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摘要：废水的定义非常广泛，从来源看可分为：生活污水、农业废水、工业废水、开矿废水、炼油废水等。就其废水中的成分而言大致分为：富营养化废水、重金属废水、有机废水。光合细菌(PhotosyntheticBacteria,简称PSB)是能利用光能进行光合作用的一类原核微生物的总称。它是地球上最古老的细菌之一，广泛分布于水沟、湖、海等自然水体中，几乎存在于所有光能可供利用的地方。在不同的环境中，光合细菌表现出固氮、脱氮、固碳、氧化有机物、硫化物等多种不同的功能,给自然界中的碳、氮、硫循环发挥了重要的作用，20世纪60年代,日本人M.Kobayashi等人注意到光合细菌在高浓度有机废水自净中的作用,从而打开了光合细菌在废水处理领域的应用。
关键词：废水光合细菌 应用
前言
光合细菌利用细菌叶绿素(Bacteriochlorophylls,简称Bchl)固定光能,以分子氢还原性硫化物或有机物为外源电子供体,而不是以水分子为外源电子供体,因此细菌的光合作用与植物和藻类不同,是一个厌氧过程,不产生氧 Bergeyps Manual of Determinative Bacteriolody 6第九版(1994)将不产氧光合的细菌(Anoxygenic phototrophic bacteria,列为Group10分为:内硫紫色硫细菌(Purple sulfur bacteria) 外硫紫色硫细菌(Purplesul fur bacteria,)；紫色非硫细菌(Purplenon sulfur bacteria)含菌绿素细菌(Bacteria withbchlg)；绿硫细菌(Green Sulfur bacteria)。多细菌绿丝菌(Multice llular filamentous green bacteria)和含菌绿素好氧化养菌(Aerobichemotrophic Bacteria with bchl)。
1光合细菌的能量代谢
光合细菌的获能方式较多,主要包括光能营养和化能营养。在光照厌氧条件下,绝大多数光合细菌利用硫化物、单质硫、硫代硫化物、分子氢或有机物为电子供体,通过光合磷酸化过程获取能量,同化CO2化能营养有两种情况:1、化能异养:在有氧条件下,一些光合细菌可以通过有机物的氧化磷酸化过程获取能量;在无氧条件下,紫色非硫细菌的某些种可以通过硝态氮的反硝化，或有机物的发酵方式获取能量。2、化能自养:少数光合细菌通过氧化硫代硫酸盐、H2等无机物获取能量。
2光合细菌的生长环境
2.1氧和光照
光合细菌对光照和氧的需求与其获能方式有关,光合作用获能过程基本上是一个厌氧的过程,而有机物的氧化磷酸化获能过程(主要为紫色非硫细菌)则需要在有氧条件下进行。由于各种光合细菌所含细菌色素不同,它们对光的利用也不同。一般认为,红外灯和钨灯的发光波长较荧光灯更适于光合细菌吸收。
在供给光照的條件下,光合细菌的活性随着光照强度的增加而增加,光照强度不足会强烈抑制光合细菌的生长,而光照强度过高会导致光饱和现象(Saturation lightintensity )。
2.2温度
光合细菌可以在10～40e的温度范围内生长。一般认为光合细菌在30e可以良好生长。温度降至10e以下,光合细菌生长缓慢,5e以下基本停止生长,温度低至1e并置于黑暗条件下时菌绿素将分解并导致光合细菌死亡。
2.3 pH
Pfenning提出大多数光合细菌的最佳pH为7.0～8.5,少量光合细菌为6.5～6.8[6]在光合细菌生长过程中,CO2的同化或释放,H2S或硫代硫酸盐等被氧化生成硫酸或者有机酸的消耗等代谢过程都将导致培养基中pH值的变化。
3.光合细菌在废水净化中的应用
20世纪60年代,Kobayashi等研究者发现,当粪便污水、发酵废水或食品厂废水等高浓度有机废水与少量的水田土壤或沟泥完全混合在阳光下培养于25~35e时,微生物的菌群将随着有机物的净化发生的变化。在最初的1个月,异养细菌迅速增殖并将废水中的大分子有机物降解为挥发酸、低糖、氨基酸等小分子物质;当有机酸达到一定浓度时,异养细菌的生长受到抑制,而能利用这些低分子物质的光合细菌开始大量繁殖;当低分子有机物被充分利用后,光合细菌的数量也开始衰减而藻类和原生动物等开始增殖。
在上述自净过程中,降解有机物的光合细菌主要是紫色非硫光合细菌。与一般异养菌和活性污泥微生物相比,它对高浓度的低级脂肪酸具有极高的耐受性和利用率。例如丙酸对一般细菌具有很强的抑制作用,却能被紫色非硫细菌利用。因此，当高浓度有机废水中的大分子有机物经异养细菌降解为有机酸后,高浓度的有机酸将抑制异养菌的生长,而紫色非硫细菌此时体现生长优势，可以接替异养菌将有机物的分解继续下去。
目前,光合细菌在废水处理方面的研究大致包括以下几个方面:有机物、营养盐、重金属、含硫化合物和其它污染物如亚硝胺等的降解和转化，利用光合细菌产氢，合成生物可降解塑料——聚B-羟基烷酸(Polyhydroxyalkanoates简称PHAs)合成单细胞蛋白(SingleCellProtein,简称SCP)等资源化方面的研究。
3.1去除废水中的有机物
早期的研究主要是采用光合细菌的纯菌种进行有机物的降解。由于废水中有机物成分复 杂,单一光合细菌菌株对有机物的利用往往不充分。而混合菌种由于存在多种营养方式和代谢方式,对有机物的降解更为高效。例如朱章玉等用R.capsu2lataN3,R.sphaeroidesD,R.palustris1纯菌种及它们的混合菌株处理牛粪尿时发现:经过厌氧光照培养72小时,纯菌种对COD的处理效果分别76.8%,72.3%,80.8%,而混合菌株对COD的降解率为90.6%,明显高于纯菌种。因此,目前光合细菌法废水处理系统多采用混合菌种。
除此之外,只要保持光合细菌在系统中的优势,光合细菌与其它异养细菌。自养细菌的混合培养将更利于有机污染物的去除。例如Sawada等对R.capsulata和异养菌Klebsiellasp.进行了光照以葡萄糖为基质的混合培养,发现R.capsulata纯种培养需120小时才能彻底分解葡萄糖,而混合培养时Klebsiellasp，只需要7小时就可将葡萄糖完全分解成挥发酸供给R.cap2sulata生长。在光合细菌与异养细菌的协同作用下,异养细菌把大分子有机物迅速分解成有机酸、醇等;而光合细菌对有机酸的快速利用又消除了其对异养菌的毒害。不仅如此,光合细菌和异养细菌在混合互生条件下易于形成絮体,提高菌体的分离效果。除菌种的混合外,原生质体融合技术也可强化光合细菌的处理功能。程树培等将光合细菌R.sphaeroidesP9479与酿酒酵母SaccharomycescerevisiaeY9407进行了跨界融合,得到的融合子可承受的负荷率和对有机物的去除率均高于双亲,絮凝和沉淀性能也有较大改善。
比较光合细菌处理各种有机废水的效果。可以看到,光合细菌能在多种环境条件下高效去除各种废水中的有机物,而且所承受的有机负荷远高于一般好氧生物处理,氨氮的硝化过程。在微好氧的环境中,生物膜反应器中填料内层存在缺氧或厌氧的微环境,具有反硝化脱氮活性的光合细菌或其它反硝化细菌可以将硝态氮还原成氮气,从而取得较高的脱氮效果。
光合细菌在一定条件下能在细胞内积累多聚磷酸盐,因此比一般微生物具有更高的同化除磷潜力。目前,光合细菌法用于去除废水中磷的研究不多,有待深入。
3.2去除废水中含硫化合物
与物化方法相比,光合细菌法去除硫化物具有工艺简单，不需充氧，不需添加化学药品；无臭气等优点。
去除废水中含硫化合物的光合细菌主要为紫色硫细菌和绿色硫细菌,由于紫色非硫细菌能高效去除有机物,其除硫功能也成为研究的热点。当硫化物被光合细菌氧化为硫单质颗粒时,可通过沉淀去除。如果硫化物被氧化成硫酸盐或其它含硫化合物,只能暂时降低毒性并不能彻底从水相中去除,而且在厌氧条件下还可能被转化为硫化物。光合细菌利用硫化物的过程需要光照条件,其工艺条件和构筑物将较为复杂。目前光合细菌法去除硫化物尚处试验研究阶段,未见工程应用的报道。
3.3去除废水中的其它污染物
光合细菌法还被应用于去除胺类物质和印染废水脱色等。某些种类的光合细菌具有很强的重金属化合物的耐受性,并能还原重金属化合物为金属单质。这一特性可望用于废水中重金属的去除.
3.4生活污水处理
利用从海洋中筛选分离的海洋光合细菌,以海藻酸钠为海洋光合细菌固定化基质,蒙脱石纳米材料为固定化基质添加剂,研究了固定化海洋光合细菌处理生活污水的效用。研究表明,使用海藻酸钠为基质的固定化海洋光合细菌和以蒙脱石纳米材料为添加剂的固定化海洋光合细菌对生活污水中的氮、磷均具有一定的处理效率。前者对氨氮、总氮和总磷的处理率最高分别为87、68%、70.95%和71.90%, 添加蒙脱石纳米材料添加剂后的固定化海洋光合细菌的去除率分别为91.30%、73.51%和84.88%。添加纳米蒙脱石的固定化海洋光合细菌比没有添加的固定化海洋光合細菌的去除率高10%左右,而且两者对氮、磷的处理速率也有大幅度的提高,在12h左右即可将处理效率提高到60%～80%。在高浓度有机废水和高氮磷浓度的废水处理中具有较强优势，同时由于使用固定化光合细菌的量较少，回收简单，对污水处理中的污泥减量化也有一定的贡献。
结束语
随着微生物新技术的飞跃发展和规模培养技术的应用，光合细菌这一新的微生物资源将不断从实验室走向市场，从科研产品变为商品，广泛应用于各种废水的处理、消除污染、保护水环境、提高水资源利用率。对光合细菌的研究以及培育高效实用的光合细菌越来越受到国内外学者的重视, 并将成为21 世纪对人类生存环境产生巨大影响的最具前景的领域之一.
关键词：废水光合细菌 应用
前言
光合细菌利用细菌叶绿素(Bacteriochlorophylls,简称Bchl)固定光能,以分子氢还原性硫化物或有机物为外源电子供体,而不是以水分子为外源电子供体,因此细菌的光合作用与植物和藻类不同,是一个厌氧过程,不产生氧 Bergeyps Manual of Determinative Bacteriolody 6第九版(1994)将不产氧光合的细菌(Anoxygenic phototrophic bacteria,列为Group10分为:内硫紫色硫细菌(Purple sulfur bacteria) 外硫紫色硫细菌(Purplesul fur bacteria,)；紫色非硫细菌(Purplenon sulfur bacteria)含菌绿素细菌(Bacteria withbchlg)；绿硫细菌(Green Sulfur bacteria)。多细菌绿丝菌(Multice llular filamentous green bacteria)和含菌绿素好氧化养菌(Aerobichemotrophic Bacteria with bchl)。
1光合细菌的能量代谢
光合细菌的获能方式较多,主要包括光能营养和化能营养。在光照厌氧条件下,绝大多数光合细菌利用硫化物、单质硫、硫代硫化物、分子氢或有机物为电子供体,通过光合磷酸化过程获取能量,同化CO2化能营养有两种情况:1、化能异养:在有氧条件下,一些光合细菌可以通过有机物的氧化磷酸化过程获取能量;在无氧条件下,紫色非硫细菌的某些种可以通过硝态氮的反硝化，或有机物的发酵方式获取能量。2、化能自养:少数光合细菌通过氧化硫代硫酸盐、H2等无机物获取能量。
2光合细菌的生长环境
2.1氧和光照
光合细菌对光照和氧的需求与其获能方式有关,光合作用获能过程基本上是一个厌氧的过程,而有机物的氧化磷酸化获能过程(主要为紫色非硫细菌)则需要在有氧条件下进行。由于各种光合细菌所含细菌色素不同,它们对光的利用也不同。一般认为,红外灯和钨灯的发光波长较荧光灯更适于光合细菌吸收。
在供给光照的條件下,光合细菌的活性随着光照强度的增加而增加,光照强度不足会强烈抑制光合细菌的生长,而光照强度过高会导致光饱和现象(Saturation lightintensity )。
2.2温度
光合细菌可以在10～40e的温度范围内生长。一般认为光合细菌在30e可以良好生长。温度降至10e以下,光合细菌生长缓慢,5e以下基本停止生长,温度低至1e并置于黑暗条件下时菌绿素将分解并导致光合细菌死亡。
2.3 pH
Pfenning提出大多数光合细菌的最佳pH为7.0～8.5,少量光合细菌为6.5～6.8[6]在光合细菌生长过程中,CO2的同化或释放,H2S或硫代硫酸盐等被氧化生成硫酸或者有机酸的消耗等代谢过程都将导致培养基中pH值的变化。
3.光合细菌在废水净化中的应用
20世纪60年代,Kobayashi等研究者发现,当粪便污水、发酵废水或食品厂废水等高浓度有机废水与少量的水田土壤或沟泥完全混合在阳光下培养于25~35e时,微生物的菌群将随着有机物的净化发生的变化。在最初的1个月,异养细菌迅速增殖并将废水中的大分子有机物降解为挥发酸、低糖、氨基酸等小分子物质;当有机酸达到一定浓度时,异养细菌的生长受到抑制,而能利用这些低分子物质的光合细菌开始大量繁殖;当低分子有机物被充分利用后,光合细菌的数量也开始衰减而藻类和原生动物等开始增殖。
在上述自净过程中,降解有机物的光合细菌主要是紫色非硫光合细菌。与一般异养菌和活性污泥微生物相比,它对高浓度的低级脂肪酸具有极高的耐受性和利用率。例如丙酸对一般细菌具有很强的抑制作用,却能被紫色非硫细菌利用。因此，当高浓度有机废水中的大分子有机物经异养细菌降解为有机酸后,高浓度的有机酸将抑制异养菌的生长,而紫色非硫细菌此时体现生长优势，可以接替异养菌将有机物的分解继续下去。
目前,光合细菌在废水处理方面的研究大致包括以下几个方面:有机物、营养盐、重金属、含硫化合物和其它污染物如亚硝胺等的降解和转化，利用光合细菌产氢，合成生物可降解塑料——聚B-羟基烷酸(Polyhydroxyalkanoates简称PHAs)合成单细胞蛋白(SingleCellProtein,简称SCP)等资源化方面的研究。
3.1去除废水中的有机物
早期的研究主要是采用光合细菌的纯菌种进行有机物的降解。由于废水中有机物成分复 杂,单一光合细菌菌株对有机物的利用往往不充分。而混合菌种由于存在多种营养方式和代谢方式,对有机物的降解更为高效。例如朱章玉等用R.capsu2lataN3,R.sphaeroidesD,R.palustris1纯菌种及它们的混合菌株处理牛粪尿时发现:经过厌氧光照培养72小时,纯菌种对COD的处理效果分别76.8%,72.3%,80.8%,而混合菌株对COD的降解率为90.6%,明显高于纯菌种。因此,目前光合细菌法废水处理系统多采用混合菌种。
除此之外,只要保持光合细菌在系统中的优势,光合细菌与其它异养细菌。自养细菌的混合培养将更利于有机污染物的去除。例如Sawada等对R.capsulata和异养菌Klebsiellasp.进行了光照以葡萄糖为基质的混合培养,发现R.capsulata纯种培养需120小时才能彻底分解葡萄糖,而混合培养时Klebsiellasp，只需要7小时就可将葡萄糖完全分解成挥发酸供给R.cap2sulata生长。在光合细菌与异养细菌的协同作用下,异养细菌把大分子有机物迅速分解成有机酸、醇等;而光合细菌对有机酸的快速利用又消除了其对异养菌的毒害。不仅如此,光合细菌和异养细菌在混合互生条件下易于形成絮体,提高菌体的分离效果。除菌种的混合外,原生质体融合技术也可强化光合细菌的处理功能。程树培等将光合细菌R.sphaeroidesP9479与酿酒酵母SaccharomycescerevisiaeY9407进行了跨界融合,得到的融合子可承受的负荷率和对有机物的去除率均高于双亲,絮凝和沉淀性能也有较大改善。
比较光合细菌处理各种有机废水的效果。可以看到,光合细菌能在多种环境条件下高效去除各种废水中的有机物,而且所承受的有机负荷远高于一般好氧生物处理,氨氮的硝化过程。在微好氧的环境中,生物膜反应器中填料内层存在缺氧或厌氧的微环境,具有反硝化脱氮活性的光合细菌或其它反硝化细菌可以将硝态氮还原成氮气,从而取得较高的脱氮效果。
光合细菌在一定条件下能在细胞内积累多聚磷酸盐,因此比一般微生物具有更高的同化除磷潜力。目前,光合细菌法用于去除废水中磷的研究不多,有待深入。
3.2去除废水中含硫化合物
与物化方法相比,光合细菌法去除硫化物具有工艺简单，不需充氧，不需添加化学药品；无臭气等优点。
去除废水中含硫化合物的光合细菌主要为紫色硫细菌和绿色硫细菌,由于紫色非硫细菌能高效去除有机物,其除硫功能也成为研究的热点。当硫化物被光合细菌氧化为硫单质颗粒时,可通过沉淀去除。如果硫化物被氧化成硫酸盐或其它含硫化合物,只能暂时降低毒性并不能彻底从水相中去除,而且在厌氧条件下还可能被转化为硫化物。光合细菌利用硫化物的过程需要光照条件,其工艺条件和构筑物将较为复杂。目前光合细菌法去除硫化物尚处试验研究阶段,未见工程应用的报道。
3.3去除废水中的其它污染物
光合细菌法还被应用于去除胺类物质和印染废水脱色等。某些种类的光合细菌具有很强的重金属化合物的耐受性,并能还原重金属化合物为金属单质。这一特性可望用于废水中重金属的去除.
3.4生活污水处理
利用从海洋中筛选分离的海洋光合细菌,以海藻酸钠为海洋光合细菌固定化基质,蒙脱石纳米材料为固定化基质添加剂,研究了固定化海洋光合细菌处理生活污水的效用。研究表明,使用海藻酸钠为基质的固定化海洋光合细菌和以蒙脱石纳米材料为添加剂的固定化海洋光合细菌对生活污水中的氮、磷均具有一定的处理效率。前者对氨氮、总氮和总磷的处理率最高分别为87、68%、70.95%和71.90%, 添加蒙脱石纳米材料添加剂后的固定化海洋光合细菌的去除率分别为91.30%、73.51%和84.88%。添加纳米蒙脱石的固定化海洋光合细菌比没有添加的固定化海洋光合細菌的去除率高10%左右,而且两者对氮、磷的处理速率也有大幅度的提高,在12h左右即可将处理效率提高到60%～80%。在高浓度有机废水和高氮磷浓度的废水处理中具有较强优势，同时由于使用固定化光合细菌的量较少，回收简单，对污水处理中的污泥减量化也有一定的贡献。
结束语
随着微生物新技术的飞跃发展和规模培养技术的应用，光合细菌这一新的微生物资源将不断从实验室走向市场，从科研产品变为商品，广泛应用于各种废水的处理、消除污染、保护水环境、提高水资源利用率。对光合细菌的研究以及培育高效实用的光合细菌越来越受到国内外学者的重视, 并将成为21 世纪对人类生存环境产生巨大影响的最具前景的领域之一.