光合细菌在废水处理上的应用

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。

在供给光照的条件下,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。

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