环境生物技术在微生物还原处理技术中的应用与发展.doc

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1、去除氧化性物质的生物还原处理技术研究进展李海翔1 韦世凡2 魏彩春1 王敦球1 张学洪1（1. 桂林理工大学环境科学与工程学院，桂林 ；2. 贵州省建筑设计研究院，贵阳 ）摘 要：基于微生物生态学的环境生物技术逐渐成为环境污染治理领域内的一门新兴学科，现已广泛用于理论研究和生产实践中。生物还原作为一种重要的水处理技术，在环境生物技术的应用中得到进一步的发展。本文在了解环境生物技术特点的基础上，介绍和讨论了环境生物技术在生物还原处理工艺中的应用及未来的发展趋势。关键词：环境生物技术；生物还原；氧化性污染物；分子生物学技术APPLICATION AND PROSPECT OF ENVIRONMEN

2、TAL BIOTECHNOLOGY IN THE TREATMENT TECHNOLOGY OF MICROBIAL REDUCTIONLi Haixiang1, Wei Shifan2, Wei Caichun1, Wang Dunqiu1, Zhang Xuehong1 (1. College of Environmental Science and Technology, Guilin University of Technology, Guilin , China; 2. Architectural Design and Research Institute of Guizhou Pr

3、ovince, Guiyang , China)Abstract: Environmental biotechnology which was based on microbial ecology, has become a new subject in the field of environmental pollution control, and is now widely used in theoretical research and production practice. Microbial reduction as an important water treatment te

4、chnology has a further development with the application of environmental biotechnology. In this study, the application and prospect of environmental biotechnology in the treatment technology of microbial reduction has been present and discussed, on the base of understanding the characteristics of en

5、vironmental biotechnology.Keywords: environmental biotechnology; microbial reduction; oxidized contaminants; molecular biology techniques依赖于微生物群落的污水处理过程已经存在近一个世纪。微生物群落主要有两大功能，分别是微生物群落能够降低水、土壤、污泥和沉积物中污染物的毒性；微生物群落能够在生物膜扩散中转化能量以及在废物中产生能量并被人类利用1。微生物群落作为污水处理过程的主体利用污水中存在的污染物（包括有机物和无机物）进行新陈代谢，从而达到去除污染物的目的。

6、目前传统活性污泥法和生物膜法对有机污染物和含氮化合物的生物降解主要靠生物催化氧化实现，而在合适的条件下，微生物能利用电子供体参与呼吸作用，生物还原水体中存在的某些特殊污染物（如氧化性污染物、卤代有机物）1。现代环境生物技术是环境污染治理领域内的一门新兴学科，主要涉及生物技术、工程学、环境学和生态学等学科，并逐渐成为解决复杂环境问题最有效、最经济的手段之一1-3。环境生物技术作为生物技术学科的一个特殊分支，与其它生物技术的最大区别是其科学基础是微生态系统（Microbial Ecology）研究1。微生态系统研究的主要目标是对微生物群落作以下方面的表征：（1）活性微生物群落类型，即系统发育结构；

7、（2）微生物的代谢反应，即新陈代谢功能；（3）微生物群落之间以及与环境之间的联系1, 4。Rittamnn教授曾指出“环境生物技术能管理或调节微生物群落为社会更好地服务”4。因此，环境生物技术将在环境污染治理过程中扮演一个非常重要的角色。1 生物还原处理技术针对污水的微生物处理存在两种机理，即生物催化氧化和生物还原。多年来，活性污泥法和生物膜法对生活污水和工业废水中的有机污染物（COD或BOD表示）去除，主要是利用微生物在好氧或缺氧条件下进行的催化氧化实现，而且处理过程中微生物会产生能量并实现废物资源化1。近年来，饮用水源尤其是地下水中存在的氧化性污染物的去除越来越受到关注5。氧化性物质一般是

8、离子分散态的氧化态无机化合物（如硝酸盐、溴酸盐、高氯酸盐）和难生物降解的卤代有机化合物（如三氯乙烯、三氯甲烷），一般具有毒性，对人类身体健康产生威胁。这些污染物很难在好氧或缺氧条件下被微生物催化氧化，因此常规的生物氧化处理技术难以将其去除。针对氧化性物质处理的生物还原技术逐渐引起学者们的重视。生物还原可使饮用水和废水中氧化性污染物的毒性逐步降低或经过还原后使其产物更加容易被去除；同时，一些还原产物不仅毒性降低而且具有资源回收利用价值，比如还原产物甲烷（CH4）能够作为一种低碳型的能源物质4, 6；还原过程中的电子转移将会产生电流，可作为能源利用，例如微生物燃料电池7。生物还原处理必须考虑为微生

9、物提供可被利用的电子供体，常见的电子供体分为有机电子供体（如甲醇、醋酸）和无机电子供体（如硫、氢气）1。研究发现，氢气可作为一种非常有效、无毒的无机电子供体来生物还原氧化性物质8。表1.1列出了部分氧化性物质及微生物以氢气为电子供体还原的产物8。表1 以氢气为电子供体的氧化性物质生物还原反应Table 1 Microbial reduction of oxidized contaminants with hydrogen as electron donor 物 质反应式G (KJ/e-)溴酸盐BrO3-+3H2Br-+3H2O-136高氯酸盐ClO4-+4H2 Cl-+4H2O-118硝酸盐N

10、O3-+2.5H2+H+0.5N2+3H2O-112硒酸盐SeO42-+3H2+2H+Se0+4H2O-71砷酸盐H2AsO4-+H2+H+H3AsO3+H2O-45硫酸盐2SO42-+8H2+3H+H2S+HS-+8H2O-19重铬酸盐CrO42-+1.5H2+2H+Cr(OH)3+H2O-92 环境生物技术的应用与发展2.1 微生物群落的调控传统的物质平衡、反应动力学、生长动力学模型等均能从宏观上对处理工艺起到指导或监控作用。环境生物技术不仅能微观了解微生态系统，同时能有效调控工艺中微生物如何更好地发挥处理作用，例如颗粒活性污泥法处理工业废水9、臭氧氧化+生物过滤处理难生物降解化合物等10

11、。现代材料科学的发展为微生物群落调控带来了新的机遇，并促使了更先进的生物处理工艺诞生。现代膜材料、纳米材料、导体/半导体在物理/化学工艺中的应用逐渐增加了环境生物技术的范围和可靠性。以新材料为基础的新型调控微生物群落处理工艺多为组合工艺，比如膜生物反应器（MBR）11、氢基质生物膜反应器（HFMBfR）8和微生物燃料电池（MFC）7。生物膜法处理的一个重要概念是微生物在膜表面聚集生长并与膜材料密切接触形成生物膜。生物膜的形成为微生物群落和污染物质之间提供了最佳通道，从而保护微生物群落免受外界环境带来的冲击，例如毒性、捕食、干燥及冲刷等。生物膜使各种物质在其厚度上出现浓度梯度，使生物膜内微生物群

12、落分布出现多样性。具有代表性的改进生物膜法处理工艺是利用中空纤维膜微孔曝气和生物膜法结合的氢基质生物膜反应器（HFMBfR），该技术利用氢自养生物膜还原处理水中的氧化性污染物8。2.2 氢基质生物膜反应器氢基质生物膜反应器（HFMBfR）是一种新型的中空纤维膜和微生物群落调控相组合的处理技术，与膜生物反应器（MBR）处理废水有明显不同。在HFMBfR中，受污染的水在膜层外部流动，氢气以一定的压力通入中空纤维膜内，在压力的作用下从膜的内层通过微孔扩散到外层，在通过纤维膜外生长的生物膜过程中被生物膜中的氢自养细菌作为电子供体而利用，同时自养菌将水中氧化性物质还原或降解，如硝酸盐转化为N2，从而达到

13、净化水质的目的12。氢基质生物膜反应器生物膜结构及工作原理见图1。(a) 生物膜及工作原理(b) 膜组件图1 氢基质生物膜反应器（HFMBfR）的结构及工作原理Fig. 1 The structure and working principle of hydrogen-based hollow fiber membrane biofilm reactor 氢气作为微生物还原反应的电子供体具有诸多优势13。生物膜对氢气的利用率取决于生物膜内氧化性污染物的负荷；生物膜法和气透膜的组合利用，使得氢气转移至微生物细胞更加直接，从而导致氢气快速和接近100%的利用；通过调节氢气的压力就能简单地控制氢气供

14、应能力，促使此工艺操作简单化8, 12, 13。氢基质生物膜反应器在工程应用上有如下几个优势：（1）HFMBfR已被应用于受氧化性物质污染的饮用水、地下水、污水和工业废水处理中8；（2）HFMBfR能对多种氧化性物质同步进行去除14；（3）在污水处理中利用此工艺能增加总氮的去除率15, 16。2.3 分子生物学技术在HFMBfR中的应用分子生物学技术是环境生物技术中一种重要的分析工具或手段，它可以使环境工作者了解水处理工艺中活性污泥或生物膜中的微生态，同样环境工作者也可以通过分子生物学手段去控制和调节工艺中的微生物群落，从而提高微生物处理的作用。HFMBfR用于多种氧化性物质的去除具有优势，膜

15、表面附着的生物膜中的微生态系统探索研究显得十分必要，对微生物的生理生化特性、污染物质的降解机理、种群结构与功能区分等本质的认识有重要意义。近年来，随着HFMBfR在实际水处理中的研究与应用，利用分子生物学技术分析氢自养生物膜中微生物群落结构及功能的报道逐渐增多，包括针对不同氧化性物质的优势微生物种群的鉴定、不同条件下生物群落结构的动态变化等17-22。表1.2列出了分子生物学技术及其在氢自养生物膜中微生物群落结构分析中的应用。表2 分子生物学技术及其在氢自养生物膜中优势微生物群落鉴定中的应用Table 2 Molecular biology techniques and its applica

16、tion in identification of microbial communities in autohydrogenotrophic biofilms优势微生物种属电子受体电子供体分子生物学技术文献来源Dechloromonas sp.ClO4-、NO3-、O2H2PCR、Clone17Dechloromonas sp.Pseudomonas sp.SeO42-、CrO4-H2PCR、Clone18Dechloromonas sp.ClO4-、NO3-、O2H2PCR、DGGE、FISH19Rhodocyclus sp.Hydrogenophaga sp.NO3-H2PCR、DGGE

17、、FISH20Dehalococcoides sp.三氯乙烯（TCE）H2Clone、Real-time PCR21, 223 结论与展望环境生物技术作为一项有效的环境污染治理措施受到越来越多的关注，已在污水生物处理中得到广泛研究与应用。随着氧化性污染物对人类身体健康的威胁越来越严重，针对氧化性物质的生物还原处理技术逐渐受到人们青睐。利用中空纤维膜和生物膜法相结合的氢基质生物膜反应器已经逐步运用到饮用水、地下水、污水和工业废水处理中。通过现代分子生物学的高新技术对生物还原工艺中特定优势微生物种群进行鉴定、培养和富集，继而对某种氧化性物质进行针对性的高效去除。分子生物学技术的发展将使环境生物技术

18、在生物还原处理中的应用更加广泛和成熟，同时生物技术将是未来环境保护中的一个重要发展方向。参考文献1 Rittmann B E, McCarty P L. Environmental biotechnology: principles and applications M. McGraw-Hill Book Co., New York, 2001.2 田云, 卢向阳. 环境生物技术J. 环境科学与技术, 2003, 26(2): 51-53.TIAN Yun, LU Xiang-yang. An overview of environmental biotechnology J. Environ

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