（环境工程专业论文）聚磷菌paox的生长特性及除磷性能研究.pdf

苏州科技学院硕士学位论文 摘要 摘要 近年来，各大湖泊、水库不断有报道出现水体富营养化的现象。引起富营养 化的关键因子是磷，污水除磷是控制富营养化的关键。而生物除磷是目前最经济 有效的一种污水除磷技术。生物除磷的核心是聚磷菌。因此，开发高效的聚磷菌 并掌握其生长特性对于提高生物除磷效果具有重要的意义和较大的实用价值。本 研究旨在为聚磷菌在生物除磷工艺上的应用提供一定的理论依据和技术支持。主 要完成了对聚磷菌的驯化、分纯、筛选与鉴定、生长性能和除磷性能的研究。并 验证了其在模拟s b r 装置中的除磷效果。 从长期受磷污染的废水和土壤中驯化、分离和筛选出一株高效的聚磷菌株， 命名为p a o x 。经生理生化及1 6 s r d n a 鉴定，p a o x 属克雷伯氏菌属 ( k l e b s i e l l a ) 。为了解p a o x 的生长性能和除磷性能，将p a o x 在合成废水中做 好氧纯培养，结果表明，培养时间为3 2 h 、p h 值为7 0 、温度为2 9 、装液量为 5 0 m l 、接种量为2 ，p a o x 的生长最好，除磷效果也最也，去磷率达到8 3 左 右。 p a o x 在模拟s b r 装置中做厌氧好氧连续纯培养，对厌氧末和好氧末采集 到的菌体分别进行p o l y p 和p h b 染色，同时在各时段对上清液磷浓度进行测定。 染色结果表明，好氧末的p o l y - p 较厌氧末明显增多，而好氧末的p h b 较厌氧末 明显减少，p a o x 具有典型的聚磷菌特征；上清液磷浓度测定结果显示，厌氧末 的上清液磷浓度为3 8 m g l 1 ，好氧末的上清液磷浓度为1 4 m g l ，去磷率达到 9 3 。p a o x 表现出厌氧释磷好氧吸磷的现象，且去磷率较好氧纯培养高。 关键词：富营养化，生物除磷，p a o x ，上清液磷浓度，s b r 苏州科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ek e yf a c t o rc a u s e de u t r o p h i c a t i o ni sp h o s p h o r u s ，p h o s p h o r u sr e m o v a li st h e k e yt oc o n t r o le u t r o p h i c a t i o n a n d ，b i o l o g i c a ld e p h o s p h o r i z a t i o ni st h em o s te f f e c t i v e a n de c o n o m i c a l t e c h n o l o g y t h e c o r eo f b i o l o g i c a ld e p h o s p h o r i z a t i o n i s p h o s p h a t e a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s o ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n ta n dv a l u a b l et od e v e l o p o u te f f i c i e n t p h o s p h a t e - a c c u m u l a t i n go r g a n i s m a n du n d e r s t a n dt h e i r g r o w t h c h a r a c t e r i s t i c sf o ri m p r o v i n gt h ee f f e c to fb i o l o g i c a ld e p h o s p h o r i z a t i o n t h eo b j e c t i v e o ft h i ss t u d yi st oa f f o r dt h eb a s i so ft h e o r ya n ds u p p o r to ft e c h n o l o g yf o rt h e a p p l i c a t i o no fp h o s p h a t e - a c c u m u l a t i n go r g a n i s mo nb i o l o g i c a ld e p h o s p h o r i z a t i o n p r o c e s s w o r k i n t r o d u c e d m a i n l y ：p h o s p h a t e - a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s d o m e s t i c a t i o n ，i s o l a t i o na n dp u r i f i c a t i o n , s c r e e n i n ga n di d e n t i f y i n g , g r o w t ha n d d e p h o s p h o d z a f i o nc h a r a c t e r i s t i c s m e a n w h i l e ，iv e r i f i e di t se f f e c to fp h o s p h o r u s r e m o v a li ns i m u l a t i o ns b rd e v i c e ae f f i c i e n tp h o s p h a t e a c c u m u l a t i n go r g a n i s mw a sd o m e s t i c a t e d ，i s o l a t e da n d s c r e e n e df r o mw a s t e w a t e ra n ds o i lp o l l u t e db y p h o s p h o r u s ，i tw a sn a m e dp a o x i n t e r m so fi t sp h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lt e s t 崦a n d16 s r d n aa n a l y s i s ，p a o x b e l o n g e d t o g e n u s k l e b s i e l l a i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h e g r o w t h a n d d e p h o s p h o r i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep a o xw a sp u r ec u l t u r e di na e r o b i cs y n t h e t i c w a s t e w a t e r t h er e s u l ts h o w e d t h eg r o w t ha n dt h ed e p h o s p h o r i z a t i o ne f f e c to fp a o x i st h eh i g l l e s tw h e nt h et i m ew a s3 2h o u r s ，t h ei n i t i a lp hw a s7 0 ，t h et e m p e r a t u r ew a s 2 9 ( 3 ，t h ev o l u m eo fl i q u i dw a s5 0 m la n dt h ev o l u m eo fi n o c u l a t i o nw a s2 a n di t s d e p h o s p h o r i z a t i o nr a t er e a c h e d8 3 d y e i n gp o l y - pa n dp h b a tt h ee n do fa n a e r o b i cs t a g ea n da e r o b i cs t a g ew h e n p a o xw a sc o n t i n u o u s l yc u l t u r e di ns i m u l a t i o ns b rd e v i c e m e a n w h i l e ，m o n i t o r i n g t h ec o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r u si ns o l u t i o ni nv a r i o u st i m es l o t s t h er e s u l to fd y e i n g s h o w e dt h ep o l y - pa tt h ee n do fa e r o b i cs t a g ew a sm o r et h a na n a e r o b i cs t a g e ，b u tt h e p h bw a s j u s t t h e o p p o s i t e p a o x h a dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fat y p i c a l p h o s p h a t e - a c c u m u l a t i n go r g a n i s m c o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r u si n s o l u t i o nw a s 38 m g l 以a tt h ee n do fa n a e r o b i cs t a g ea n d1 4 m g l 咀a tt h ee n do fs u b s e q u e n ta e r o b i c s t a g e p a o xs h o w e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f at y p i c a lp h o s p h a t e a c c u m u l a t i n go r g a n i s m a si t d i s p l a y e da p p a r e n tp h o s p h o r u sa c c u m u l a t i o na n dr e l e a s e f u t h e r m o r e ，p a o x h a dah i g h e rr a t eo fp h o s p h a t er e m o v a li nas i m u l a t i o ns b rd e v i c et h a na e r o b i cp u r e i i 苏州科技学院硕士学位论文a b s t r a c t c u l t u r e k e y w o r d s ：e u t r o p h i e a t i o n ，b i o l o g i c a ld e p h o s p h o r i z a t i o n ，p a o x ，c o n c e n t r a t i o n o f p h o s p h o r u si ns o l u t i o n , s b r f 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：毯亟垄日期；堕年鱼月生日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文 的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于 收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服 务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意 学校在不以赢利为目的的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全 部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：毯i 之辽日期：望年j 二- 月堕日 指导教师签名：鲆碳眇：监年羔月丛日 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国的水资源及水体污染现状 1 1 1 我国的水资源现状 中国是一个缺水严重的干旱国家。据有关部门测算，当今中国淡水资源总量 为2 8 0 0 0 亿m 3 ，占全球水资源的5 8 左右。仅次于巴西、俄罗斯、加拿大、美 国和印度尼西亚，居世界第6 位。但由于现在已有1 3 亿多人口，人均占有水量 只有2 2 4 0 m 3 ，只相当于世界人均水平的1 4 ，列世界第1 2 1 位，而北方地区人均 占有水量只有9 9 0 m 3 ，不到世界人均水平的1 8 1 1 - 3 j 。预测到2 0 3 0 年人e l 增至1 6 亿时，人均水资源量将降到1 7 6 0 m 3 ，缺水约达4 0 0 - - - 5 0 0 亿m 3 t 4 1 ，是全球1 3 个 人均水资源最贫乏的国家之一。再扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的 地下水资源后，中国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为1 1 0 0 0 亿岔左右， 人均可利用水资源量约为9 0 0 m 3 ，并且其分布极不均衡，大量淡水资源集中在南 方，北方淡水资源只有南方水资源的1 4 。按照国际公认的标准，人均水资源低 于3 0 0 0 m 3 为轻度缺水；人均水资源低于2 0 0 0 r a 3 为中度缺水；人均水资源低于 1 0 0 0m 3 为重度缺水；人均水资源低于5 0 0 m 3 为极度缺水。据统计，到2 0 世纪末， 全国6 0 0 多座城市中，已有4 0 0 多个城市不足程度的缺水，其中有6 个省、区( 宁 夏、河北、山东、河南、山西、江苏) ，共达1 1 0 个城市人均水资源量低于5 0 0 m 3 ， 属于极度缺水。 1 1 2 我国的水体污染现状 在水资源短缺越发突出的同时，人们又在大规模污染水源，导致水质恶化。 据国家环保总局统计显示：自1 9 8 5 年以来，我国废水年排放总量一直维持在3 5 0 亿- - 4 0 0 亿吨左右，1 9 9 7 年废水排放量达到最高值4 1 6 亿吨，其中工业废水排放量 2 2 7 亿吨，市政污水排放量1 8 9 亿吨。废水中化学需氧量( c o d ) 排放量达1 7 5 7 万吨， 其中工业废水c o d 排放量1 0 7 3 万吨，市政污水c o d 排放量6 8 4 万吨。2 0 0 3 年全国 废水排放量总达4 1 0 亿吨，其中工业废水占4 1 2 ，生活污水5 3 8 。 2 0 0 2 年，我国七大水系7 4 1 个重点监测断面中，2 9 1 的断面满足i 一类水 质要求，3 0 0 的断面属，v 类水质，4 0 9 的断面属劣v 类水质。其中七大水 系干流及主要一级支流的1 9 9 个国控断面中，i - - i i i 类水质断面占4 6 3 ，、v 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 类水质断面占2 6 1 ，劣v 类水质断面占2 7 6 。辽河、海河水系污染严重，劣 v 类水体占6 0 以上；淮河干流为i v 类水体，支流及省界河段水质仍然较差： 黄河水系总体水质较差，干流水质以一水体为主，支流污染普遍严重；松花 江水系以一类水体为主；珠江水系水质总体良好，以i i 类水体为主；长江流 域5 3 个监测省界断面中( 其中干流11 个，支流4 2 个) 3 1 个断面符合或优于i i i 类 水质，而2 2 个劣于i i i 类水质，占监测断面的4 1 5 ，其中i v 类占3 0 2 ，v 类 占1 9 ，劣v 类占9 4 。且流域内水污染治理严重滞后，水污染尚未得到有效控 制，流域内近年来排污量呈增加趋势。 1 2 水体中磷的来源及存在形式 1 2 1 水体中磷的来源 排放到湖泊中的磷大多来源于生活污水、工厂和畜牧业废水、山林耕地肥料 流失以及降雨降雪。与前几项相比，降雨和降雪中的磷含量较低。有调查表明， 降雨中磷浓度平均值低于0 0 4 m g l ，降雪中低于0 0 2 m g l 。以生活污水为例， 每人每天磷排放量大约在1 4 - 3 2 9 ，而目前仍然在大量使用的高磷洗涤剂是生 活污水中进入天然水体磷素的重要来源，其贡献约占其中的7 0 左右。我国太湖 地区，最主要的磷污染源之一就是洗涤剂。此外，炊事与漱洗水以及在粪尿中磷 也有相当的含量。在水域的磷流入量中，生活污水占4 3 4 为最大，其它依次为 2 0 5 ，2 9 3 ，与6 7 t 6 j 。 1 2 2 污水中的磷的存在形式 污水中的磷的存在形态取决于污水的类型，最常见的是磷酸盐( h 2 p 0 4 。、 h p 0 4 2 、p 0 4 3 ) ，聚磷酸盐( p o l y p ) 和有机磷。聚磷酸盐或有机磷在水溶液中 经过水解或生物降解，最后都会转化成正磷酸盐。正磷酸盐在污水中呈溶解状态， 在p h 值为5 - - 1 0 的条件下，主要以h p 0 4 2 的形式存在川。 1 3 氮磷污染与水体富营养化 1 3 1 氮磷污染与水体富营养化的关系 当大量的氮磷排入水体会加速水体的富营养化过程。富营养化现象是指富含 磷酸盐和氮素的水，在光照和其它环境条件适宜的情况下，水中所含的这些营养 物质足以使水体中藻类过量生长，在随后的藻类死亡和随之而来的异养微生物代 2 苏州科技学院硕士学位论文 第章绪论 谢活动中，水体中的溶解氧很可能被耗尽，造成水体质量恶化和水生态环境结构 被破坏。 以藻类分子n 、p 结构的分析，藻类生长的限制因素是氮和磷，尤其是磷， 其含量通常决定着藻类的生长量。由于水中氮的缺乏，可以由许多能固氮的微生 物来补充，所以从藻类对氮、磷需要的关系看，磷的需要往往更为重要，藻类生 产力受磷的限制更为明显【g - 9 1 。 研究表明，每向水体中排放1 9 磷会导致9 5 0 9 藻类( 干重) 的生长。目前国际上 公认的水体发生富营养化的限制浓度是：总氮 0 2 m g l ，总磷 0 0 2 m g l 。根1 9 8 6 年至1 9 8 9 年，中国第一次开展的大规模湖泊富营养化调查结果，全国2 6 个主要湖 泊、水库中总氮全部高于0 2 m g l ，9 2 的水体总磷超过0 0 2 m g l ，富营养化的 危害极大，不仅在经济上造成损失，而且危害人类健康。富营养化的水体在很多 用途方面都被认为是劣质水体。 1 3 2 水体富营养化的危害 当水体发生富营养化时，水体生态平衡遭到破坏，水体的经济价值【lo 】降低。 在适宜的外界环境( 水域的物理化学环境等) 综合因素作用下促使水体中的藻类 过量繁殖，大多呈红色、绿色、褐色，使淡水发生“水华 ，海洋发生“赤潮”， 这是水体发生富营养化的重要标志【l 。当水体中氮磷等营养物增加到一定程度 后，会导致水中缺氧、。鱼虾死亡、水色变异这就是赤潮0 2 】。同时藻类和浮游生 物也大量繁殖，对饮用水源、水产业和工业用水带来很大的危害。当富营养化增 加到一定程度后，湖泊加速变浅，而湖水中浮游植物、沉水植物以及在湖岸边的 高大植物生长繁茂【1 3 1 。不久湖泊就要向沼泽地变异，湖泊就要消失【1 2 1 。 ( 1 ) 富营养化水体底部沉积大量的有机物，在水体缺氧情况下，加剧了水 体底部的厌氧发酵。如沼气发酵、硫酸盐还原反应等，也相应引起微生物种群， 群落的演替，改变了原来的生态环境。 ( 2 ) 水体富营养化导致赤潮或水华的发生，由于藻类和异养细菌的代谢活 动，耗尽了水中的溶解氧，大量藻类覆盖于水面，大气中的氧不易溶于水造成缺 氧，使浮游动物、鱼、贝类、虾等无法生存。其次有些藻类分泌致臭，致毒物质 及本身的死亡腐败使水质严重恶化。再加上赤潮生物很容易附在鳃上，导致窒息 死亡。使水产业受到严重危害。1 9 7 2 年日本纪伊水道播磨摊赤潮，使1 4 0 0 万尾鱼 死亡，1 9 7 8 年使细鱼死亡损失3 3 0 亿日元【1 4 1 。1 9 8 9 年福建福清县因发生赤潮致 使1 3 0 0 0 亩隘蛙绝收经济损失3 0 0 0 万元，河北省黄弊区近海赤潮使2 6 0 0 0 亩对虾受 灾，经济损失达2 5 0 0 万元等【1 1 1 。 ( 3 ) 赤潮生物中的微原甲藻、裸甲藻等能产生一种对人毒性很大的有毒物 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 质麻痹性贝毒( p s p ) ，而有些水产动物对其有较大抗性，当人误食了体内积聚了 p s p 的水产品，就能致病重者死亡。有些赤潮生物能产生一种腹泻性贝毒( d s p ) ， 主要积累在扇贝、贻贝等双壳动物的中肠腺，误食这些贝类后引起腹泻、恶心、 呕吐等。赤潮生物中的硅藻也能产生一种遗忘性贝毒( a s p ) ，其主要成分是软骨 藻酸【1 5 】。 ( 4 ) 由于人类经济的发展，对大自然造成了许多干扰，最主要的是氮、磷。 营养成分的增加，造成淡水、海水的富营养化，为水中这些微小生物的爆发性生 长提供了十分有利的条件。海水中约有4 0 0 0 余种浮游藻类，其中约3 0 0 种是可导 致海水变色的赤潮种【l o l 。在3 0 0 种赤潮种中约有7 0 种能产生毒素，可通过鱼或贝 类等食物链对人类造成毒害，可造成人类消化系统或神经系统中毒。同样的，淡 水中富营养化后，“水华”频繁出现，面积逐年扩散，持续时间逐年延长。淡水 中“水华”造成的最大危害是：饮用水源受到威胁，藻毒素通过食物链影响人类的 健康，蓝藻“水华”的次生代谢产物m c r s t 能损害肝脏，具有促癌效应，直接威 胁人类的身体健康【l 酬。 1 4 水体中磷的去除方法 1 4 1 化学除磷法 化学除磷法的基本原理是通过投加化学药剂形成不溶性磷酸盐沉淀物，然后 通过固液分离从污水中去除沉淀以达到除鳞的目的。磷的化学沉淀分为4 个步骤： 沉淀反应、凝聚作用、絮凝作用和固液分离。化学沉淀法的除磷效率较高，一般 可达7 5 8 0 ，且稳定可靠。一般情况下，出水总磷含量可满足l i n g l 的排 放要求。但化学除磷法会引入新的化合物，而且该法的试剂消耗量大，运行费用 高，产生大量且易造成二次污染的污泥。 1 4 2 生物除磷法 污水生物除磷技术是2 0 世纪7 0 年代美国和南非等国的水处理专家们在化学、 催化和生物方法研究的基础上提出的一种除磷技术。其实质是通过聚磷菌( p a o ) 过量摄取废水中的磷，以聚磷酸盐的形式积累于细胞内，然后随剩余污泥排出。 与化学除磷法相比较，生物除磷主要具有以下优点：( 1 ) 、除磷效率高；( 2 ) 、可 避免化学法除磷中大量的化学污泥：( 3 ) 、可减少活性污泥的膨胀现象、改善污 泥沉降性能、污泥易脱水、肥效高；( 4 ) 、动力消耗低，日常运行费用省：( 5 ) 、 操作方便；( 6 ) 、适用于现有污水厂的改造【1 7 】。目前许多国家己使用此技术，生 4 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 物除磷工艺不仅能够去除大量的磷，还能够在除磷的同时以大约l ：5 0 的比例去 除大量的有机物，而且主要在厌氧初期去除，这比例比反硝化去除的c o d 高 6 7 倍。因此从去除磷和去除有机物的角度来说，生物除磷工艺是高效低成本的 节能工艺。近来来，中国、法国、丹麦、加拿大、美国和南非等国的研究，己使 人们对此技术的理解大有进展。废水中磷的高效去除依靠于除磷生物机理的深入 研究和生物除磷工艺的改进。 1 5 生物除磷机理 1 5 1p 0 原理 到目前为止，国际上普遍认可和接受的生物除磷理论是“p a o ”的放摄原理 1 1 8 - 2 0 ，它是建立在欧州、南非、日本、北美、澳州等国的研究基础上的。在生物 除磷反应中存在着两类细菌；一类是非聚磷菌；另一类是聚磷菌。所谓的非聚磷 菌是指一般的细菌，它们为合成自身的细胞也需要一些磷，但除磷能力有限。聚 磷茵( p a o ) 在好氧条件下能过量地摄磷并以聚磷酸盐( p o l y p ) 的形式储存于细 胞内，而在厌氧条件下则能释放磷【2 。进入好氧区后，聚磷菌即可将储存的聚p 羟基丁酸盐( p h b ) 好氧分解，释放出的大量能量可供聚磷菌生长繁殖r 2 2 - 2 3 j 。当 环境中有溶解氧存在时，一部分能量可供聚磷菌主动吸收磷酸盐，非聚磷的好氧 性异养细菌虽也能利用废水中残存的有机物进行氧化分解，释放出能量可供其生 长繁殖；但由于废水中的有机物己被聚磷菌吸收、储存利用，所以在竞争上得不 到优势。可见厌氧、好氧交替的系统仿佛是聚磷菌的“选择器”，使它能够一枝独 秀 2 4 1 。 p a o 以循环方式经历厌氧好氧环境后，环境中的磷则在好氧条件下以聚磷 形式被过量“捆绑”在细胞内，从而可使磷以细胞方式被去除。聚磷菌除磷的过程 可由下面的生化模型表示1 2 列： 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 0 2 图l 生物除磷机理示意图 f i g 1t h ec h a r to f t h em a e h a n i s mo f b i o l o g i cp h o s p h o r u sr e m o v a l 聚磷菌对磷的过剩摄取： 在好氧条件下，聚磷菌为有氧呼吸，不断的氧化分解其体内储存的有机物， 同时也不断地通过主动输送的方式，从外部环境向其体内摄取有机物，由于氧化 分解，又不断地放出能量，能量为a d p 所获得，结合h 3 p 0 4 而合成a t p ( - - 磷酸腺 苷) ，即： a d p 十h 3 p 0 4 + 能量a t p + h e o 其中h 3 p 0 4 ，除一小部分是聚磷菌分解其体内聚磷酸盐而获取的外，大部分 是聚磷菌利用能量，在透膜酶的催化作用下，通过主动输送的方式从外部将环境 中的r 1 3 p 0 4 摄入体内，摄入的h 3 p 0 4 一部分用于合成a t p ，另一部分则用于合成 聚磷酸盐，这种现象就是“磷的过剩摄取”。 参考有关文献【2 6 l ，在好氧条件下聚磷的积累可以按简化的方式描叙如下： c 2 h 4 0 2 + 0 16 n h 4 + + 1 2 0 2 + 0 2 p 0 4 ) 。 o 16 c 5 h 7 r n 0 2 + 1 2 c 0 2 + o 2 ( h 3 p 0 4 ) ( 聚磷) + o 4 4 0 h + 1 4 4 h 2 0 聚磷菌的放磷： 在厌氧条件下，聚磷菌体内的a t p 进行水解，放出h 3 p 0 4 和能量，形成a d p ， 即： a t p + h 2 0 a d p + h 3 p 0 4 + 能量。 在厌氧条件下，聚磷酸盐的降解可以简示如下： 2 c 2 h 4 0 2 + ( h 3 p 0 4 ) ( 聚磷) + n 2 0，( c 2 h 4 0 2 ) ( 储存的有机物) + p 0 4 3 。+ 3 h + 这样，聚磷菌具有在好氧条件下过剩摄取h 3 p 0 4 ，在厌氧条件下释放h 3 p 0 4 6 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 的功能。 从细菌生物能学角度看 2 7 1 ，细菌质子移动力( t h ep r o t o nm o t i v ef o r c e 。简称p m f ) 在释磷和吸磷时，即磷在细胞内外的转移过程中起了决定性的作用，p m 堤细胞 质膜内外的化学渗透浓度梯度，其主要作用是通过膜结合酶复合体合a t p 和用于 运输基质到细胞内。此外，细菌具有维持p m f - 在某恒定最佳值上的趋势。厌氧 过程中，聚磷的分解将引起细胞内磷的积累。载体蛋白通过主动扩散将过剩的磷 排到胞外，同时，金属阳离子也被协同运输到细胞外，其宏观现象就是液相中磷 浓度升高。在厌氧状态下，细菌储存的多聚磷酸盐水解，为a t p 的产生提供所需 的能量，并使细胞内的乙酸活化产生乙酰辅酶a 。一部分乙酰辅酶a 可以转化为 p h b ，p h b 是细菌细胞内储存能量的脂质内含物。在厌氧条件下，活性污泥聚磷 菌内有大量p h b j 丑速合成【2 引。进入好氧区后，聚磷菌消耗大量内含物p h b 颗粒和 外源机质，产生p m f o 为了维持p m f l 拘恒定，聚磷茵通过消耗p m t 把胞外的磷以中 性或电阳性的形式主动运输到细胞内合成a t p ，合成聚磷酸盐。在好氧状态下， 细胞储存的p h b 降解代谢为生物合成提供碳，并通过t c a 循环( 三羧酸循环) 产生 a t p ，为合成细胞物质及细胞活动和聚磷酸盐的大量合成提供能量。因而在好氧 条件下，活性污泥聚磷菌细胞吸收磷使废水中磷高效去除。 d a w e s h 和s e n s o r ( 1 9 7 3 ) 指出，在储存能量的过程中，p h b 的合成十分独特， 因为只要保证乙酰辅酶a 的来源，该过程不需要a t p 的直接参与。但n a d h 的还 原能力十分重要，而且p h b 的形成过程被看成是一个发酸过程，该过程允许 n a d h 重新氧化成n a d 2 9 - 3 。当缺氧条件通过电子传输链阻碍了狮h 的重新氧 化时，这样的过程尤其重要。在细胞体内n a d + 及c o a 浓度很高而乙酰c o a 浓度 很低( 如外界有机碳来源受限而有氧存在) 时，p h b 就会分解【3 2 。 1 5 2 d p b 原理 兼性厌氧反硝化除磷细菌d p b 可利用0 2 或n 0 3 。作为电子受体，基于体内的聚 b 羟基丁酸盐( p h b ) 和糖原等的生物代谢原理与传统的p a o 极为相似。在厌氧 阶段，可溶解性b o d 被降解为低分子有机物，被d p b 迅速吸收之后大量繁殖，同 时水解细胞内的聚合磷酸盐将产生的无机磷酸盐排出细胞外，利用此过程产生的 a t p 、d p b 合成大量的p h b 贮存体内；而在缺氧阶段，d p b 以n 0 3 作为氧化p h b 的电子受体，利用降解p h b 产生的a t p ，大部分供给d p b 细菌合成( 包括糖原的 合成) 和维持生命活动，一部分则用于过量摄取水中无机磷酸盐并以聚合磷酸盐 的形式储存于细胞体内，同时n 0 3 被还原为n 2 。如此在厌氧、缺氧交替运行条件 下，即可实现d p b 反硝化效果。研究表明【3 3 l ，创造厌氧、缺氧交替的环境就可筛 选出以n 0 3 作为电子受体的d p b 。当微生物依次经过厌氧、缺氧和好氧3 个阶段 7 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 后，约占5 0 的聚磷菌既能利用0 2 又能利用n 0 3 。作为电子受体来吸收磷，而剩余 的微生物仅能利用0 2 作为电子受体，耳i d p b 的除磷效果相当于总聚磷菌的5 0 左 右。这一结果表明，除了0 2 可作为电子受体外，n 0 3 。也可以作为氧化p h b 的电子 受体；污水生物除磷系统中的确存在d p b 微生物，并且通过驯化可得到富集d p b 的活性污泥。 1 6 生物除磷系统中的主要微生物及其生理特性口帕 1 6 1 不动杆菌属 f u h s 和c h e n 认为，生物除磷是靠不动杆菌属的磷代谢完成的。此后的研究 证实，不动杆菌属的确是一类除磷微生物。1 9 8 0 年，d e i n e m a 等人以丁酸或戊 酸为碳源，对不动杆菌进行纯种培养。结果发现，在其生长早期阶段，此菌能过 量摄取培养基内的磷，于细胞内形成多磷酸盐，其含量可达细菌干重的1 0 - - 2 0 。此外，不动杆菌还具有积累脂肪酸和聚d 羟基丁酸盐的能力。1 9 8 3 年， b u c h a n 进行的纯种培养试验结果表明，不动杆菌过量积累的多磷酸盐含量达细 菌干重的2 5 ，而且其c a p 之比在0 1 0 3 6 之间。 但是，在1 9 8 5 年，d e i n e m a 等人却发现，在代谢旺盛期，不动杆菌于厌氧 条件下能降解其细胞内的多磷酸盐释放出磷酸。而处于稳定生长期的“老龄”菌却 没有这一特性。 生物除磷过程中，不同细菌之间存在着复杂关系，而纯种培养试验却不能反 映这些关系，从而使结果具有一定的局限性。为此，1 9 8 8 年，c l o c t e 和s t y e n 研 究了一种利用半透膜免疫荧光组合的新方法，以直接计数法鉴定废水生物除磷 活性污泥中的不动杆菌。用这种方法测试了南非c a p et o w n 北区废水生物除磷 处理厂活性污泥中的不动杆菌的数量和除磷能力。测试结果表明，在曝气池内的 所有细菌中，不动杆菌虽占7 9 9 4 - - 8 9 9 4 ，但其实际的除磷能力只有3 0 - 3 4 8 6 。因此，两者之间无直接联系。这进一步说明，在废水生物除磷处理的活 性污泥中，除了不动杆菌外，其他细菌也起着重要作用。 1 6 2 气单胞菌属 气单胞菌属也是聚磷菌之一。b r o d i s c h 和j o y n e r 发现，在活性污泥的整个细 菌组成中，这类细菌占1 2 - 3 6 ，且在厌氧和缺氧区内所占比例有时比好氧区 的高。b r o d i s c h 、m e g a n e k 和m a l n o u 等研究了此类菌的生理学性能，主要结果 为： 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 在废水除磷处理工程中，能够过量摄取废水中的磷形成多磷酸盐内含物。 但其主要作用是降解有机物，即在厌氧条件下，利用某些糖和醇为基质，代谢生 成短链挥发性脂肪酸； ( 2 ) 能进行反硝化。其中，嗜水性气单胞菌( a e r o m o n a sh y d r o p h i l a ) 可以 使硝酸盐还原成亚硝酸盐，而其他的一些菌种则可以使硝酸盐直接还原成氮气。 1 6 3 假单胞菌属 1 9 8 5 年，s u r e s h 等人通过纯种培养试验，考察了运转正常的厌氧好氧( a o ) 废水生物除磷处理系统曝气池内活性污泥中所分离的假单胞菌属的磷代谢性能。 结果发现： ( 1 ) 它们能够累积多磷酸盐，其含量达细菌干重的3 l ； ( 2 ) 在好氧条件下，这类菌从对数生长期到稳定生长期时，多磷酸盐含量也 随培养时间的延长而增加； ( 3 ) 在好氧条件下，这类菌在稳定生长前期的多磷酸盐激酶的增长速率是对 数生长期的1 0 倍。然而，当该菌生长到稳定期的中后期，多磷酸盐激酶的增加 速率降低为对数生长期的3 倍。这与细胞内的多磷酸盐含量变化趋势恰恰相反， 可见多磷酸盐对多磷酸盐激酶有抑制作用； ( 4 ) 在整个处理系统的除磷过程中，这类菌起着重要作用。 1 9 9 2 年，周岳溪研究了自除磷效果良好的循序间歇式废水生物除磷处理装 置中的活性污泥中所分离的优势菌假单胞菌的磷代谢生理特性【3 5 j 。试验结果表 明： ( 1 ) 假单胞菌具有聚磷菌的共性：在厌氧好氧培养过程中的厌氧阶段发生 磷释放，转入好氧阶段后产生过量摄磷现象； ( 2 ) 在过量摄磷过程中，其细胞外膜上诱导产生的磷酸专一性孔道蛋白起着 重要作用； ( 3 ) 在好氧条件下，以乙酸盐为基质培养时，向培养基内滴加酸，会导致胞 内多磷酸盐降解而释放磷。反之，向培养基内滴加碱，则导致产生过量摄磷现象， 而加n a o h 所引起的磷摄取量较n a h c 0 3 的大。 1 6 4 一株革兰氏阳性聚磷菌 从除磷的活性污泥中，使用加有丙酮酸盐的琼脂平板分离到一株革兰氏阳性 聚磷菌 3 6 1 ，该菌呈卵形或者球杆状( 0 4 - - - 0 7 1 , r n x o 5 - 1 o l * m ) ，以单细胞、成 9 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 对或者不规则块状的形式存在。通过甲苯胺蓝染色能够观察到细胞内的多磷酸盐 颗粒。先用含有机物的培养基厌氧培养，等到有机底物消耗殆尽，随后进行好氧 培养时，该菌的纯培养物能够快速地吸收磷( 9 2 m g g 干重) 。在厌氧培养时，若 以醋酸盐作为唯一碳源，则该菌的培养物不能除去磷。这些生理特征与 m i c r o l u n a t u sp h o s p h o v o r u s 的生理特征是相似的，但是与m i c r o l u n a t u s p h o s p h o v o r u s 的除磷能力相比该菌培养物的除磷能力相对较弱，而且它的除磷能 力也不会因为重复进行厌氧好氧培养而有所提高。该菌含有甲基萘醌 m k 8 ( h ( 4 ) ) ，作为主要的类异戊二烯的泛醌，它可能主要负责磷酸盐的转移，因 为m k 8 ( h ( 4 ) ) 在许多的除磷活性污泥中都占有相当高的比例。经过系统发生分 析和其他生理生化特性比较，表明该菌与t e t r a s p h a e r ae l o n g a t a 相近， t e t r a s p h a e r ae l o n g a t a 是从活性污泥中分离到的新的聚磷菌。 1 6 5 菌株t - 2 7 t t - 2 7 t 是从生物除磷系统中分离到的新种【y 7 1 ，革兰氏阴性，棒状，好氧生长。 菌株在2 5 3 5 都能够生长，但最适生长温度为3 0 。在2 0 天的培养过程中， 发现菌体在低于2 0 c 或者高于3 7 的条件下都不能生长。生长的p h 范围为 6 5 - 9 5 ，但最适为7 0 。该菌能利用酵母提取物、蛋白胨、琥珀酸盐、醋酸盐、 明胶和安息香酸盐。奈瑟氏染色呈阳性，d a p i ( 4 ，6 d i a m i d i n o - 2 - p h e n y l i n d o l e ) 染色后的细胞内含物呈黄色荧光，表明细胞内含有多磷酸盐颗粒，呼吸链中主要 的醌类是甲基萘醌9 ，细胞含有的脂肪酸主要是i s o c 1 5 0 ，c 1 6 ：l 和c 1 4 ：0 。 基因组d n a 的g 屺碱基对百分含量为6 6 。1 6 s r d n a 序列分析表明该菌株属 于细菌域的新属新种，即g e m m a t i m o n a sa u r a n t i a c ay e n 1 o v ，s p 以d v ，模式菌株 为t - 2 7 t ( t - 2 7 t = j c ml1 4 2 2 t = d s m1 4 5 8 6 t ) ，这个类群在自然界广泛存在，与 a c t i n o b a c t e r i a ( 1 8 序列分歧s e q u e n c ed i v e r g e n c e ) 相比，该类群有更大的系统 发生变动( 1 9 0 序列分歧s e q u e n c ed i v e r g e n c e ) 。 1 6 6 成簇细胞 在澳大利亚的一个处理厂，发现有大量成簇聚集的细胞，它们既不是革兰氏 阴性，也不是革兰氏阳性，但是细胞内都有多磷酸盐颗粒d 引。在其他一些生物 除磷系统中，也发现具有类似特征的细胞。f i s h 分析结果表明，这些细胞属于 原核的多- p r o t e o b a c t e r i a ，但是这些大量成簇聚集的细胞与用于聚磷菌的f i s h 探 针不一致。这些细胞能够利用醋酸盐、谷氨酸盐和天冬氨酸盐，但是在厌氧和好 氧条件下都不能利用葡萄糖。尼罗兰a ( n i l eb l u e a ) 染色同时结合微自动射线 l o 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 照相术( m a r ，m i c r o a u t o r a d i o g r a p h y ) 表明，在厌氧培养的细胞中有p h a 颗粒。 1 6 7 菌株p 1c r ) s p r i n gs 分离到一株细菌，革兰氏阴性，好氧生长，能够运动，菌体呈棒状 【3 9 1 。该菌不能进行自养生长，能够将硝酸盐还原为亚硝酸盐，需要维生素才能 生长，含有u b i q u i n o n e8 ( q 8 ) 和3 羟基脂肪酸，但不含2 羟基脂肪酸。1 6 s r d n a 序列分析表明，在系统发生树上与其关系最近的是p s e u d o m o n a ss p i n o s a 、 m a c r o m o n a sb i p u n c t a t a 、h y d r o g e n o p h a g as p e c i e s ，基因组d n a 的g 屺碱基对 百分含量为6 7 。该菌的表型特征与h y d r o g e n o p h a g a 和m a c r o m o n a s 属中的典 型种的特征有明显不同，然而d n a d n a 杂交实验说明该菌株也不属于 p s p i n o s a 。p i ( t ) 菌株和p s p i n o s aa t c c1 4 6 0 6 ( t ) 都能够在细胞内累积大量的聚羟 链烷酸和多磷酸盐颗粒。在这两株菌中，氮源限制能够促进聚羟链烷酸在细胞内 累积，然而碳源限制减少了多磷酸盐在细胞内的累积。 该菌是从活性污泥中分离到的，是研究生物除磷的模式菌株，有很高的聚磷 活性和对磷酸盐的吸收和释放能力m 】。m p h o s p h o v o r u s 能在细胞内累积多磷酸盐 和数量可观的p h a 。p h b 是p h a 的主要储存形式，占细胞干重的2 0 - - 3 0 ，它 的含量最高能达到1 4 2 1 m g l 。由于菌体的生长迅速，生物量较高，同时在细胞 内累积p h b 并且发酵时不会产生大量的副产物，所以可作为生产p h a 的生物来 源。 以上为目前研究较多的几种主要的除磷菌。还有一些既能进行反硝化作用， 又具有累积多磷酸盐能力的细菌，如：肠杆菌属、放射土壤杆菌、枯草芽孢杆菌、 节杆菌属、着色杆菌、棒杆菌属、脱氮微球菌、粘球菌属、链球菌属、迂回螺菌、 氧化硫硫杆菌等等。此