1微生物检测技术

微生物是指一切肉眼看不到或看不清楚的一群微小生物的总称。个体微小(直径小于0.1毫米),构造简单。微生物包括细菌、放线菌、原生动物、藻类和原虫)和非细胞型微生物(如病毒)等。微生物在自然界分布及其广泛,在生态系统中能量流动和物质循环中扮演着重要的角色,微生物不仅是分解者的重要组成部分,并且在生产者中也不乏微生物的存在,其体积小、面积大,吸收多、转化快,生长旺、繁殖快,适应强、易变异,分布广、种类多。

微生物系统以其强大的能量与人类日常生活、健康联系非常密切,工业应用也日益广泛。微生物数目、种类、群落结构等变化能够较好的反映其生存环境的改变,通过这些改变能够发现新的过程并解释过程的机理,然而微生物小而复杂,需要一些特殊的技术检测,目前微生物监测方法主要有传统微生物学方法和现代微生物分析方法。

1.1传统微生物学方法

传统微生物分析方法是以培养为基础,主要集中在对环境微生物个体或菌落水平的观察和分析,包括微生物的分离、培养、保存,以及微生物呼吸、代谢、分泌物(酶)活性等的测定。然而,自然界中能被培养的环境微生物非常有限,不到整个自然界的1%,仅仅依靠以培养为基础的传统微生物分析方法很难满足当今对微生物资源研究和开发的需要。

1.2现代微生物分析方法

与传统微生物分析方法不同,现代微生物分析方法方法不以微生物的培养为前提,而是以分子生物学、生物标记等为基础,分析不同环境中微生物的群落结构、生物量以及生物多样性等的变化。与传统方法相比,现代微生物分析方法受人为因素影响更小,测得结果更为准确,测试指标更为全面和详细,从中获取的信息更为丰富。

1.2.1荧光原位杂交(FISH)技术

荧光原位杂交技术是根据已知微生物不同分类级别上种群特异的DNA序列,以利用荧光标记的特异寡聚核苷酸片段作为探针,与环境基因组中DNA分子杂交,检测该特异微生物种群的存在与丰度。微生物细胞在载玻片上脱水后,与带有荧光染料标记的寡核糖探针在一定温度下混合。具有与探针碱基对完全互补序列的RNA随即与探针发生杂交,从而使该菌体在荧光显微镜下发出荧光。FISH技术多用于分析单个细胞水平上的微生物群落结构,以rDNA为靶点的寡核苷酸探针,可用于原位鉴定单个细胞。

1.2.2变性梯度凝胶电泳(DGGE)

DGGE是根据DNA在不同浓度的变性剂中解链行为的不同而导致电泳迁移率发生变化,从而将片段大小相同而碱基组成不同的DNA片段分开。DGGE对微生态的分析一般包括三个步骤:核酸提取,16SrRNA序列的PCR扩增以及DGGE指纹图谱分析。

DGGE已广泛用于分析自然环境中细菌、蓝细菌,古菌、微型真核生物、真核生物和病毒群落的生物多样性。这一技术能够提供群落中优势种类信息并同时分析多个样品,具有可重复和操作简单等特点,适合于调查种群的时空变化,并且可通过对条带的序列分析或与特异性探针杂交分析鉴定群落组成。DGGE方法的局限性是,只能分离较小的DNA片段(<500 bp),使用于系统发育分析比较和探针设计的序列信息量受到了限制。在某些情况下,存在一菌多带和一带多菌现象。

1.2.3末端限制性片段长度多态性分析技术(T-RFLP)

T-RFLP是一种新兴的研究微生物多态性的分子生物学方法,该技术已经成功应用于各种微生物群落的分析比较、研究微生物群落多样性及结构特征等多方面。

T-RFLP的技术原理是根据的保守区设计通用引物,其中一个引物的5'末端用荧光物质标记,提取待分析样的中DNA,以他为模板进行PCR扩张,所得到的PCR产物的一段就带有这种荧光标记,然后PCR产物有合适的限制性内切酶进行消化。由于在不同细菌的扩增片段内存在核苷酸序列的差异,酶切位点就会存在差异,酶切后就会产生很多不同长度的限制性片段。消化产物用自动测序仪进行测定,只有末端带有荧光性标记的片段能被检测到。因为不同长度的末端限制性片段必然代表不同的细菌,通过检测这些末端标记的片段就可以反应微生物群落组成情况。

1.2.4克隆文库

克隆文库法是70年代早期重组DNA技术的一个发展,其原理是针对目标微生物的16S rRNA或功能基因进行选择性扩增,将扩增后的产物连接到载体上并与载体一起转入受体细胞。带有重组扩增后的产物连接到载体上并与载体一起转入受体细胞。带有重组质粒的受体细胞经过选择性的培养,最终将带有正确长度插入片段的克隆筛选出来。再测定克隆产物的基因序列,通过与GeneBank数据库中已有数据的对比,即可鉴定目标微生物的系统发育地位,许多序列可以鉴定到种的水平。克隆文库有效地弥补了基于培养的传统微生物技术的局限性,尤其适于对微生物群落中难以培养或含量不高的微生物种群的分析(Sanz and Kochling 2007)。克隆文库的不足是,烦琐耗时,不适合对微生物群落结构的动态监测。不过,克隆文库对某些分子生物学分析方法有很好的补充作用。

1.2.5高通量测序技术

高通量测序技术(High-throughput sequencing)又称“下一代”测序技术,以能一次并行对几十万到几百万条DNA分子进行序列测定和一般读长较短等为标志。根据发展历史、影响力、测序原理和技术不同等,主要有以下几种:大规模平行签名测序(Massively Parallel Signature Sequencing,MPSS)、聚合酶克隆(Polony Sequencing)、454焦磷酸测序(454 pyrosequencing)、Illumina(Solexa)sequencing、ABI SOLiD sequencing、离子半导体测序(Ion semiconductor sequencing)、DNA纳米球测序(DNA nanoball sequencing)等。454 Pyrosequencing是被研发出的首个高通量基因组测序系统,它采用的是焦磷酸法测序法。454测序的原理为,纤维化微阵列孔中固定有扩增产物磁珠Bst(Bacillus stearothermophilus,嗜热脂肪芽孢杆菌)聚合酶和单链结合蛋白。由于微孔的直径为29μm,而一个磁珠的直径通常为28μm,因此每个孔内只能容纳一个磁珠。孔板的一侧为试剂的流动室,在测序反应时加入含有固相化ATP硫化酶和荧光素酶的扩增产物磁珠;另一侧为光纤束信号检测设备。测序过程中,每隔数百个循环引入一种未标记的核苷酸。在聚合酶的作用下,核苷酸会结合在模板序列的对应位点上,同时释放出焦磷酸。再在各种酶的催化下,焦磷酸将萤光素氧化成氧化萤光素并释放出光信号。使用信号检测设备检测释放出的光信号,即可判断该种核苷酸在模板上的结合位点。因此,通过加入不同的核苷酸类别,确定其结合位点,就可以推知模板的碱基排列顺序。相较于其它的第二代测序技术,454平台的优点是读取长度较长。

微生物检测技术为微生物在各个领域的研究工作带来了诸多便利,较大程度的促进了微生物技术的工程化。尤其在处理各行各业污水,微生物的更新发展速度快,如果想要达到最好的处理效果,对微生物的生长状态、种类、群落结构等的监测往往是非常重要的。尤其在微生物强化技术的应用中,由于污水水质变化较快并且投加药剂对微生物群落都是不小的冲击,微生物检测技术在微生物强化技术应用于污水处理行业提供了更深一步研究的可能。

2微生物强化技术的原理及特点

随着经济、技术的不断发展,大量的污染物质被排放到水体中,其中一些有机物对微生物有毒害作用,或者在固有环境中缺乏降解这些污染物的微生物,再或者一些污染物质不能被微生物直接利用,传统的微生物技术已经不能满足污水处理的需要。这就需要用到微生物强化技术。生物强化技术是向传统的生物处理系统中引入具有特定功能的微生物,提高有效微生物的浓度,增强对难降解污染物的降解能力,提高其降解速率,并改善原有生物处理体系对目标污染物的去除效能。将利用生物强化技术得到的菌种应用到传统生物技术中去或者开发适合微生物强化技术的新的处理工艺,受到了越来越多的关注。

2.1生物强化技术原理

生物强化技术通过微生物的直接作用,共代谢作用,基因水平转移作用,等几种方式来降解污染物。

2.1.1直接作用

直接作用就是通过驯化、筛选、诱变、基因重组等技术得到一株以目标降解物质为主要碳源和能源的微生物,并向处理系统中投入一定量的该菌种,以增强去除效果。

2.1.1.1对有机物的直接作用

就有机物而言,随着工业的发展和人们生活水平的提高,大量的有机物排放到水体中,使水体发黑发臭,富营养化,严重影响了水体的功能和质量。复杂有机物在微生物胞外酶的作用下转变成简单那有机物,简单有机物被好氧微生物吸收后,在好氧微生物胞内酶的作用下转变为CO2和H2O,被厌氧微生物吸收后在胞内酶的作用下转变成CO2、H2O、H2、CH4、H2S及有机酸、醇、酮、醛等未完全氧化的氧化产物。其中有一些复杂有机物难以被微生物利用,或者会对微生物产生毒害作用,从而会对为微生物的群落结构产生影响。由于有机污染物兼具污染物和碳源的特性,会对水体中微生物群落产生十分复杂的影响,它对环境中微生物的影响是具有选择性的,一些种群因受到毒害而没落,但是能够分解这种有机物的微生物种群能够得以幸存和发展,因而我们可以利用某些微生物的这种特性去降解一些复杂,难降解,有毒害的有机污染物。

2.1.2.2对重金属的直接作用

某些微生物在重金属元素的胁迫下,通过调整自身新陈代谢活动,适应了受重金属污染的环境,通过各种机制对重金属产生了抗性,并且可以对重金属进行吸附、络合、沉淀和化合价转化,从而达到去毒作用。对重金属有抗性的微生物种群是修复重金属污染微生物的主要来源。

微生物主要通过四种方式实现对重金属污染的修复:一、微生物可以吸附环境中的重金属,研究表明,细菌、真菌等微生物具有吸附重金属离子的功能,吸附过程包括两个阶段,胞外吸附和胞内转移。首先,由于微生物的细胞壁表面含有一些基团(例如巯基、磷酰基、羟基、羧基),这些基团都含有P、S、O等原子,这些原子都含有孤对电子能为重金属离子提供配位络合的电子对,使重金属结合在细胞壁上,然后被吸附的金属离子通过主动运输被转移到微生物细胞内,供其生命活动,或被积累下来。二、利用微生物的氧化还原作用能够改变重金属离子的价态,可以将重金属转变成不易溶解的沉淀状态使其毒性降低,从而达到去毒作用;三,微生物对重金属的络合、沉淀作用。一方面微生物可以通过直接作用,或向环境中释放代谢产物改变重金属所处环境的PH值,使其沉淀下来降低毒性;另一方面,微生物的某些代谢产物排出体外后可以与环境中的重金属离子发生络合反应,改变其迁移性和毒性。

2.1.2共代谢

共代谢是指对于一些有毒有害物质,微生物不能以其为碳源和能源生长,但在其它基质存在的情况下,微生物能够改变这种有害物的化学结构使其降解。大部分有机化合物难以被微生物直接作为生长碳源和能源使用而被降解,共代谢是此类化合物主要微生物降解机制。例如牦牛分枝杆菌在丙烷上生长的同时,有能力共代谢环己烷,将环己烷氧化成能被假单胞菌种群利用的环己酮,而这些假单胞菌没有能力直接利用环己烷。共代谢机制的存在可能是由于一、微生物体内缺少进一步降解的酶系,二、中间产物的抑制作用,三、需要另外的基质,或必须和其它微生物联合作用。共代谢机制的存在,大大拓展了微生物对难降解有机物的作用范围。但是共代谢微生物生长缓慢,物质转化效率低,容易引起一些有毒物质的积累。目前关于有机物共代谢的机制还没有完全研究清楚,但共代谢作为一种代谢机制广泛存在于共基质的生物降解过程中,并作为一种新技术在难降解有机废水治理中已取得了应用。

2.1.3基因水平转移作用

细菌中的一些核心基因被认为是比较保守的,是垂直遗传的,而水平基因转移是指在差异生物个体之间所进行的水平遗传物质的交流。水平基因转移的最早证据是发现抗生素的广泛使用后的抗性基因的快速扩散。研究表明细菌间水平基因转移包括接合、转化和转导3种基本方式。水平基因不具有种间或基因组间的特异性,能在细菌间广泛转移。接种含有可移动基因组分可为微生物引入特定特征的代谢基因。一旦代谢活性的基因组分在土著微生物中转移、表达,就不再需要供体。例如,Springael等向活性污泥和活性污泥-膜生物反应器中引入P.putidaBN210菌株,这种微生物携带能降解3-氯苯甲酸(3CBA)的clc基因。利用PCR-DGGE分析表明,尽管2个反应器中BN210菌株消失,反应器仍具有降解3CBA性能,表明clc基因组分已转移到土著微生物中。降解基因的水平转移使细菌群落能更快的适应污染环境,有力的促进了环境中一些污染物的降解,从而增强了微生物生物修复效果。

2.2微生物强化技术的实现

我们可以通过从自然界中筛选菌株,构建基因工程菌,购买商业菌剂来实现来获得高效的菌株。

2.2.1高效菌株的培育

2.2.1.1从自然界中筛选菌株

在自然界中,处理污染所需要的菌株与其它微生物混杂在一起,为了获取高效菌株,就必须将其从混杂的微生物群体中分离出来,进行进一步的发酵培养。要获得高效菌株,在长期驯化或受污染环境中,通过选择性培养基分离具有特定降解性能的微生物,再通过富集培养、多次分离纯化得到高效微生物用于生物强化,具直到现在,利用这种分离方法筛选到的高效菌仍是生物强化技术的主流。理想菌株的筛选是生物强化技术决定性因素;新的生态环境对生物强化效果也有重要影响。

2.2.1.2构建基因工程菌

构建基因工程菌,也就是运用微生物遗传学的手段去改造微生物特性,使之获得高耐毒性、高降解活性以及特异或广谱降解污染物等优良遗传性状,从而创造出新的高效生物处理工艺。利用高效降解基因工程菌生物强化处理难降解污染物,有利于提高污染物降解速率,并对提高处理系统的抗冲击负荷能力具有显著效果。

基因工程菌的构建过程主要包括以下的5个方面:1、从供体细胞中分离出基因组DNA,用限制性核酸内切酶分别将外源DNA和载体分子切开;2、用DNA连接酶将含有外源基因的DNA片段接到载体分子上,形成DNA重组分子;3、借助于细胞转化手段将DNA重组分子导入受体细胞中;4、短时间培养转化细胞,以扩增DNA重组分子或使其整合到受体细胞的基因组中;5、筛选和鉴定转化细胞,获得使外源基因高效稳定表达的基因工程菌或细胞。

作为现代生物工程的关键技术,基因工程的主体战略思想是外源基因的稳定高效表达,近年来研究人员对基因工程菌进行了大量的研究,取得了一定的成就。例如,白腐真菌产生的木质素过氧化物酶(LiP)在污染治理领域中具有广阔的应用前景,但其发酵生产受到白腐真菌自身生长调控条件的限制,LiP基因的异源表达是解决这个瓶颈问题的有效途径。本课题组通过实验,获得了白腐真菌木质素过氧化物酶(LiPH2)基因,分别将其转化于巴斯德毕赤酵母(Pichia pastoris)和大肠杆菌(Escherichia coli),获得LiPH2基因的异源表达特性。并用于废水脱色处理,获得了良好的效果。

2.1.1.3购买商业菌剂

微生物制剂是指将从自然界中筛选出或人工培育、具有特定降解功能的微生物,来制成菌液制剂,或将其附着在载体上制成干粉制剂,以改善环境状况和强化处理系统为目标,通过菌群构建等科学方法得到的具有特殊功能的生物制品。商业菌剂中通常含有处理污染所需要的完整的微生物群落,由自养、异养、兼性菌构成。

选择购买商业菌剂时注意一下事项:1、在较低或较高温度下生长的能力;2、抵抗高浓度污染物的能力;3、抗重金属的能力;4、在较宽泛的环境和介质中生存的能;5、产生生物表面活性剂,更利于与污染物接触。

本课题组已经分离、鉴定了多株可用于水产养殖水体修复的光合细菌、芽孢杆菌、乳酸菌、氨氧化菌群与反硝化细菌,并形成复合菌剂,在污染水体中实现了初步应用。微生物挂膜菌剂,该产品是卓越的活性微生物和酶的混合体,含有异养硝化细菌,好氧反硝化细菌,芽孢杆菌和光合细菌等多种微生物以及脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶等生物酶。

2.2.2高效菌种在投加系统内的保持及活力表达

陌生的生态环境也是生物强化技术成功的一个主要障碍。有时生物强化技术的失败并不是由于缺乏相关的、具有代谢功能的微生物,而是由于缺乏维持微生物正常代谢功能和活性的环境条件。尽管各种单一的或混合菌株加入生态系统中能够提高该生态系统中生物降解潜能,但效果经常是短暂的。原生、后生动物的捕食,与土著微生物竞争营养物质、电子受体,湿度、温度、pH、DO、污染物浓度、毒性和微量元素等多种因素共同影响生物强化的效果。因此,为了给外源微生物创造良好的生态环境,一方面,可通过生物刺激与生物强化相结合,提高外源微生物的竞争力,如提供充足的营养、微量元素等,另一方面,通过各种固定化手段防止接种微生物流失,减少直接捕食等。

2.3生物强化技术的应用特点

尽管生物强化在生物修复中的作用在环境微生物学术界的评价褒贬不一,而且许多成功的实践都仅停留在实验室阶段,但存在对微生物有毒性作用的污染物或缺乏一定数量和质量有效微生物的生物处理系统中,生物强化技术有明显的优势。微生物强化技术操作简单,能够因地制宜,灵活的应用于不同污染特性的环境中,这种技术针对性强,能够有效针对目标物质发生作用,并且见效速度快。但是同时微生物强化技术也存在着自身的不足和问题,系统中的高效菌的不易存活,并且容易流失,其数量和活性不容易控制,其次,对于投加基因工程菌进行生物强化还存在一定的环境风险。

3微生物强化在水处理中的应用

生物强化技术具有高效去除目标污染物、加速系统启动、提高系统抗水力及有机负荷能力以及优化系统菌。群结构和增强功能稳定性等功能,在废水生物处理实际应用中潜力巨大。国内外生物强化处理技术在水处理方面的应用主要有以下几个:(1)高浓度有机废水;(2)有毒、有害难降解污染物的治理;(3)脱氮除磷;(4)改善系统污泥特性,降低污泥产量;(5)强化废水中油脂的液化和降解;(6)江河湖泊等的水体修复;(7)地下水生物修复;

3.1去除难降解有机物

研究者们利用各种手段分离到具有特定降解性能的微生物,通过生物强化手段,提高有效微生物的浓度,改善生物系统的处理效果。

Wang等以喹啉作为目标污染物,在厌氧-缺氧-好氧(A/A/O)系统以喹啉降解菌Burkholderia pickettii强化处理焦化废水。结果表明,厌氧、缺氧和好氧反应器中COD的去除率分别为25%、16%和59%。Shi等在活性污泥反应器后设置以2,4-DCP降解菌为生物强化菌剂处理生活污水和多氯酚的混和液的反应器,结果表明,2,4-DCP降解菌不仅提高了2,4-DCP的处理效率,同时提高其他多氯酚如4-氯酚、2,4,5-三氯酚的去除率,并改善了系统抗毒性物质冲击负荷能力。

在含有难降解化合物的造纸废水、制药废水、染料废水和农药废水生物处理中,应用高效微生物强化,都取得了一定的成效。随着进入水体环境污染物种类增多,很多是结构复杂的化合物或多种化合物的混合物,只有非常专一的菌株或具有特定代谢性能的微生物才能降解。如一些典型的化学污染物包括多环芳烃、卤化有机物、多氯联苯、多硝基芳烃和有机磷等农药和杀虫剂。由于这些物质对微生物有毒害作用,相应具有代谢功能的微生物数量很少,因此这些物质会长期残留在环境中,造成污染。用常规的生物处理方法很难达到理想的效果,生物强化技术成为有效的辅助手段。

3.2去除废水中过量营养物

由于工农业生产排放大量的无机盐,使水体中氮、磷等营养物含量过高,引起富营养化。而生物法处理这些污染物时,相应的微生物生长缓慢,或维持高浓度微生物的条件控制困难。如生物硝化工艺主要缺点之一是启动时间长、污泥流失或遭受冲击负荷后很难恢复。这些问题主要是由于硝化菌生长速率缓慢,硝化菌产率低,因此生物强化技术被广泛引入相应的生物处理系统中。Satoh等研究了硝化菌生物强化对转盘生物膜反应器启动的影响,表明硝化菌强化极大地促进生物膜中硝化菌群的高密度生长,导致快速启动和原位硝化活性的提高。接种的微生物能在生物膜中扩增或繁殖。硝化菌的加入提高了生物膜表面硝化菌的丰度,从而导致硝化速率加快。

许燕滨等采用原生质体融合技术,将两株具有含氯有机化合物降解特性的菌假单胞T21和诺卡氏菌RB21融合构建成一株高效降解含氯有机化合物工程菌,应用于造纸漂白废水后显示融合菌去除CODCr和总氯的能力比混合菌分别提高72.05%和190%。Belia等利用纯培养菌株Acinetobacter lwoffii对传统活性污泥进行强化,使聚磷菌在微生物中占主导地位,成为强化生物除磷工艺(EBPR)。实验证实,生物强化14d后能够将传统污水处理厂的活性污泥转化成为EBPR污泥,能适应磷负荷冲击。

3.3维持生物系统的稳定性

污染物的化学性质、浓度、环境的理化特征(pH、氧化还原电位和温度等)、微生物对污染物的可利用性等多种因素影响微生物的生存及代谢活性。生物处理系统易受各种因素的影响导致系统不稳定,甚至系统崩溃。利用生物强化技术,可提高有效微生物浓度,减轻各种外界因素对系统的冲击。

Boon等研究了3-氯苯胺对活性污泥反应器的冲击、对系统受冲击后氨氮去除效率的恢复、污泥菌群结构和功能的变化,如硝化效果、有机物去除效率和污泥沉降性能等多方面的影响。在非生物强化的反应器中,受3-氯苯胺2d的冲击后,出现氨氮积累,硝化活性在12d内不能恢复,COD的去除率下降36%;而生物强化反应器中硝化活性在4d内恢复,COD的去除效率没有下降。结果表明,接种32氯苯胺降解菌株强化加速了32氯苯胺的降解,保护硝化菌群,改善反应器受毒害物质冲击后的恢复能力。

表1生物强化在水处理中的应用类型、规模和成效

4本中心在微生物强化方面的成果

北京市水处理环保材料工程技术研究中心,通过多年的科研工作,在基因工程菌,微生物菌剂及湿地生物强化方面取得了显著成绩,并在河湖污染水体的生态修复、生活及工业废水处理中得到了应用,取得了良好的效果。

4.1基因工程菌-白腐真菌

白腐真菌产生的木质素过氧化物酶(LiP)在污染治理领域中具有广阔的应用前景,但其发酵生产受到白腐真菌自身生长调控条件的限制,LiP基因的异源表达是解决这个瓶颈问题的有效途径。

本课题组通过实验,获得了白腐真菌木质素过氧化物酶(LiPH2)基因,分别将其转化于巴斯德毕赤酵母(Pichia pastoris)和大肠杆菌(Escherichia coli),获得LiPH2基因的异源表达特性。并用于废水脱色处理,获得了良好的效果。

Burkholderia cepacia G4,在芳香族化合物存在的条件下能够共代谢三氯乙烯(TCE),但降解中间产物会对该菌起毒害抑制作用。通过Tn5插入产生Burkholderia cepacia G4 5223-PR1,能够从结构上表达降解TCE的邻甲苯单氧合酶,因此在没有诱导物(如芳香族化合物)的情况下也可降解TCE。

4.2微生物复合菌剂

本课题组已经分离、鉴定了多株可用于水产养殖水体修复的光合细菌、芽孢杆菌、乳酸菌、氨氧化菌群与反硝化细菌,并形成复合菌剂,在污染水体中实现了初步应用。微生物挂膜菌剂,该产品是卓越的活性微生物和酶的混合体,含有异养硝化细菌,好氧反硝化细菌,芽孢杆菌和光合细菌等多种微生物以及脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶等生物酶。

4.3生物强化湿地

丛枝菌根真菌广泛存在于陆生环境中,对促进逆境下植物生长,植物抗污染胁迫,抗病虫害,加速环境污染修复进程等都有积极作用。我们的初步研究发现其对湿地植物生长,抗重金属铅镉胁迫等有积极作用。目前正在调查湿地丛枝菌根真菌和菌根化植物的多样性,为强化湿地植物的生长和抗逆能力提供基础。

采用分子生物学手段,检测微生物群落变化规律与处理效果的关系,提出基于群落结构调控的强化手段。

4.4微生物燃料电池

微生物燃料电池是利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等),把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置。在微生物燃料电池中用微生物作生物催化剂,可以在常温常压下进行能量转换。微生物燃料电池具有以下特点:①可利用生物废物/有机物发电,清洁环保,它能够直接利用生物废物和有机物产生电能,产出的能量可以用作污水处理厂的运行,或者在电力市场出售;②将底物直接转化为电能,能量转化率高。由于微生物燃料电池的能量转化没有中间过程,因此能量转化效率相应升高;③复电快,每次利用很短的时间补充底物MFC就可以继续工作;④污泥产量低,由于电能的产生,微生物燃料电池中微生物的生长速率比普通的好氧处理过程相比低很多;⑤简化了气体处理过程。一般厌氧处理过程排出的气体含有高浓度的氮气、硫化氢和二氧化碳,其次是需要的甲烷或氢气。微生物燃料电池排出的气体一般无毒无害,可以直接排放;⑥可节省曝气装置,如果采用单室微生物燃料电池,选用空气阴极,被动通风的方式,则不需外加能量用于曝气。

本课题组结合科技部国际合作项目《利用有机废水直接产电微生物燃料电池技术合作研究》,开展了了微生物燃料强化活性污泥法脱氮技术的研究。具体是将MFC技术与传统的A2O处理工艺相结合,将MFC的阳极置于A2O的厌氧段,阴极置于缺氧段,来强化传统污水处理工艺的脱氮效果,同时产生电能。目前已经取得了较好的效果。

5结语

由于废水处理系统是一个半开放有些甚至完全开放的复杂的生态系统,水质水量、环境条件的波动,强化菌与各种土著微生物相互作用以及操作条件的变化等都会给强化系统的处理效果带来不可预测的影响,许多成功的实践都仅停留在实验室阶段,但存在对微生物有毒性作用的污染物或缺乏一定数量和质量有效微生物的生物处理系统中,生物强化技术有明显的优势。对现场生态特征有全面理解的基础上,原位生物强化修复技术已成为去除污染物的环境友好技术之一。用特定的有效微生物强化,可提高废水生物处理系统中难降解有机物的降解效率、改善系统脱氮除磷效率、提高系统稳定性等。

高效微生物筛选是生物强化技术成功的决定性因素。改进传统高效菌种筛选时以目标污染物的降解为惟一手段,结合微生物的遗传特征、污染物可生物降解性和生物修复速率等多方面因素,可开发出能够维持异常代谢特征或对化学污染物或环境压力具有更好耐受性的高效菌种。通过分析环境微生物菌群的组成和结构,微生物的生态环境、种群结构和数量变化,筛选具有高效降解性能、良好生态适应性、能在目标污染地维持相当持久性和活性的微生物菌株作为生物强化接种体,是提高生物强化技术的有效手段。

基因工程手段构建具有高效降解性能的土著微生物,或直接利用具有代谢性能的可移动基因组分进行强化,可避免与土著微生物竞争资源和空间,是未来生物强化技术的发展方向。

分子生物学技术对生物强化技术不仅在构建高效微生物中发挥重大作用,而且是监控、探测、分析高效微生物在新的生态系统中种群结构多样性及变化的有力工具。以16SrRNA目标寡核苷酸探针的荧光定量杂交(FISH)、变性梯度凝胶电泳和温度梯度凝胶电泳(DGGE/TGGE)等分子生物学手段与微生物生态学相结合,是评价生物强化和生物刺激的有效工具,已经成为研究给定环境中微生物菌群行为和生物强化后整个环境生态的重要学科。如何更好地探索目标微生物的降解特征、生态模式,更好地对系统和环境参数的变化做出反应,并能够定性定量地分析微生物与污染物降解的相关性,确定生物强化技术工艺工程设计的关键参数,如何将生物强化技术与微生物刺激、各种微生物固定化技术相结合,提高外源微生物的存活能力和降解活性,这些都是未来生物强化技术研究的方向。

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