（细胞生物学专业论文）污水处理芽孢杆菌的耐盐诱变育种研究.pdf

舢删i i f | ij|jifilil y 17 9 5 8 1 “3 污水处理芽孢杆菌的耐盐诱变育种研究 s t u d yo f s a l t t o l e r a n c em u t a t i o no nas e w a g e t r e a t m e n tb a c i l l u s s p 指导教师：王关林教授 申请学位级别：博士学位 专业名称：细胞生物学 论文答辩日期：加d f 形 学位授予单位：辽宁师范大学 学位授予时间：殉d 多 答辩委员会主席：寺岔纬 论文评阅人：程仅绎孝橇箍丝羽够 学位论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除 特别加以标注和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果， 其他同志的研究成果对本人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做了明确的声明并表 示谢意。 学位论文作者签名： 到兰曳 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授权 辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名：量l 鱼指导教师签名： 签名日期： 加j o 年上月2 彳日 污水处理芽孢杆菌的耐盐诱变育种研究 污水处理芽孢杆菌的耐盐诱变育种研究 摘要 。淡水资源的缺乏问题同益严重，废水的处理及其回收利用更受到人们的重视。海水 直接用于日常生活和工业生产而产生的高盐废水已对环境造成了严重的污染。高含盐有 机废水的处理难度很大，主要是因为迄今未有理想的高盐污水处理菌种。为此，培育高 盐污水处理新菌株是当务之急。 诱变方法是利用物理或者化学的方法使微生物通过自然选择规律自主的发生突变， 随后再人为地定向进行筛选，因此，此方法不仅具有可靠性，而且还能得到稳定的遗传 突变株。 本文旨在采用微生物诱变育种技术，对已有的淡水污水处理菌株进行耐盐诱变筛 选，并且对其污水处理特性是否保持进行二次筛选，以得到既耐盐又保持污水处理能力 的污水生物处理菌株。以期为高盐污水的生物处理提供更好的生物资源。 本研究取得如下成果： 1 以一株淡水污水处理菌株蜡样芽孢杆菌( b a c i l l u sc e r e u s ) 作为出发菌株，对不同的 诱变方法进行比较分析，最后得出一种最佳的复合诱变方法为n t g 和6 0 c oy 射线的复 合处理方法。 2 选取蜡样芽孢杆菌( b a c i l l u sc e r e u s ) 为出发菌株进行诱变育种，采取最佳诱变方法 对出发菌株进行了诱变处理、耐盐筛选并且生物学鉴定，最后获得1 l 株耐盐能力提高 的突变株。 3 对耐盐突变株进行了污水处理性能的筛选：对已获得的1 1 株耐盐突变株进行污水处 理的降解能力实验，筛选得到一株污水降解性能保持并且具有高耐盐特性的菌株。由此 得到一株既耐盐盐有又具有污水处理能力的菌株y w l 0 1 。 4 对突变株与原生物菌剂的配合作用即生物强化作用研究：将此突变株投入到原污水处 理菌剂中进行了含盐污水的处理实验，结果将其投加到复合菌剂共同处理含盐污水的效 果明显提高。 5 对耐盐菌株在盐环境的生长状态进行扫描电镜和透射电镜的观察，首次观察到特殊的 巨型芽孢杆菌，推测其原因是由于含盐环境下生长分裂异常形成的。同时观察到菌株在 一定含盐环境中为适应高的渗透压出现了细胞表面大量分泌物质，以及随着盐浓度的升 高发生的质壁分离、细胞质降解、出现空腔直至死亡等现象。 关键词：含盐污水；芽孢杆菌；诱变育种；超微结构 污水处理芽孢杆茵的耐盐诱变育种研究 s t u d yo f s a l t t o l e r a n c em u t a t i o no nas e w a g et r e a t m e n tb a c i l l u ss p a b s t r a c t n l e1 a c ko ff r e s hw a t e rr e s o u r c e si sas e r i o u sa n dg r o w i n gp r o b l e m a n dt h et r e a n t m e n ta n d r e c y c l i n go fw a s t e w a t e ri sb e c o m i n gh i g h l yv a l u e d 1 1 1 et r e a t m e n to fh i g h s a l i n ew a s t e w a t e r f r o ms o m es a l t e n dm a r k e t si n c l u d i n ga g r o - f o o di n d u s t r yi sas e r i o u sp r o b l e my e tt ob es o l v e d i ns o m ec o a s t a lc i t i e s b u tt h et r e a t m e n to fh i 【g h - s a l i n ew a s t e w a t e ri sn o te a s yb e c a u s eo ft h e l a c ko fs a l t t o l e r a n tm i c r o b i a lr e s o u r c e s t h e r e f o r e i t so fg r e a tu r g e n c yt ob r e e ds a l t t o l e r a n t s t r a i n sf o rt h et r e a t m e n to fh y p e r s a l i n ew a s t e w a t e r t h ei n d u c t i o nm u t a t i o nm e t h o du s ep h s i c a lo rc h e m i c a lt e c h n i q u e so nm i c r o o r g a n i s m st og e t s o m ea u t o n o m o u sm u t a t i o na n ds c r e e ns o m ek i n do fm u t a n to np u r p o s e s ot h i sm e t h o dn o t o n l yh a st h ea d v a n t a g eo fd e p e n d a b i l i t yb u ta l s oc o u l dg e t h e r e d i t a r ym u t a n t s i nt h i ss t u d y o n es a l t t o l e r a n tm u t a n tn a m e dy 陟z o1w a ss c r e e n e do u tb y s e w a g et r e a t m e n t a n dp r o v e dt ob eag e n e t i c a l l ys t a b l es a l t - t o l e r a n ts t r a i nf o rs a l i n ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t a n d t h ef o l l o w i n 2w o r k sa r ec a r r i e do u tm a i ne x p e i m e n t a lr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n s ： 1 aw a s t e w a t e rt r e a t m e n ts t a i nb a c i l l u sc e r e u sw a sc h o s e nf o rt h ei n i t i a ls t r a i n t h e n , l o r so f e x p e r i m e n t sw a sc a r r e do u tt of i n dab e s tm e t h o df o rt h em u t a t i o no ft h i sb a c i l l u ss p ，a n da c o m b i n e dm e t h o do fn t ga n do u c oyr a yw a ss e l e c t e df o rt h ef o l l o 诮n gt r e a t m e n t 2 t h e nt h ec o m p l e xm e t h o dw a su s e dt oo b t a i na s t e a d ya n dh e r e d i t a r ys t r a i nw h i c hc o u l d t o l e r a t eh i g hs a l tc o n c e n t r a t i o n sa n dh a dt h ec a p a c i t yt ot r e a tw a s t e w a t e r a n d1 1s a l t t o l e r a n t m u t a n tw e r ea b t a i n e da f t e rs u b c u l t u r ef o rm a n yt i m e s 3 t h e n , as e c o n d a r ys c r e e n i n gt e s tw a sp e r f o r m e df o rc o d ( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) a n d t o c ( t o t a lo r g a n i cc a r b o n ) r e m o v a le f f i c i e n c ya n a l y s e s a tl a s t ，t h eb e s tm u t a n ty w i ，- 0 1 、析t hi n c r e a s e dc a p a c i t yt ot r e a ts a l i n ew a s t e w a t e rw a sc h o s e nf o ru s e r a p df r a n d o m a m p l i f i e dp o l y m o r p h i cd n a ) a n a l y s i so fg e n e t i cs t a b i l i t yo nt h em u t a n ty w l - 0 1s h o w e d t h a ti ti sah e r e d i t a r ym u t a n tf o rt h et r e a t m e n to fh i g h s a l i n ew a s t e w a t e r 4 t h ea b i l i t yo ft h em u t a n tt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ei n i t i a lm i c r o b i a lc o m m u n i t yt o t r e a ts a l i n ew a s t e w a t e rw a sa l s oi n v e s t i g a t e d a n di tp e r f o r m e dw e l lw h e na d d e di n t ot l l e i n i t i a lc o m m u n i t yi nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t 5 i na d d i t i o n e x p e r i m e n t so fs e ma n dt e mw a sc a r d e do u ti n o r d e rt os t u d yt h em e c h a n i s m o fi t ss a l t t o l e r a n c e a n ds o m en o v e lp h e n o m e n o nw a so b s e r v e df o rt h ef i r s tt i m e m e ni n s a l i n ew a t e r t h ec e l ld e v i s i o no ft h i ss t r a i np e r f o r m e du n n o r m a l k e yw o r d s ：s a l i n ew a s t e w a t e r ；b a c i l l u ss p ；m u t a g e n e s i s ；u l t r a s t r u c t u r e 1 1 1 污水处理芽孢杆菌的耐盐诱变育种研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目勇匙v 第1 章前言1 1 1高含盐废水的产生途径1 1 1 1海水直接用于日常生活和工业生产1 1 1 2来源于工业生产排放的高浓度无机盐废水2 1 1 3其它含盐废水2 1 2生物处理含盐废水的研究现状3 1 2 1非生物处理高盐废水的方法3 1 2 2 废水中的高盐度对生物处理有机物的影响：4 1 2 3生物处理含盐废水的方法6 1 2 4耐盐或嗜盐微生物处理废水的应用8 1 3微生物耐盐机理研究进展8 1 3 1高盐环境中生长的微生物的分类8 1 3 2微生物的耐盐机理研究进展一9 1 4 微生物菌种选育技术的研究进展l1 1 4 1自然选育1 1 1 4 2诱变育种1 1 1 4 3杂交育种14 1 4 4 代谢调控育种1 5 1 4 5基因工程育种15 1 4 6微生物选育技术在废水的生物处理中的应用进展1 5 1 5突变菌的鉴定方法研究1 6 1 6生物强化技术研究进展16 1 6 1直接投加特效降解微生物或共代谢基质类物质1 7 1 6 2引入生物强化制剂17 v 污水处理芽孢杆菌的耐盐诱变育种研究 1 6 3固定化生物强化技术17 1 7 本课题研究的意义、目的和内容1 8 1 7 1已有研究的不足1 8 1 7 2本课题研究的意义18 1 7 3本课题研究的目的及内容18 第2 章污水处理芽孢杆菌的诱变育种技术研究2 0 2 1 实验材料与方法2 0 2 1 1 实验材料2 0 2 1 2 实验方法21 2 1 2 1 诱变方法21 2 1 2 2 芽孢的诱变2 3 2 1 2 3 筛选方法。2 3 2 1 2 4 芽孢杆菌y 在含盐培养基与海水浓缩培养基的生长2 3 2 2 结果与讨论2 3 2 2 1 不同培养基对芽孢杆菌y 生长曲线的影响2 3 2 2 2 最佳诱变剂量的确定2 4 2 2 3 营养细胞与芽孢对诱变的敏感性2 6 2 2 4n a c l 浓度与海水的比较2 7 2 3 本章小结2 7 2 3 1 复合诱变具有一定的高效性2 7 2 3 2 营养细胞与芽孢的诱变技术的特异性2 8 2 3 3 纯n a c i 筛选与海水筛选的对应关系2 8 第3 章耐盐突变菌的筛选及其降解特性研究2 9 3 1 实验材料与方法2 9 3 1 1 实验材料2 9 3 1 1 1 实验菌株2 9 3 1 1 3 培养基2 9 3 1 2 实验方法3 0 3 1 2 1c o d 和t o c 的测定3 0 3 1 2 2 抗盐诱变和筛选31 v i 污水处理芽孢杆菌的耐盐诱变育种研究 3 1 2 3 突变菌株生长与降解条件实验3 2 3 1 2 4 模拟淡水生活污水处理3 2 3 1 2 5 模拟海水污水处理3 2 3 2 结果与讨论3 3 3 2 1 高耐盐突变株的获得3 3 3 2 1 1 耐盐突变株的筛选3 3 3 2 1 2 突变株耐盐能力比较3 3 3 2 2 突变株y w l 0 1 生长与降解条件的确定3 5 3 2 2 1 标准曲线3 6 3 2 2 2 最佳生长与降解温度的确定3 7 3 2 2 3 最佳生长与降解p h 的确定3 8 3 2 2 4 最佳生长与降解转速的确定3 9 3 2 3 突变株在不同污水中生长能力比较4 l 3 2 3 突变株处理污水能力比较4 1 3 2 3 1 突变株的淡水降解能力比较4 1 3 2 3 2 突变株的海水污水降解能力比较4 2 3 2 3 3 突变株在含盐污水中生长与降解的关系4 3 3 2 4 突变株耐盐及降解污水的稳定性分析4 3 3 3 本章小结4 4 3 3 1 突变菌株y 虮，一0 1 高效降解含盐污水的动因4 4 3 3 2 耐盐基因家族的遗传独立性4 4 3 3 3 遗传性突变菌与生理性突变菌的遗传特性4 5 第4 章耐盐突变菌的鉴定4 6 4 1 实验材料与方法4 6 4 1 1 实验菌株4 6 4 1 1 实验仪器4 6 4 1 2 主要试剂4 6 4 1 3 实验方法4 7 4 1 3 1 突变株的形态及生理生化鉴定4 7 4 1 3 2 菌株全细胞蛋白的提取及s d s p a g e 电泳分析4 7 v i i 污水处理芽孢杆菌的耐盐诱变育种研究 4 1 3 3 菌株全基因组d n a 的提取及r a p d 扩增4 8 4 2 结果与讨论4 9 4 2 1 突变株y w l o1 的经典细菌学鉴定4 9 4 2 2 出发菌株y 与突变株y w l 0 1 的s d s p a g e 蛋白电泳谱比较5 1 4 2 3 出发菌株y 及其突变株y ，0 1 的r a p d 分析5 2 4 2 3 1d n a 的定量及检测5 2 4 2 3 2 出发菌株y 与突变株y ，0 1 的r a p d 图谱分析5 3 4 2 3 3 突变株y 阢，0 1 的遗传稳定性分析5 5 4 3 本章小结5 6 4 3 1 菌株y ，0 1 在形态和生理生化上证明是突变株5 6 4 3 2 突变株y ，0 l 在蛋白表达上发生了变异5 6 4 3 3r a p d 分析表明突变株y ，0 1 在基因水平上发生了变异5 6 第5 章耐盐突变菌在不同盐度下的细胞超微结构观察5 8 5 1 实验材料与方法5 8 5 1 1 实验材料5 8 5 1 1 1 供试菌株5 8 5 1 1 2 实验仪器5 8 5 1 1 3 培养基5 8 5 1 2 实验方法5 9 5 1 2 1 菌株的培养5 9 5 1 2 2 扫描电镜5 9 5 1 3 3 透射电镜5 9 5 2 结果与讨论6 0 5 2 1 不同盐度培养基中生长的细胞形态表征6 0 5 2 2 不同盐度培养基中生长的细胞内部结构6 2 5 3 本章小结7 3 5 3 1 突变菌在高盐环境中表征特征发生了变化7 3 5 3 2 突变菌在高盐环境中内部结构发生了变化7 3 第6 章耐盐污水处理菌株的生物强化作用的初步研究7 5 6 1 实验材料与方法7 5 v i i i 污水处理芽孢杆茵的耐盐诱变育种研究 6 1 1 实验材料7 5 6 1 1 1 供试菌株7 5 6 1 1 2 实验仪器7 5 6 1 1 3 培养基7 5 6 1 2 实验方法7 6 6 1 2 1 突变株的c o d 降解能力测试7 6 6 1 2 2 突变株y 广0 1 突变株与复合菌剂配合7 6 6 2 结果与讨论7 6 6 2 1 突变株y w l 0 1 降解污水的生物学活性7 6 6 2 1 1c o d 去除率的时效性7 6 6 2 1 2n a c l 浓度对c o d 去除率的影响7 7 6 2 2 突变株y w l 0 1 对复合菌剂的生物强化作用：。7 8 6 2 3 突变株y w l o1 对实际污水的降解作用7 9 6 3 本章小结7 9 6 3 1 突变株m ，0 1 在含盐污水处理中具有生物强化作用7 9 6 3 2 突变株y m ，0 1 具有实际应用价值8 0 第7 章结论与展望8 1 7 1 本文主要结论8 1 7 2 建议8 1 创新点摘要8 3 参考文献8 4 攻读硕、博士期间发表学术论文情况9 0 致谢9 1 i x 污水处理芽孢杆菌的耐盐诱变育种研究 第1 章前言 1 1 高含盐废水的产生途径 随着水资源的日益短缺，废水的处理及其回收利用也受到人们越来越多的重视。高 盐度废水是指总含盐( 如n a + 、k + 、c 1 、8 0 4 2 - 等) 的质量分数不少于1 的废水川。该 类废水中除含有大量的无机盐以外，还含有有机物以及质量分数至少为3 5 的总溶解 性固体物t d s ( t o t a ld i s s o v e ds o l i d ) 1 2 j 。一般来说，盐的主要用途为化工厂、道路除冰以 及农业食品工业。除此之外，盐在其他方面也有不可忽略的用途，比如石油工业、制革 业、纺织业以及硬水软化产业。所有这些部门都产生出大量的含盐废水，包括n a c l 和 有机物。如果这些废水不经处理直接排放到环境中，就会对土壤、地表以及地下水产生 极其严重的危害f 3 】。具体来说，高含盐废水主要来自以下几个方面： 1 1 1海水直接用于日常生活和工业生产 目前，世界上许多地区面临着淡水资源短缺的问题，我国是个水资源严重缺乏的国 家，人均淡水拥有量仅有2 4 3 0m 3 ，仅列世界的第11 0 位，约占为世界平均水平的1 4 【4 j 。 在沿海地区，由于经济发达、人口稠密，淡水资源的供需矛盾更加突出。而地球上的海 水资源丰富，大约覆盖了近3 4 的地球表面，在陆地的淡水资源日益短缺的严峻形势下， 人们把目光投向了“取之不尽用之不竭”的海水，这样可以在一定程度上缓解沿海地区 淡水紧缺的局面。 所谓海水直接利用是指将海水经简单处理( 不包括海水淡化) 或不经处理直接替代 某些场合使用的淡水资源。目前，海水利用的主要方法为直接利用，大约占海水利用总 量的9 0 以上，海水的直接利用已成为大多数沿海城市解决淡水资源短缺的一条有效的 途径。比如，1 9 9 5 年在日本，直接利用的海水已经超过1 2 x1 0 1 1r n 3 ，2 0 0 0 年美国近 1 3 的工业用水取自海水，西欧六国每年直接利用海水2 5 1 0 1 1m 3 【5 】。海水可以直接 利用于很多方面，包括： ( 1 ) 海水可以直接用作工业冷却水。工业用水中有7 0 8 0 为工业冷却水，而海水的引 入可以大大节约了淡水资源，在电力、钢铁、化工、机械、食品、纺织等行业都有利用。 海水用作工业冷却水的历史已有几十年，现在，日本沿海城市的绝大多数企业工业用水 量的4 0 5 0 为海水，美国工业用水量的1 5 为海水，谣欧六国在2 0 0 0 年的海水利用 量已达到2 5 0 0 1 0 8m ，1 6 。在我国，海水作为工业冷却水的利用也已有8 0 年的历史， 比如青岛、大连、上海、天津、秦争岛等沿海城市的电力、化工、橡胶、纺织、机械、 污水处理芽孢杆茵的耐盐诱变育种研究 塑料、食品等行业均大量引入海水。但是我国的海水年利用量仅为6 0 x1 0 8m 3 ，相比之 下还是大大地落后于美日等先进国裂5 。 ( 2 ) 海水用于工业的生产用水。在建材、印染、化工等行业的某些生产工艺中，海水可 以直接作为生产用水。近年来，海产品加工企业的数量逐渐增多，生产量急剧上升。在 海产品加工厂，解冻、冲洗海产品等加工工艺以及其他工艺环节都用海水直接代替淡水， 这样既能够提高海产品的质量，又大大节约了大量的淡水资源。在碱厂，海水用来代替 淡水用于化盐工艺。在很多电厂，把海水作为冲灰水使用，节省了大量的淡水资源。 ( 3 ) 海水用作城市生活用水。海水在城市生活用水中主要应用于冲洗道路和器具、冲洗 厕所、绿化、消防以及游泳娱乐等方面1 7 】。中国香港在本世纪5 0 年代末就已经开始大规 模的应用海水冲厕，其冲厕海水量已经达到4 3 x1 0 5m 3 d ，约为全港淡水用量2 2 5 x1 0 5 m 3 d 的1 7 【6 j ，并因此成为世界上唯一以海水作为冲厕水的城市。另外，我国的其他 沿海城市如大连、深圳、天津、烟台、青岛等的个别单位，也有一些采用海水冲厕的实 践，但是规模较小。 无论海水直接用于以上的哪一个方面，最终都将进入城市污水处理厂【8 】。 1 1 2来源于工业生产排放的高浓度无机盐废水 一些工业行业在生产过程中排放出高含盐的有机废水，如石油化工、印染、皂素、 腌制、造纸、杀虫剂、除草剂、有机过氧化物、制药等，海产品、奶制品加工、食品罐 装等工业部门排放的有机废水也同样含有高浓度的无机盐类( 主要为氯化钠和硫酸盐 等) 1 9 1 。在食品加工工业，含盐废水主要产生于盐溶液的应用以及为得到成品所使用的 氯化钠固体。在腌制工业中，主要的含盐废水来自于罐头加工和腌制的工艺流程，尤其 在橄榄油压榨厂排放了大量的含盐污水i l 。在渔品加工工业中，伴随海产品捕捞而来的 海水含有大量的蛋白氮、有机物以及盐【1 1 1 。在制革工业中，把生皮制成革制品的工艺过 程包括了一系列需要加入大量盐分的漫长过程，这些都产生了大量的含盐废水，对环境 的污染程度不容忽视【1 2 1 。在石油工业中，精炼石油过程中需要的去乳化剂以及倾倒油 水乳状液的废水含有大量的盐分，至少是海水的三倍【1 3 1 。此类废水中不仅含有大量的无 机盐，而且同时含有大量的难降解的有毒有害物质，这些物质的直接排放严重的影响了 周围的生态环境【l 4 。 1 1 3 其它含盐废水 船舶压载水以及大型船舰上所产生的生活污水等都是高含盐的废水。沿海地区的海 水渗入城市下水道会增加城市污水的盐度；某些地下水异常地区的天然水比一般淡水的 含盐量要高很多，如河北平原的部分地区的浅层地下水为咸水，其总溶解固体浓度可以 2 污水处理芽孢杆菌的耐盐诱变育种研究 到5g l 左右【1 5 】。废水最小化生产过程也产生大量的含盐废水。虽然废水最少化主要主 张从源头减少废物含量，但是其过程中仍然无法控制废物的产生。结果，废物的总体积 减少了，但是其中的有机物和无机物的浓度却升高了。另外，由于海水淡化过程中也产 生一定的浓盐水，这种浓盐水不但含盐量高，而且也含有海水预处理时引入的一些化学 物质，导致其排放的水的浓度比海水本身约高1 0 1 5 【1 6 】。 1 2 生物处理含盐废水的研究现状 1 2 1非生物处理高盐废水的方法 目前，含盐有机废水主要采用两种处理方式：非生物方法( 物理、化学) 和生物方 法。废水的高盐度通常对生物处理系统存在一定的抑制作用，因此通常采用物理化学 方法去除废水中的有机物及盐类。目前己研制出来的主要技术包括蒸发、混凝、离子交 换、电化学和膜分离处理技术。热处理技术即蒸发法是一种低能耗的方法，因为其利用 太阳能蒸发作为一种低成本的技术用于浓缩含盐废水中的盐分和有机物成分，从而减小 含盐废水的体积。比如在制革工业中采用太阳能蒸发法处理皮毛在清洗过程中产生的高 盐浸洗液【1 2 】。混凝技术是利用混凝剂对废水进行吸附处理，其主要原理是根据低分子电 解质对胶体微粒产生电中和作用和胶体微粒的架桥作用来去除污染物。但是此方法对盐 的去除作用并不显著，通常作为一种预处理工艺技术与其他方法联合使用。离子交换技 术是一种常用的技术用来软化硬水。电化学方法是指，在高盐度条件下，由于阳离子和 阴离子的存在，废水具有较高的导电性，这一特点为电化学方法在高盐度有机废水的处 理提供了有利条件。随着世界各国对水环境污染的重视，焚烧技术也已经越来越多地使 用于高浓度有机废水的处理中。2 0 世纪6 0 年代开始，美国采用流化床焚烧炉焚烧处理 各种废弃物1 7 1 。此外，膜分离技术是在压力差、浓度差、电位差等的压力的存在下交换 某种分子的技术。虽然此方法对盐的去除不太合适，但是可以去除固体悬浮物和废水的 c o d t l 8 】。但是，物理化学方法处理具有能耗高、启动和运行的费用也高的缺剧1 9 】，并 且还可能带来二次污染。而生物处理方法由于具有独特的优势而备受青睐，生物法是目 前世界上公认的处理废水的一种较好的方法。 由于纯物理化学或者生物方法处理含盐废水各有其利弊，目前全球倾向于一种采用 物理化学及生物方法共同作用的统一的处理流程，如图1 1 所示。而其中生物处理过程 中最重要的便是耐盐生物的利用。 污水处理芽孢杆菌的耐盐诱变育种研究 竽 ：= 挈。 堇 = 爱 t r e a t m e n tc h a i n ：o b j e c t i v e s l i _ i _ i f 匦墨画刁 ；一立一 ；窜 ! 一一三一一一一， e ：牟篓一l i 土 i 堕釜碗二1 图1 1 全球处理含盐污水的一般流程【3 】 f i g 1 1s i m p l i f i e dg e n e t i cs e q u e n c eo f t h eg l o b a lt r e a t m e n tc h a i no fh y p e r s a l i n ew a s t e w a t e r 1 2 2废水中的高盐度对生物处理有机物的影响 生物处理技术因为其经济、高效而被广泛应用于污水处理中，但是当盐度过高时， 会破坏微生物的细胞膜和菌体内的酶，对微生物的生长产生抑制作用，使废水处理无法 达到理想的效果。无机盐类在微生物生长过程中起着促进酶反应、维持膜平衡和调节渗 透压的重要作用，但是当盐( n a c l ) 质量分数大于1 时会造成质壁分离或者细胞失活 【2 0 】，严重影响了废水的处理效果和出水水质。淡水环境的微生物在盐浓度较高的环境中 代谢酶活性受阻、生长缓慢，从而导致在废水中有机物的去除率降低。有很多研究表明， 普通活性污泥不能处理含盐质量分数3 5 的废水。关于高盐含量对生物处理的影响， 现在主要有两种观点： ( 1 ) 高盐环境及盐浓度的变化对生物处理具有抑制作用 含盐废水的主要毒物为高浓度的无机盐，其对废水生物处理的毒害作用主要是通过升高 的环境渗透压而破坏微生物的细胞膜和菌体内的酶，从而破坏微生物的生理活动【2 1 1 。 微生物在等等渗透压下生长良好。微生物在质量分数为5 l 一8 5g l 的n a c l 溶液中， 红血球在质量分数为9g l 的n a c l 溶液中形态和大小不变，并且生长良好；在低渗 透压清框架( p ( n a c l ) = o 1g l ) 下，溶液中的水分子大量渗入微生物体内，使微生物的 4 污水处理芽孢杆菌的耐盐诱变育种研究 细胞发生膨胀，严重者破裂，导致菌体死亡；在高渗透压( p ( n a c l ) = 2 0 0g l ) 下， 微生物体内的水分子大量渗到体外，使细胞发生质壁分离列，如下图所示。雷云【2 3 】等认 为，生活在淡水环境下或者淡水处理系统中的不同微生物接种到高盐环境下，仅有部分 微生物存活，当盐度超过2 0g l 时，一般认为淡水微生物是无法进行废水处理的。 卜等渗溶液b _ 低藩溶液 一莎高渗溶液 图1 2 细菌在不同渗透压溶液中的反应【2 2 1 f i g 1 2t h er e a c t i o no f b a c t e r i ai nd i f f e r e n to s m o t i cp r e s s u r e 在含盐污水处理系统中，盐度过高会对微生物生长产生抑制，刘正1 2 4 j 认为其主要 原因在于：盐度过高时渗透压高，会使微生物细胞脱水，引起细胞原生质分离即质壁 分离；在含盐浓度高的情况下，盐析作用会使脱氢酶活性降低；高氯离子浓度对 细菌有毒害作用；由于水的密度增加，活性污泥容易上浮流失。为此，高浓度的含盐 废水的生物处理需要对废水进行稀释，使其盐的质量分数 1 0g l 时，微生物的呼吸速率降低。l a w t o n 2 7 等发现，当 n a c l 浓度 2 0g l 时，会导致滴滤池的b o d 去除率降低；l u d z a c k l 2 8 1 等发现在此浓度 下，活性污泥法的b o d 去除率降低，同时污泥的絮凝性变坏，出水s s 升高，硝化细菌 收到抑制。s h i m s h o n t 2 9 】以含高浓度的卤代有机物废水进行的试验表明，b o d 去除率会 随着盐浓度的增加而降低。c h i n g g u a n gw e n l 3 0 1 发现，高盐环境下处理含盐反应器中溶 解氧的浓度较低。k i n c a n n o n l 3 1 】做实验证明，高盐环境下的污泥较一般污泥的糖类、蛋 白质含量低，而脂类、r n a 含量高。由此可见，对于高含盐废水的生物处理中，盐浓 度的大幅度变化会影响高含盐废水生物处理系统的正常运行。因此，在高含盐有机废水 污水处理芽孢杆菌的耐盐诱变育种研究 的生物处理系统中，应加强对盐浓度的控制和监测，使盐浓度的波动控制在一定范围之 内，从而保持生物处理系统始终在一个稳定的运行状态。 ( 2 ) 适当的含盐量可以提高生物处理系统中污泥的絮凝性，在一定程度上对生物处理系 统起到稳定作用 w o o l a r d f 3 2 等在用嗜盐微生物处理含盐量为l 1 5 的含酚废水时发现，即使含 盐量高达1 5 ，嗜盐微生物对酚的去除率仍然在9 9 左右。h a m o d a 3 3 】等的研究认为， 在高盐环境下，微生物的生物活性和废水的有机物去除率均有所提高，n a c l 含量为0 9 l 、 1 0 l 和3 0g l 时，废水的t o c 去除率分别为9 6 1 3 、9 8 1 9 和9 9 1 2 。由此可见， 在高盐环境中，微生物的生长并没有受抑制，相反却促进了某些嗜盐微生物的生长，使 得反应器内的微生物浓度增加，提高了有机物的降解率。 1 2 3生物处理含盐废水的方法 高盐有机废水是难处理的工业废水之一，目前多采用两种处理方式，即先脱盐后处 理和不脱盐直接处理。前者成本高、耗费大，而后者多依赖于耐盐菌的投加采用生物法 处理含盐废水。 生物法是处理含盐废水的最为传统和目前广泛流行的方法；一般有如下几种方法： 传统活性污泥法；厌氧处理系统；序批式反应系统；生物膜法，比如生物流化床、生物 接触氧化法等；从盐湖、盐田、盐沼中采取菌种，培养驯化嗜盐、耐盐细菌。以上的几 种方法可根据实际废水的情况，相互结合，达到更为理想的处理效果。 高盐废水生物处理的方法是依赖能适应高盐环境的生物降解菌对于废水的分解作 用。对于这种菌的选择有的研究者采用驯化淡水微生物使其适应一定的高盐环境来处理 废水，有的直接采用耐盐或者嗜盐微生物。二者各有利弊，前者费时并且有可能不稳定， 而对于后者，已有的耐盐或者嗜盐的微生物的降解特性还有待进一步研究，菌源不多。 ( 1 ) 驯化淡水微生物处理高盐废水。适应于淡水环境生活的微生物在进入到一定浓度的 含盐环境后，会通过调节自身的渗透压、调节自身的代谢途径、改变自身基因组等途径 来适应环境，因此，淡水的活性污泥可以在一定盐度范围内通过一定时间的驯化处理含 盐废水。但是，虽然污泥通过一定时间的驯化可以提高系统的耐盐范围及处理效率，但 毕竟污泥中的微生物对于盐度的耐受范围是有限的，而且对环境盐度的变化敏感。当环 境的盐度变化时，微生物的适应性会立刻消失。因此，驯化只是微生物适应环境的暂时 性生理调整，不具有遗传特性。这种适应性的敏感对污水处理工程的实施非常不利。由 于耐盐的范围有限，对于盐度在3 5 以下的废水，可以采用驯化耐盐微生物的方法对 高盐有机废水进行处理。有研究认为，在盐度 2 ) ，高有机负荷的情况下。k a p d a n 和e r t e n a i 删接种嗜盐菌到厌氧反应器 中，在盐度为3 0g l ，水力停留时间为1 9h 时，其c o d去除率达到9 4 。s b r 由 于其抗冲击负荷强，因而在高盐有机废水处理的研究中经常采用，在制革废水、含酚废 7 污水处理芽孢杆菌的耐盐诱变育种研究 水及渔业废水中都有良好的处理性能【1 2 , 3 2 , 3 7 。 1 2 4耐盐或嗜盐微生物处理废水的应用 目前，有许多研究表明，生物法处理高盐废水的过程中，投加耐盐菌能改善盐分对 微生物活性的抑制作用，大大地提高了对废水中有机