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生物强化技术在污水处理中的生物强化菌剂来源

标签:工业污水处理

生物强化技术是现代微生物培养技术在工业污水处理领域的良好应用和扩展。生物强化过程中所投加的微生物可以来源于原来的处理体系,也可以是原来不存在的外源微生物。外源功能性高效微生物菌株的获得主要有两方面:一是从特殊的自然环境、污染现场或处理设施中筛选分离,二是通过构建基因工程菌获得。获得的菌株经过筛选、培育、驯化之后,投入到生化处理体系中,以目标污染物为主要能源,从而达到提高污染物处理效率的目的。在实际应用中,所投加功能性微生物菌剂的组成及含量取决于原有处理体系中的微生物菌群及目标体系的环境条件。投加的微生物应满足以下三个基本条件:(1)投加后,菌体活性高;(2)菌体可快速降解目标污染物;(3) 在系统中不仅能竞争生存,而且可维持相当数量。

1、功能性高效微生物菌株的分离筛选

生物强化技术通过向污染物生化处理体系中投加具有特定功能的微生物,来达到提高处理系统处理能力的目的。微生物的来源可以是从原来体系中筛选出来的,也可以是原体系中不存在的外源微生物。采用从原来体系中筛选出的微生物进行生物强化,能克服其他外源菌所面临的存活力较弱、与土著微生物之间可能存在竞争关系等一系列问题,且这种生物强化技术操作简便,实用性强,因而具有较广阔的应用前景。另外,污水中含有多种化学性质不同的物质,用单一菌种很难将其彻底降解,强调微生物群系间的协同作用是目前逐渐被认可的应用模式。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的决定性因素;新的生态环境对生物强化效果也有重要影响。

2、构建基因工程菌

   尽管自然界可以进化出能降解某些难降解有机物的微生物,但这种自然进化十分缓慢,远不能满足生物处理的需要,同时,很多具有特殊降解功能的菌株是无法通过传统的培养技术分离得到的。为了更加有效地去除废水中的持久性有机污染,可以将通过基因工程技术构建的具有特殊降解功能的基因工程菌应用于生物强化技术。基因工程菌是指将所需的某一供体生物的遗传物质DNA分子提取出来,在离体条件下切割后,将它与作为载体的DNA分子连接起来,导入某一受体细胞中,让外来的遗传物质在其中进行正常的复制和表达,从而获得新物种菌。通常情况下,受体微生物常选取待生物治理场所的土著优势菌,以提高基因工程菌对环境的适应性。目前,研究较多的是质粒转移、原生质融合和基因重组等。通过研究发现,控制细菌降解能力的基因片段位于质粒上。采用基因工程手段将多种降解质粒转入同一微生物中,使之获得广谱的降解能力,或将降解质粒转移到一些能够在污染环境中大量生存的菌体内,定向构建高效降解专一性污染物的工程菌,对于复杂污染物、难降解污染物尤其是原来自然界中没有的人工合成物质的生物降解具有重要意义。

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尽管构建高效工程菌有诸多优点,但工程菌在环境治理领域的应用中仍有不少问题有待解决。如某些质粒的不相容性使其降解形状不一定被转移,原生质融合技术可能使其酶活性下降,种的壁垒会使外源降解基因表达能力逐渐下降甚至丧失,基因工程菌对生态环境可能造成威胁等。因此,基因工程菌新基因的稳定性能,新基因转移到其他生物体中或其他目标环境中的规律以及基因工程菌对生态系统的副作用等基因工程菌的安全性和有效性问题均是今后需要重点研究的课题。

3、水平基因转移

高效基因工程菌属于外源菌种,在与土著菌种的生存竞争中常处于劣势,不能维持一定的生存数量和比率,因此一直是困扰这项研究顺利进行的首要问题。由此,大量研究集中在利用基因的自然水平转移来实现生化处理系统的生物强化上。水平基因转移的主要思路是将位于自由基因元素上的降解基因引入待处理污染物系统,通过自由基因向土著菌种的扩散和转移,实现已有菌种对污染物的原位基因修复。与传统的生物强化方法相比,水平基因转移方法由于降解基因处于一种自由的状态,因此具有如下潜在优点:(1)含有降解基因的菌种加入到原始系统后,降解基因通过自由的水平转移进入原有系统的固有菌中,由于新菌对环境有更好的适应性,且转移过程是自然发生的,因此降解基因在菌种内也会更好地生存;(2)在持续高效降解目标污染物的同时,不需要特意维持含有降解基因的菌种在系统中的存活率。

细菌间的水平基因转移简称为供体和受体之间的亲代到子代的遗传物质交换,转化、转导、接合是水平基因转移的三种基本机制。将具有相关降解基因的质粒转移到土著微生物是促进生物强化持久稳定的一种法。降解基因通过水平基因转移向群落中土著微生物传播,如外界菌体携带的降解性质粒进入某一微生物群落并能在群落成员中进行转移,群落就会具有发展新的降解特性的能力,使群落对环境变化具有更强的应变能力。水平基因转移是生物强化处理废水一个十分有前途的工具。

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2018-11-12
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