质上生 长的原因归结于有毒产物的累积。h o r v a t h 证实，2 ，3 ，6 - - - - 氯苯甲酸的共代谢会导 致3 ，5 一二氯儿茶酚的累积，最终形成对细胞有毒害的环境。但这一机制仅能应用 于芳烃化合物，无法解释氧化产物积累有毒环境形成的直接原因。 ( 4 ) g i b s o n 和k o c h 等人提出了各种共代谢作用的酶学解释。他们认为，由于 卤代二羟基苯与催化芳香核加氧作用的酶活性中心的铁离子发生螯合作用，抑制 了酶系统的活性。 1 2 2 共代谢过程的动力学研究 些环境有毒化合物可以显著地以共代谢方式去除。实验研究表明【2 2 】，共代 6 山东轻工业学院硕士学位论文 谢转移能力与生长期内生长基质的消耗( 在缺乏生长基质时与生物量和或能量物 质的消耗) 成正比。 鉴于维持共代谢所必需的酶来自于初级基质的利用，作为初级基质利用的共 代谢也就只能在初级基质消耗时发生。除此之外，有些微生物在初级基质缺少时， 通过内源代谢来维持上述酶活性，此时次级基质的转化仍可进行。这样，在一个 同时存在两种基质的系统内，必然存在着代谢过程必需酶的竞争作用，两种基质 的代谢速率之间也就存在着相互作用，反应动力学将变得更为复杂团】。研究次级 基质的利用的一种有效方法是把这种利用速率和单独的初级基质利用速率相比 较。 c r a i g s c d d d l e 对共代谢作用进行了更为深入的动力学研究，使用传统的米一 门公式和m o n o d 方程可以用来表达休眠细胞( r e s t i n g c e l l ) 的共代谢降解行为。但这 个模型不能解释缺少生长基质时共代谢活性的降低以及中间产物的毒性引起的共 代谢活性降低。研究提出的新模型符合因自氧化( 内源呼吸) 、蛋白质水解、辅酶 消耗、产物毒性等引起生物量及酶活性的降低引起共代谢活性的降低。 生长基质的消耗用以提供细胞生长及细胞维持，即： 共代谢可以表达为： q g 气q g ) 鲫砌+ m s h m s ) 。o 此方程假设共代谢需要外加生长基质的支持，可以得出： 式( 1 2 ) 式( 1 3 ) 式( 1 4 ) 式中： q g ：生长基质利用的比增长速率； m s 用于维持细胞的比增长速率； y m ：细胞最大产率； t c b * ：无内源消耗条件下真实生物量转化能力。 这个方程引入了真实生物量转移能力t c b * 。定义为无内源消耗是单位生物量 转化非生长基质的能力。这样q c t c b * 是由共代谢消耗提供，而q e y m t c b * 表示生 长基质用于共代谢的活性生物量，这些生物量消耗用于共代谢过程。 7 第l 章绪论 1 2 3 共代谢机理的研究 共代谢作用包括了微生物在正常生长代谢过程中，对非生长基质的共同氧化， 也包括休眠细胞对不可利用基质的氧化代谢。共代谢作用中生长基质的选择很重 要。许多化合物都可作为微生物的生长基质，但在诱导产生各种类型酶方面的作用 却有很大的不同。一般来说，当生长基质与非生长基质具类似的分子结构时，生长 基质诱导产生的酶很可能非专一性地代谢非生长基质。 难降解废水的生物降解过程为共代谢促进的研究很多，机理也较多地被阐述。 概括起来有以下几类1 2 4 ： ( 1 ) 最普遍的是共基质的分解代谢为其生物降解提供了启动碳源、氮源和能源 在常规活性污泥系统中，可降解目标污染物的微生物数量和活性通常是较低 的，添加某些营养物包括碳源、氮源物质，将有助于降解菌的生长，改善处理系统 的运行性能。共基质在提供可被直接利用的启动碳源、氮源时，使目标降解菌可 在短时间内迅速繁殖，生物量大大增加并保持较高的活力，从而促进污染物的生物 降解。 ( 2 ) 共基质的分解代谢为其生物降解提供了必需的辅酶n a d h 、维生素和生长繁 殖所需的其他营养物质 易生物降解的苯酚与吡咯共基质降解研究证实，苯酚的降解不仅为代谢吡咯 的微生物提供了充足的碳源和能源，同时为其代谢途径提供了还原力、各种辅基 和辅酶。咪唑、呋喃与吡咯具有类似的现象。s c h m i d t 等人先后证实，葡萄糖对 p s e u d p u t i d a - i 菌株降解对硝基苯酚的促进作用，短链脂肪酸( 如丁酸) 及葡萄糖对 氯代芳香化合物还原脱氯过程的刺激作用，葡萄糖降解过程产生的还原当量 n a d h 对偶氮染料的还原裂解脱色的促进作用。s a n d r a l w o o d s 等研究发现，外加 维生素b 1 2 5 对多氯联苯的还原性脱氯起促进作用。 ( 3 ) 共基质的存在诱导了相关降解酶的生成，加速了降解反应的速度 共代谢降解是由微生物细胞分泌的关键酶或酶系作用决定的，影响的主要因 素包括：关键酶的诱导、毒性抑制作用、自我恢复、能量供应等。投加基质类似物， 利用目标污染物的降解产物、前体作为代谢诱导酶的诱导物，可以提高了酶活性。 ( 4 ) 多种微生物的协同作用为难降解废水的生物降解提供了各种有利的环境 条件 通过对特定废水处理环境的适应，形成稳定的微生态系统，其中的微生物种群 可形成共生或互生体系，相互可能提供生长因子、代谢刺激物或降解对方的代谢 抑制物，平衡p h 值，维持适当的氧化还原电位或消除中间产物，促进废水的生物 处理进程。 在好氧条件下苯胺的微生物降解可以通过两种代谢途径，即邻位( o r t h o ) 和间 位( m e t a ) 代谢途径，分别由邻苯二酚一1 ，2 一加双氧酶或邻苯二酚- 2 ，3 - 力1 9 2 氧酶催 8 山东轻工业学院硕士学位论文 化。这两种途径的前两步反应是相同的，都是将苯胺氧化成邻苯二酚，邻苯二酚以 后的反应则不同。当苯胺通过邻位代谢途径时，在两个羟基之间切割邻苯二酚，再 经多步反应产生三羧酸循环的中间代谢物琥珀酸和乙酰辅酶a 。当苯胺通过间位 代谢途径时，在其中一个羟基的旁侧切割儿茶酚，苯胺降解的过程中形成了邻苯 二酚作为中间产物，进而被细胞中所含的邻苯二酚之，3 一加双氧酶氧化开环形成2 一 羟基己二烯半醛酸【z 引最后产生丙酮酸和乙醛。食酸丛毛单胞菌a n l 3 菌株的加 双氧酶属于诱导酶，除苯胺外，它还可降解乙酰苯胺，它主要是通过邻位代谢途径 降解苯胺。假单胞菌的某些菌株可以通过间位代谢途径降解苯胺 2 6 , 2 7 。诺卡氏菌 通过加双氧酶反应将苯胺转化为邻苯二酚，进而既可以通过邻位代谢途径也可以 通过间位代谢途径降解邻苯二酚。m e y e r s 等人【2 8 】还对苯胺降解酶进行了基因定位， 发现假单胞菌的邻苯二酚一2 ，3 一加双氧酶的基因可能定位于质粒上。 1 3 共代谢作用处理难降解性污染物的工艺研究 19 5 9 年l e a d b e t t e r 和f o s t e r 研究发现，在甲烷存在下，p s e u d o m o n o u sm e t h a n i c a 生长过程中可以氧化乙烷为乙酸，丙烷为丙酸和丙酮，丁烷为丁酸和甲基乙基酮。 而乙烷、丙烷及丁烷这三种物质都不可作为单一碳源物质维持p s e u d o m o n o u s m e t h a n i c a 生长，提出了共氧化概念；随后j e n s e n 对其内涵进行了扩展，提出共代谢 的概念，并将其扩展到微生物氧化脱氯过程的研究，自此之后人工合成有机物的 微生物降解过程成为共代谢的研究重点，随着对共代谢过程的生化机制、反应模型 进行深入的研究，在工艺设计、选择方面也取得了一定的进展。 1 3 1 共代谢与难降解物质 通常确定有机污染物生物可降解性的三种方法( 矿质盐离子介质中微生物的 生长能力试验、逐渐消失试验和选择性培养试验) 均侧重于选择能利用供试化合物 作为单一碳源和能源物质的微生物，而较少考虑共代谢行为对生物降解性的作用。 目前一些研究者以补充碳源研究了微生物降解难降解化合物如氯代芳香化合物 等。施汉昌【2 9 j 等人的研究表明，补充碳源大大提高了啤酒废水污泥对氯酚的降解 作用。但对于降解能力本来就很高的有机物废水污泥来说，补充碳源所起的作用 就不很明显。目前大多数研究者认为，补充葡萄糖等外加碳源有利于提高难降解 污染物的去除率。故在对有机污染物生物可降解性的评价时，由上述三种方法确 定的生物难降解物质就有必要进行重新评价，必须把共代谢作用考虑在内。 1 3 2 共代谢中好氧工艺选择 好氧条件下，具有共代谢氯代化合物功能的微生物有很多种，研究中主要选用 苯酚氧化菌群、甲烷营养菌群、丙烯氧化菌以及硝化细菌，它们具有很强的代谢能 力以及对污染物的逆抗性。在诱导此类微生物生成关键酶进行催化分解污染物时， 9 第1 章绪论 一般需要投加特异性的底物，例如苯酚、甲烷、丙烯、丙烷或者氨。由于甲烷、丙 烯、丙烷是气体，具有很低的水溶性，同时就苯酚而言，虽具有可降解性，但它是一 种危险性物质，所以在现实的污水处理中，选择诱导性的生长基质，一定要综合考 虑。通常葡萄糖、乙醇、乙酸盐以及铵盐等易代谢的小分子化合物是考虑选择的 诱导物质。 1 3 3 好氧工艺中溶解氧浓度的选择 在好氧共代谢体系中，溶解氧一般是作为关键酶催化的脱氯、氧化反应的电子 受体，接受污染物转化过程中的电子或还原力。在一定范围内，提高体系的溶解氧 有利于提高反应器内生物量浓度，相应地有利于提高反应器中具有共代谢活性的 生物量的浓度，从而提高目标污染物的去除效果：同时，若限制体系中溶解氧的浓 度，将有助于提高储能物质( p h b ) 的形成或关键酶即单( 双) 氧化酶的活性水平。体 系生长条件的控制主要根据目标污染物的去除效果进行适度调节，如溶解氧浓度 等因素【3 0 】。 1 4 共代谢的研究历史及现状 1 4 1 微生物共代谢研究概况 1 9 5 9 年l e a d b e a e r 和f o s t e r t 3 l 】首先发现甲烷是可供p s e u d o m o n a sm e t h a n i c a 生 长的唯一碳源物质。在甲烷存在下，p s e u d o m o n o u sm e t h a n i c a 生长可以氧化乙烷为 乙酸，丙烷为丙酸和丙酮，丁烷为丁酸和甲基乙基酮。而乙烷、丙烷及丁烷这三 种物质都不可作为单一碳源物质维持p s e u d o m o n a sm e t h a n i c a 生长。l e a d b e t t e r 和 f o s t e r 用共氧化( c o o x i d a t i o n ) 来描述微生物氧化非生长基质而不利用氧化过程产 生的能量的过程。随后j e n s e n 建议采用更广泛的定义共代谢( c o m e t a b o l i s m ) 来描 述这一过程，并扩展到微生物氧化脱氯过程的研究。共代谢是指微生物依赖可利 用碳源和能源在正常生长过程中氧化非生长基质的过程。它也描述了在可利用碳 源支持下休眠细胞( r