光合細(xì)菌污水資源化技術(shù)

　　全球面臨的水資源短缺、水污染嚴(yán)重和能源危機(jī)，推動著污水處理從簡單的污染物去除向資源轉(zhuǎn)化發(fā)展。國際水協(xié)在2018年全球水與廢水前沿技術(shù)大會上提出，近幾年污水處理的主題就是資源回收。光合細(xì)菌污水資源化作為一種新興技術(shù)，其發(fā)展受到了廣泛關(guān)注。

　　光合細(xì)菌(PSB)是一類具有原始光能合成體系的原核微生物，屬革蘭氏陰性菌，形態(tài)有桿狀、球狀、半環(huán)狀和螺旋狀，直徑為0.3~2.6μm。既能以光作為能源生長，也能在厭氧光照或好氧黑暗條件下利用自然界中的有機(jī)物、硫化物、氨等作為供氫體進(jìn)行生長。光合細(xì)菌菌體蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40%~60%，營養(yǎng)價值高，可用于水產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)作物培育。光合細(xì)菌懸浮液的市場價格是12~30元/L，細(xì)胞中還含有一些高價值的物質(zhì)如聚羥基烷酸酯(PHA)、輔酶Q10、類胡蘿卜素和5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)。

　　從1960年起光合細(xì)菌被用于污水處理，最適宜的廢水類型是營養(yǎng)豐富同時沒有有害成分的廢水，這些廢水被統(tǒng)稱為營養(yǎng)型廢水。光合細(xì)菌污水處理可達(dá)到較高的碳、氮和磷的去除率，同時生產(chǎn)菌體并合成高價值物質(zhì)。近幾年，發(fā)現(xiàn)光合細(xì)菌對高濃度的氨氮廢水也有突出的處理效果，還可用于生活污水、染料廢水、制藥廢水等多種廢水的處理。

　　光合細(xì)菌污水資源化技術(shù)的相關(guān)研究快速增長，但是綜述很少，中文綜述匱乏，近5年沒有相關(guān)綜述。筆者從光合細(xì)菌對營養(yǎng)型廢水的資源化、處理高氨氮廢水、處理其他廢水、影響因素和促進(jìn)方法5個方面對光合細(xì)菌污水資源化技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

　　一、光合細(xì)菌對營養(yǎng)型廢水的資源化

　　大豆、糖類、淀粉等食品加工廢水，味精、檸檬酸等調(diào)味品生產(chǎn)廢水和釀酒制造廢水等含有豐富的碳、氮、磷，沒有毒害成分，可以成為微生物生長的培養(yǎng)基，這些廢水被統(tǒng)稱為營養(yǎng)型廢水。光合細(xì)菌資源化技術(shù)最重要和最廣泛的應(yīng)用就是營養(yǎng)型廢水的資源化，也是研究最多的。

　　1.1 污染物去除

　　光合細(xì)菌污水資源化技術(shù)的最大優(yōu)勢是將廢水中的碳、氮、磷轉(zhuǎn)化為有經(jīng)濟(jì)價值的菌體資源，從而實現(xiàn)去除污染物和資源生產(chǎn)的雙重效℃。表1列舉了該技術(shù)對多種廢水的處理效果。

　　如表1所示，光合細(xì)菌可以處理初始COD為300~26000mg/L的廢水，COD去除率可達(dá)到70%~97%，說明該技術(shù)對多種類型、不同濃度的營養(yǎng)型廢水都有良好處理效果。光合細(xì)菌對大豆和制糖廢水的COD去除率最高，其原因可能是這些廢水中的可溶性蛋白、低聚糖和蘋果酸等成分適宜于光合細(xì)菌的生長，光合細(xì)菌的生長又促進(jìn)了其對COD的去除。在廢水處理過程中，光合細(xì)菌除了有將有機(jī)物分解代謝的過程，還有光合代謝的過程，這些過程共同保證了光合細(xì)菌對廢水的資源化。

　　1.2 光合細(xì)菌生物量、高價值物質(zhì)產(chǎn)量

　　光合細(xì)菌污水處理的資源化價值在于光合細(xì)菌細(xì)胞生物量和其細(xì)胞產(chǎn)生的高價值物質(zhì)。表2匯總了光合細(xì)菌處理多種廢水時的菌體生物量和產(chǎn)率(微生物去除COD產(chǎn)生的生物量與COD的比)。光合細(xì)菌在正常條件下的生物量和產(chǎn)率分別是1500~5000mg/L和0.4~0.5。在環(huán)境條件不佳或者碳氮比異常的條件下，生物量可能會低于1000mg/L。產(chǎn)率受水質(zhì)條件和操作條件影響很大，氧氣濃度過高或者碳氮比異常均會導(dǎo)致產(chǎn)率低至0.2曰經(jīng)馴化的菌株、蘋果酸和酵母膏等成分的添加均能促進(jìn)產(chǎn)率的提高，使其達(dá)到1.0以上。

　　表3報告了光合細(xì)菌中的高價值物質(zhì)含量。

　　光合細(xì)菌細(xì)胞的蛋白質(zhì)含量很高，達(dá)到細(xì)胞干重的30%~80%，是一種優(yōu)質(zhì)的微生物蛋白資源。除了蛋白質(zhì)，光合細(xì)菌細(xì)胞還含有輔酶Q10、5-ALA、類胡蘿卜素、細(xì)菌葉綠素和PHA等成分。輔酶Q10是呼吸鏈中重要的氫細(xì)胞，是一種抗氧化劑，市場價格為800~2800元/kg曰5-ALA能在各種癌癥的治療過程中為腫瘤定位和光動力學(xué)療法起到作用，也可以作為一種良好的、對農(nóng)作物及人類和動物無害的、可生物降解的除草劑和殺蟲劑曰色素具有抗氧化、免疫調(diào)節(jié)、抗癌、延緩衰老等功效。

　　如表3所示，光合細(xì)菌中輔酶Q10質(zhì)量濃度達(dá)到88.8mg/g，遠(yuǎn)高于其他微生物。光合細(xì)菌中5-ALA和色素含量在不同條件下差異較大，可能是這兩種物質(zhì)容易受環(huán)境條件影響。

　　1.3 經(jīng)濟(jì)性分析

　　光合細(xì)菌污水資源化技術(shù)適用的營養(yǎng)型廢水在我國種類多、產(chǎn)量大，表4列出了中國典型高濃度營養(yǎng)型廢水的種類和年產(chǎn)量。這些廢水采用傳統(tǒng)方法處理的成本高達(dá)3~8元/t，同時還會產(chǎn)生大量的剩余污泥。根據(jù)光合細(xì)菌的市場價值和生物量產(chǎn)率(0.4~0.5)，若表4中的廢水全部用光合細(xì)菌生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，價值可達(dá)到150億元人民幣/a。

　　二、光合細(xì)菌對高氨氮廢水的處理

　　光合細(xì)菌可以耐受并且處理很難被傳統(tǒng)生物方法處理的高氨氮廢水，表5報告了光合細(xì)菌處理不同高氨氮廢水的效果，表明其對高濃度氨氮廢水有良好處理效果，但不利條件下也可能低至20%。光合細(xì)菌對高氨氮廢水的突出處理效果可能與其特殊的氮去除機(jī)制有關(guān)。光合細(xì)菌能有效地利用氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，同時光合細(xì)菌中三種形態(tài)的氮之間基本沒有相互轉(zhuǎn)化，這與其他生物技術(shù)不同。光合細(xì)菌氮代謝可能存在一條新的直接氮轉(zhuǎn)化途徑，即氨氮直接氧化為氮氣與一氧化二氮的路徑。

　　三、光合細(xì)菌對其他類型廢水的處理

　　除了營養(yǎng)型廢水和高氨氮廢水，光合細(xì)菌也能處理多種其他廢水，如制藥、染料、畜禽養(yǎng)殖、明膠、皮革、皂素、海產(chǎn)品、橡膠廢水和生活污水。表6是光合細(xì)菌對其他廢水的處理效果。

　　由表6可見，不同廢水污染物去除率差異較大，原因是各種廢水的成分差別很大。T.Hvlsen等研究得出光合細(xì)菌可以在連續(xù)流條件下處理生活污水至達(dá)標(biāo)。光合細(xì)菌對制藥廢水的COD去除率均低于80%，可能是廢水中的抗生素對微生物有抑制作用。對于染料廢水，光合細(xì)菌能夠有效脫色。

　　四、光合細(xì)菌污水資源化的主要影響因素

　　4.1 菌種

　　根據(jù)葉伯杰細(xì)菌手冊曳(9版)，光合細(xì)菌分布在變形菌門和綠菌門，有紅桿菌屬、紅假單胞菌屬和綠硫菌屬7個菌屬，球形紅細(xì)菌、莢膜紅細(xì)胞、綠色紅假單胞菌、膠狀紅長命菌、沼澤紅假單胞菌等十幾種菌種。研究發(fā)現(xiàn)，球形紅細(xì)菌(Rhodobacter)用于大豆、制糖、海產(chǎn)品、酒糟、生活、制藥、檸檬酸和皮革廢水處理中曰紅假單胞菌(Rhodopseudomonas)用于染料、淀粉、生活、皮革和橡膠廢水處理中曰紅長命菌(Rubrivivax)用于海產(chǎn)品、畜禽、淀粉和橡膠廢水處理中曰紅螺菌(Rhodospirillum)用于皮革廢水處理中曰紅微菌(Rhodomicrobium)和綠硫菌(Chlorobium)用于染料廢水處理中。應(yīng)用最廣泛的菌株是球形紅細(xì)菌和紅假單胞菌，原因是這兩種細(xì)菌有良好的移動性和環(huán)境適應(yīng)性。

　　4.2 光氧條件

　　光氧條件是光合細(xì)菌污水資源化最重要的影響條件。光合細(xì)菌代謝機(jī)制獨特：具備光合作用、有氧呼吸和生物發(fā)酵的代謝途徑，有光的條件會促進(jìn)光合作用途徑，有氧氣的條件會促進(jìn)有氧呼吸途徑，所以在不同的光氧條件下的代謝途徑是不同的。

　　光照厭氧、黑暗好氧和自然光微氧是3種典型的光氧條件。研究發(fā)現(xiàn)光照厭氧有利于光合細(xì)菌生物量的增殖，黑暗好氧有利于污染物的降解。進(jìn)一步，研究者系統(tǒng)探討了光配方和溶解氧的影響。在光配方的研究中，發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)度、光源、光周期和光暗周期對光合細(xì)菌生物量和COD去除均有影響，最佳光照強(qiáng)度是2000lux，最佳光源是紅色LED，最佳光周期是光照/黑暗時間對應(yīng)2h/1h。在溶解氧的研究中，發(fā)現(xiàn)溶解氧濃度對污染物去除和生物量增長均有明顯的影響，溶解氧質(zhì)量濃度在4~8mg/L時污染物去除率和生物量最高，COD去除率為93%，氨氮去除率為83%，光合細(xì)菌生物量為1645mg/L。微生物群落中占優(yōu)勢的是光合細(xì)菌中的假單胞菌，且隨著溶解氧濃度的升高，假單胞菌的濃度也越來越高。

　　4.3 水質(zhì)條件

　　pH、溫度、進(jìn)水COD、氮濃度和碳氮比等水質(zhì)條件也會影響光合細(xì)菌污水資源化的效果。光合細(xì)菌通?？梢栽谥行灾翂A性的條件下生存。光合細(xì)菌可以在10~40℃的溫度范圍內(nèi)生長，在低溫下也能保持一定的活性和進(jìn)行有效的污染物的降解。光合細(xì)菌的可利用碳源、氮源質(zhì)量濃度范圍分別為500~40000、3~8000mg/L，可耐受C/N為0.1~400。

　　五、光合細(xì)菌污水資源化的促進(jìn)方法

　　5.1 添加劑

　　投加某些添加劑可有效促進(jìn)廢水處理效果和光合細(xì)菌生長，其中微量元素是最常用的。多種元素對光合細(xì)菌污水資源化技術(shù)都有明顯的促進(jìn)，但是促進(jìn)的對象與效果不同。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2+可以縮短反應(yīng)時間、提升生物量曰Fe3+可以保證菌體穩(wěn)定生長曰Mg2+可以提高生物量產(chǎn)量、細(xì)菌葉綠素含量和COD去除率曰Cu2+、Mn2+和Co2+能夠影響PSB的代謝，是多種酶的組成和刺激因子曰Zn2+可以提升生物量。促進(jìn)作用大小順序為：鐵躍錳躍鋅躍鈷躍鎂躍銅。

　　5.2 生物刺激和超聲刺激

　　其他微生物也會對光合細(xì)菌污水資源化產(chǎn)生影響。研究者發(fā)現(xiàn)混合菌群的污水處理效果比單獨光合細(xì)菌更好。生物刺激的微生物可以是酵母、放線菌和芽孢桿菌等。加入6.4×105mL-1的蘇云金桿菌對光合細(xì)菌污水處理的COD去除率、生物量、類胡蘿卜素產(chǎn)量分別提高178%、67%、70%，是因為光合細(xì)菌與其產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)。超聲刺激也能促進(jìn)光合細(xì)菌污水資源化，因為超聲可以促進(jìn)酶活性、細(xì)胞增殖和細(xì)胞內(nèi)生物合成。超聲強(qiáng)度、頻率和時間都會影響促進(jìn)效果。超聲照射0.3W/cm2使光合細(xì)菌細(xì)胞產(chǎn)量增加110%。

　　六、結(jié)論與展望

　　從光合細(xì)菌營養(yǎng)型廢水、高氨氮廢水、其他廢水的應(yīng)用、影響因素和促進(jìn)方法5個方面對光合細(xì)菌污水資源化技術(shù)進(jìn)行了綜述。

　　(1)光合細(xì)菌能夠高效資源化處理多種營養(yǎng)型廢水，尤其是大豆、制糖、淀粉、釀酒、味精和檸檬酸、果膠、蛋白粉、味精和乳品等廢水，COD去除率高，正常條件下的生物量和產(chǎn)率分別是1500~5000mg/L和0.4~0.5。

　　(2)光合細(xì)菌能高效去除高氨氮廢水中的氨氮，其脫氮機(jī)理不同于傳統(tǒng)脫氮技術(shù)。此外，光合細(xì)菌還能夠處理制藥、染料、養(yǎng)殖、明膠、皮革、皂素、海產(chǎn)品、橡膠廢水和生活污水。

　　(3)光合細(xì)菌菌種類型、光氧條件、水質(zhì)條件、添加劑、生物刺激和超聲都能夠影響光合細(xì)菌資源化技術(shù)的效果。

　　光合細(xì)菌污水資源化技術(shù)處理效果好、資源化潛力大，但尚未進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，針對實際廢水研究有限，因此以下方面的研究可以進(jìn)一步促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展：

　　(1)光合細(xì)菌優(yōu)勢菌種的選取。菌種是影響光合細(xì)菌資源化效果的重要因素，高效菌種具有實現(xiàn)最大的資源轉(zhuǎn)化效率的天然優(yōu)勢。

　　(2)新型高效反應(yīng)器的應(yīng)用。反應(yīng)器的構(gòu)造影響光合細(xì)菌對氧氣和光照的利用從而影響資源轉(zhuǎn)化效率。

　　(3)光合細(xì)菌對于低濃度廢水的達(dá)標(biāo)處理，目前這方面的研究欠缺。

　　(4)光合細(xì)菌菌體的分離和回收、利用廢水生長的菌體安全性問題、高價值物質(zhì)的提取和純化。光合細(xì)菌資源化價值很高，但是這些步驟是該技術(shù)發(fā)揮資源化價值的關(guān)鍵。

　　(5)該技術(shù)放大運行的穩(wěn)定性，擴(kuò)大處理規(guī)模是該新興技術(shù)發(fā)展成熟的必要步驟。(來源：中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院)