鹽脅迫對(duì)微生物活性影響與活性測(cè)定方法

鹽脅迫鹽脅迫是高鹽度(K+、Na+等)對(duì)微生物造成的一種脅迫作用，這種脅迫作用通常表現(xiàn)為對(duì)微生物生長(zhǎng)及其生物活性的影響。研究表明，低含鹽量有利于微生物的生長(zhǎng)，高鹽度則會(huì)抑制非耐鹽微生物的生理活動(dòng)。第一頁(yè)，共23頁(yè)。污水鹽脅迫的形成沿海城市海水沖廁等應(yīng)用的推廣，使生活污水含鹽量升高，沖廁污水經(jīng)排水管網(wǎng)進(jìn)入城市污水處理廠，最后在生化池中對(duì)活性污泥中的微生物形成鹽脅迫。目前我國(guó)大部分城市的污水處理工藝采用的是多種形式的活性污泥法，因此研究鹽脅迫對(duì)微生物活性生長(zhǎng)的影響，可為以活性污泥為核心的城市污水處理提供理論依據(jù)。第二頁(yè)，共23頁(yè)。污水處理的生物過程城市污水處理生物過程主要發(fā)生在生化池中。生物處理（biologicaltreatment）利用生物即細(xì)菌、霉菌或原生動(dòng)物的代謝作用處理污水，分為好氧性處理和厭氧性處理。目前城市污水的生物處理法主要有A2/O傳統(tǒng)曝氣法和氧化溝法，污水處理中A2/O工藝由厭氧池、好氧池以及缺氧池三部分串聯(lián)組成，能將污水的氮、磷元素同時(shí)去除。第三頁(yè)，共23頁(yè)。鹽度對(duì)污水處理的影響鹽度入侵改變微生物的胞外滲透壓，影響微生物代謝活性和系統(tǒng)對(duì)污染物的降解能力，造成功能性微生物的活性損失，干擾正常污水的處理。在連續(xù)流中模擬鹽度入侵對(duì)污染物的去除影響發(fā)現(xiàn)，鹽度升至13g/L，COD去除率降至80%，氨氮去除率降至90%，TN去除率降至50%。TP去除的最好效果只能達(dá)到50%，且極不穩(wěn)定。Uygur等在SBR配水實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)高鹽度污水對(duì)COD、氨氮和磷去除速率有抑制作用。第四頁(yè)，共23頁(yè)。鹽脅迫對(duì)微生物生長(zhǎng)代謝的影響無(wú)機(jī)鹽類物質(zhì)在微生物生長(zhǎng)過程中起酶促反應(yīng)、維持和調(diào)節(jié)膜兩側(cè)滲透壓平衡的作用，適當(dāng)濃度的無(wú)機(jī)鹽有利于微生物的代謝，但過量卻會(huì)使其喪失活性。無(wú)機(jī)鹽參與微生物代謝酶的合成，在三磷酸腺苷(ATP)的合成過程中微生物也需要一定的Na+，所以低濃度的鈉鹽是必要的。第五頁(yè)，共23頁(yè)。Kargi等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)水環(huán)境中鹽濃度大于10g/L時(shí)，會(huì)造成微生物細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離或細(xì)胞失活現(xiàn)象。祝貴兵等在研究海水含鹽量對(duì)活性污泥微生物影響中，發(fā)現(xiàn)含鹽量為5g/L的污水中，相對(duì)于無(wú)鹽環(huán)境，微生物生理活性明顯更高，但鹽度過高，則會(huì)對(duì)微生物的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。其主要原因在于：鹽度過高，微生物所處細(xì)胞外界環(huán)境滲透壓高，使細(xì)胞脫水，引起細(xì)胞壁與原生質(zhì)分離；在鹽度高的情況下，鹽析作用還會(huì)使脫氫酶活性降低，使微生物失活。第六頁(yè)，共23頁(yè)。污泥微生物活性污泥主要由微生物群體、難降解的有機(jī)物、各種無(wú)機(jī)物以及微生物內(nèi)源代謝物和自身氧化的殘留物組成。其中生物過程處理污水主要利用生物降解機(jī)制，去除有機(jī)物和進(jìn)行脫氮除磷工藝。這些功能菌主要有參與有機(jī)物代謝的異養(yǎng)型微生物如好氧細(xì)菌、厭氧細(xì)菌和兼性細(xì)菌，生物脫氮過程中的氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌以及除磷過程中的聚磷菌。目前生物除磷技術(shù)主要運(yùn)用反硝化聚磷菌（DPAO）作為優(yōu)勢(shì)菌種，該類微生物能夠利用O2、NO2－或NO3-作為電子受體進(jìn)行吸磷，并以聚合磷酸鹽的形式儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)，同時(shí)NO3-被還原為N2。第七頁(yè)，共23頁(yè)。無(wú)機(jī)鹽類在微生物的生長(zhǎng)過程中起酶促反應(yīng)、調(diào)節(jié)滲透壓和維持膜平衡等作用，但是過高的鹽濃度會(huì)使微生物的形態(tài)和理化性質(zhì)發(fā)生改變，抑制微生物的生長(zhǎng)代謝。鹽脅迫下好氧顆粒污泥微生物體內(nèi)Na+含量隨著鹽濃度增加而下降，而好氧顆粒污泥微生物體內(nèi)K+和Ca2+含量隨著鹽濃度增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，Na+、K+、Ca2+含量在含鹽量低于10g/L時(shí)變化幅度都不大，鹽濃度大于10g/L時(shí)，產(chǎn)生明顯變化。鹽脅迫對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響第八頁(yè)，共23頁(yè)。微生物通過吸K+排Na+機(jī)制提高微生物的耐鹽性，Na+主要通過鈉鉀泵和Na+/H+逆向運(yùn)輸?shù)鞍讈斫档桶麅?nèi)Na+濃度，K+主要涉及鈉鉀泵和K+通道，以及一些耐鹽微生物特殊的膜蛋白結(jié)構(gòu)，在吸K+排Na+方面有重要作用，可使胞內(nèi)K+濃度上升。Ca2+在耐鹽方面的作用與Ca2+維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性、降低通透性、保持完整性和Ca2+激活相關(guān)酶的活性有關(guān)，Ca2+作為第二信使參與鹽脅迫信號(hào)傳遞，調(diào)節(jié)微生物體內(nèi)生理生化反應(yīng)，進(jìn)而表現(xiàn)出耐鹽效應(yīng)。研究還發(fā)現(xiàn)鹽度對(duì)好氧微生物的呼吸抑制較強(qiáng)。第九頁(yè)，共23頁(yè)。在不同鹽濃度下好氧微生物在基因水平上發(fā)生改變和演替，特別是在鹽脅迫下，正常情況下的優(yōu)勢(shì)菌群已難以生存，鹽脅迫對(duì)嗜鹽菌群有明顯的選擇作用，對(duì)鹽濃度敏感的菌群不再適應(yīng)高鹽環(huán)境。低鹽下的優(yōu)勢(shì)菌群有的在高鹽濃度下數(shù)量減少，甚至消失，但一些菌群在高鹽條件下通過適應(yīng)性機(jī)制發(fā)展成為優(yōu)勢(shì)菌群。好氧微生物在不同鹽濃度下種群豐富，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。低鹽和高鹽下的優(yōu)勢(shì)菌種存在差異，種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量都存在一定的變化。

鹽脅迫對(duì)微生物群落的影響第十頁(yè)，共23頁(yè)。好氧微生物種群在不同鹽濃度下更替明顯。紅環(huán)菌科(Rhodocyclaceae)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、動(dòng)膠菌屬(Zoogloea)、不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)和亞硝化細(xì)菌(Ammonia-oxidizingbacterium)是低鹽下優(yōu)勢(shì)菌屬。放線菌屬(Actinobacterium)、β-變形菌(Betaproteoba-cterium)、鏈霉菌(Streptomyces)、厭氧菌(Anaerobic-bacterium)、嗜冷桿菌(Psychrobacter)和芽孢桿菌屬(Bacillus)屬于高鹽下優(yōu)勢(shì)菌屬。噬氫菌屬(Hydrogenophaga)和棒狀桿菌屬(Coryne-bacterium)在整個(gè)鹽脅迫過程中都是優(yōu)勢(shì)菌屬，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，具有很強(qiáng)的耐鹽特性。第十一頁(yè)，共23頁(yè)。微生物活性的測(cè)定方法——pH值法

通過檢測(cè)活性污泥系統(tǒng)pH值的變化，采用最小二乘法得出[OH-]的減小速率(Δ[OH-])，換算為單位微生物單位時(shí)間內(nèi)呼出CO2的量(Δ[CO2])，用Δ[CO2]來表征污泥的活性，這種方法基于微生物的呼吸作用，受水質(zhì)等外界因素干擾小，測(cè)定儀器便于攜帶，是一種適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)污泥活性的快捷、可靠的方法。監(jiān)測(cè)期間，pH值在8～9之間，碳酸平衡體系中HCO3-占95.3%～97.4%，所以基本上為一級(jí)電離。將監(jiān)測(cè)的pH換算為反應(yīng)器中[OH-]，從而由[OH-]的變化情況反映出微生物菌群呼吸作用產(chǎn)生的CO2的量，進(jìn)而反映污泥的活性。第十二頁(yè)，共23頁(yè)。具體操作步驟如下：調(diào)節(jié)泥水的體積比，添加營(yíng)養(yǎng)物使初始COD為1500mg/L，曝氣20min,使污泥充分吸附營(yíng)養(yǎng)物，然后向混合液中投加氫氧化鈣粉末。少量多次，每次投加微量氫氧化鈣粉末后充分?jǐn)嚢?，然后測(cè)其pH值。當(dāng)pH值穩(wěn)定在9左右時(shí)，停止投加，充分?jǐn)嚢韬罄^續(xù)曝氣。觀測(cè)pH值上升到一個(gè)最大值后，并有下降的趨勢(shì)時(shí)開始記錄。以后每隔5min記錄一次，直到pH值不再下降為止。重復(fù)以上步驟，做其它泥樣。第十三頁(yè)，共23頁(yè)。TTC-脫氫酶活性法乳酸脫氫酶(LDH)是一種存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的物質(zhì)，通過檢測(cè)胞外溶液中的LDH活性，可以間接反映在不同鹽度產(chǎn)生的滲透壓下，細(xì)胞膜的相對(duì)破損程度。脫氫酶是一類能夠激活某些特殊氫原子的蛋白質(zhì)，使底物發(fā)生氧化。在氧化過程中,脫氫酶參與有機(jī)物的降解和能量的獲取。生物體的脫氫酶活性(dehyd-zogenaseactivitiy,DHA)在很大程度上反映生物體的活性，而且直接表示生物細(xì)胞對(duì)其基質(zhì)降解能力的強(qiáng)弱。用TTC(三苯基四唑化氯)作為氫的人工受體測(cè)定脫氫酶的活性能很好地反映活性污泥的氧化能力。第十四頁(yè)，共23頁(yè)。通過TTC-脫氫酶活性法測(cè)定污水廠污泥活性發(fā)現(xiàn)，用脫氫酶活性(TF)作為反映污泥微生物活性的指標(biāo)，測(cè)定簡(jiǎn)便,靈敏可靠,適用于污水處理廠的日常工作。當(dāng)TTC被引入電子得失的反應(yīng)鏈中后,由于與核黃素相連的脫氫酶向細(xì)胞色素的氫的轉(zhuǎn)移機(jī)制將由TTC代替（Eckenfelder等發(fā)現(xiàn)于1988年）,還原后的TTC形成一種為TF的紅色物質(zhì),該物質(zhì)可從細(xì)胞中提取出來并由比色法定量測(cè)定其濃度。當(dāng)環(huán)境因素諸如溫度和pH值等都不變的條件下,TF形成的越多表明微生物的活性越大,反應(yīng)式如圖所示。

第十五頁(yè)，共23頁(yè)。f(MLVSS/MLSS)值法f即MLVSS/MLSS比值。需要測(cè)定如下幾個(gè)值：污泥濃度（MLSS）的測(cè)定。揮發(fā)性污泥濃度（MLVSS）的測(cè)定。求出的比值f，即污泥濃度與揮發(fā)性污泥濃度的比值。污水鹽度升至最適值，f值逐漸增大，說明微生物活性強(qiáng)；超過最適值后，f值減小，說明微生物活性降低。第十六頁(yè)，共23頁(yè)。SOUR值法SOUR值是指單位時(shí)間內(nèi)微生物消耗的溶解氧量，用來表示系統(tǒng)中微生物的代謝活性，該指標(biāo)易受基質(zhì)的可生化性、毒物濃度（如污水鹽度）等多種運(yùn)行條件的影響,同時(shí)與處理系統(tǒng)的溫度、負(fù)荷、污泥齡等環(huán)境條件及運(yùn)行參數(shù)有關(guān)。SOUR可表征A2/O系統(tǒng)有機(jī)物降解效率，常規(guī)SOUR介于7.1－13.3mg02/gMLSS·h，含硝化和亞硝化過程的硝化SOUR常規(guī)范圍在0.88－2.95mg02/gMLSS·h之間。處理系統(tǒng)在遭受鹽脅迫時(shí)，污泥SOUR會(huì)突然下降，因此SOUR可監(jiān)測(cè)進(jìn)水中是否含鹽度過高,并為之做出靈敏的早期警報(bào)。第十七頁(yè)，共23頁(yè)。耗氧速率的測(cè)定是通過直接測(cè)定系統(tǒng)中最終受氫體，即溶解氧（DO）的消耗速率得到。測(cè)定方法一般采用分批試驗(yàn)法，分為密閉間歇曝氣和連續(xù)曝氣，最常用的是密閉間歇曝氣法，試驗(yàn)裝置見圖4。第十八頁(yè)，共23頁(yè)。FISH和live/dead分析方法通過綜合多種檢測(cè)方法分析鹽度對(duì)硝化菌活性的影響，可用FISH和live/dead細(xì)胞染色的分析方法測(cè)定微生物活性。原理：live/dead細(xì)胞的檢測(cè)是利用PI和DAPI對(duì)于雙鏈DNA染色的特點(diǎn)，不同鹽度沖擊后，分別針對(duì)活性污泥的衰亡細(xì)胞和總細(xì)胞進(jìn)行染色，使用熒光顯微鏡進(jìn)行觀察，每個(gè)樣品觀察20個(gè)視野。通過Image-proplus軟件分析各類細(xì)菌占相應(yīng)視野面積的比值，利用相對(duì)面積法，計(jì)算活細(xì)菌在總細(xì)菌中的比例。第十九頁(yè)，共23頁(yè)。用該方法測(cè)定發(fā)現(xiàn)在鹽度水平(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%)定量化的情況下，鹽度從0.08%上升到1.5%時(shí)，AOB和NOB細(xì)胞的活性損失率分別為77.24%和74.37%；鹽度繼續(xù)升至3.0%時(shí)，其活性損失率分別為81.14%和83.25%。AOB/NOB的細(xì)胞衰亡率隨著鹽度從0.08%上升到3.0%，而逐漸從8.96%升高到62.58%。第二十頁(yè)，共23頁(yè)。鹽脅迫（NaCl）能夠在短時(shí)間內(nèi)抑制污水處理系統(tǒng)中的高等微生物活性,使其停止捕食活動(dòng),出現(xiàn)收縮和脫水現(xiàn)象，其原因是高等微生物對(duì)高滲透壓的低耐受性。當(dāng)鹽度大于某一閾值時(shí)，鹽脅迫就會(huì)抑制水中微生物的生長(zhǎng)代謝，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成微生物因胞外滲透壓過高而脫水死亡。通過微生物活性各項(xiàng)指標(biāo)的聯(lián)合測(cè)定，可以準(zhǔn)確反映微生物在污水中的生存狀態(tài)，進(jìn)而反饋生化池中污水處理工藝的運(yùn)行狀況。第二十一頁(yè)，共23頁(yè)。微生物活性測(cè)定的工程意義微生物活性測(cè)定方法在污水微生物處理過程中主要有以下三方面工程意義：