鹽脅迫對微生物活性的影響及活性測定方法

1、 鹽脅迫是高鹽度(K+、Na+等)對微生物造成的一種脅迫作用，這種脅迫作用通常表現為對微生物生長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，高鹽度則會抑制非耐鹽微生物的生理活動。 沿海城市海水沖廁等應用的推廣，使生活污水含鹽量升高，沖廁污水經排水管網進入城市污水處理廠，最后在生化池中對活性污泥中的微生物形成鹽脅迫。目前我國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，因此研究鹽脅迫對微生物活性生長的影響，可為以活性污泥為核心的城市污水處理提供理論依據。 城市污水處理生物過程主要發(fā)生在生化池中。生物處理（biological treatment）利用生物即細菌、霉菌或原生動

2、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組成，能將污水的氮、磷元素同時去除。 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污染物的去除影響發(fā)現，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到50%，且極不穩(wěn)定。 Uygur等在SBR配水實驗中，發(fā)現高鹽度污水對COD、氨氮和磷去除速率有抑制作用。

3、 無機鹽類物質在微生物生長過程中起酶促反應、維持和調節(jié)膜兩側滲透壓平衡的作用，適當濃度的無機鹽有利于微生物的代謝，但過量卻會使其喪失活性。 無機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。 Kargi等研究發(fā)現當水環(huán)境中鹽濃度大于10 g/L時，會造成微生物細胞發(fā)生質壁分離或細胞失活現象。 祝貴兵等在研究海水含鹽量對活性污泥微生物影響中，發(fā)現含鹽量為5 g/L 的污水中，相對于無鹽環(huán)境，微生物生理活性明顯更高，但鹽度過高，則會對微生物的生長產生抑制作用。 其主要原因在于：鹽度過高，微生物所處細胞外界環(huán)境滲透壓高，使細胞脫水，引

4、起細胞壁與原生質分離；在鹽度高的情況下，鹽析作用還會使脫氫酶活性降低，使微生物失活。 活性污泥主要由微生物群體、難降解的有機物、各種無機物以及微生物內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制，去除有機物和進行脫氮除磷工藝。這些功能菌主要有參與有機物代謝的異養(yǎng)型微生物如好氧細菌、厭氧細菌和兼性細菌，生物脫氮過程中的氨化細菌、硝化細菌和反硝化細菌以及除磷過程中的聚磷菌。 目前生物除磷技術主要運用反硝化聚磷菌（DPAO）作為優(yōu)勢菌種，該類微生物能夠利用O2、NO2或NO3-作為電子受體進行吸磷，并以聚合磷酸鹽的形式儲存在細胞內，同時NO3-被還原為N2。 無機鹽類在微

5、生物的生長過程中起酶促反應、調節(jié)滲透壓和維持膜平衡等作用，但是過高的鹽濃度會使微生物的形態(tài)和理化性質發(fā)生改變，抑制微生物的生長代謝。 鹽脅迫下好氧顆粒污泥微生物體內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K+和Ca2+含量隨著鹽濃度增加呈現上升趨勢，Na+、K+、Ca2+含量在含鹽量低于10 g/L時變化幅度都不大，鹽濃度大于10 g/L時，產生明顯變化。鹽脅迫對微生物生長的影響鹽脅迫對微生物生長的影響 微生物通過吸K+排Na+機制提高微生物的耐鹽性，Na+主要通過鈉鉀泵和Na+/H+逆向運輸蛋白來降低胞內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

6、白結構，在吸K+排Na+方面有重要作用，可使胞內K+濃度上升。Ca2+在耐鹽方面的作用與Ca2+維持細胞膜的穩(wěn)定性、降低通透性、保持完整性和 Ca2+激活相關酶的活性有關，Ca2+作為第二信使參與鹽脅迫信號傳遞，調節(jié)微生物體內生理生化反應，進而表現出耐鹽效應。 研究還發(fā)現鹽度對好氧微生物好氧微生物的呼吸抑制較強。 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)勢菌群已難以生存，鹽脅迫對嗜鹽菌群有明顯的選擇作用，對鹽濃度敏感的菌群不再適應高鹽環(huán)境。低鹽下的優(yōu)勢菌群有的在高鹽濃度下數量減少，甚至消失，但一些菌群在高鹽條件下通過適應性機制發(fā)展成為優(yōu)勢菌群。 好氧

7、微生物在不同鹽濃度下種群豐富，結構復雜。低鹽和高鹽下的優(yōu)勢菌種存在差異，種群結構和數量都存在一定的變化。 鹽脅迫對微生物群落的影響鹽脅迫對微生物群落的影響 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)、動膠菌屬(Zoogloea)、不動桿菌屬(Acinetobacter)和亞硝化細菌(Ammonia-oxidizing bacterium)是低鹽下優(yōu)勢菌屬。放線菌屬(Actinobacterium)、-變形菌(Betaproteoba-cterium)、鏈霉菌(Streptomyces)、厭氧菌(Anaerobic-

8、 bacterium)、嗜冷桿菌(Psychrobacter)和芽孢桿菌屬(Bacillus)屬于高鹽下優(yōu)勢菌屬。 噬氫菌屬(Hydrogenophaga)和棒狀桿菌屬(Coryne-bacterium)在整個鹽脅迫過程中都是優(yōu)勢菌屬，對環(huán)境適應能力強，具有很強的耐鹽特性。微生物活性的測定方法pH值法 通過檢測活性污泥系統(tǒng)pH值的變化，采用最小二乘法得出OH-的減小速率(OH-)，換算為單位微生物單位時間內呼出CO2的量(CO2)，用CO2來表征污泥的活性，這種方法基于微生物的呼吸作用，受水質等外界因素干擾小，測定儀器便于攜帶，是一種適合現場檢測污泥活性的快捷、可靠的方法。 監(jiān)測期間，pH值在

9、89之間，碳酸平衡體系中HCO3-占95.3%97.4%，所以基本上為一級電離。將監(jiān)測的pH換算為反應器中OH-，從而由OH-的變化情況反映出微生物菌群呼吸作用產生的CO2的量，進而反映污泥的活性。 具體操作步驟如下： 調節(jié)泥水的體積比，添加營養(yǎng)物使初始COD為1500mg/L，曝氣20min,使污泥充分吸附營養(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攪拌，然后測其pH值。 當pH值穩(wěn)定在9左右時，停止投加，充分攪拌后繼續(xù)曝氣。觀測pH值上升到一個最大值后，并有下降的趨勢時開始記錄。 以后每隔5min記錄一次，直到pH值不再下降為止。重復以上步驟，做其它泥

10、樣。TTC-脫氫酶活性法 乳酸脫氫酶(LDH)是一種存在于細胞質內的物質，通過檢測胞外溶液中的LDH活性，可以間接反映在不同鹽度產生的滲透壓下，細胞膜的相對破損程度。脫氫酶是一類能夠激活某些特殊氫原子的蛋白質，使底物發(fā)生氧化。在氧化過程中,脫氫酶參與有機物的降解和能量的獲取。生物體的脫氫酶活性(dehyd-zogenase activitiy,DHA)在很大程度上反映生物體的活性，而且直接表示生物細胞對其基質降解能力的強弱。 用TTC(三苯基四唑化氯)作為氫的人工受體測定脫氫酶的活性能很好地反映活性污泥的氧化能力。 通過TTC-脫氫酶活性法測定污水廠污泥活性發(fā)現，用脫氫酶活性(TF)作為反映污

11、泥微生物活性的指標，測定簡便,靈敏可靠,適用于污水處理廠的日常工作。 當TTC被引入電子得失的反應鏈中后,由于與核黃素相連的脫氫酶向細胞色素的氫的轉移機制將由 TTC代替（Ecken felder等發(fā)現于1988年）,還原后的TTC形成一種為TF的紅 色物質,該物質可從細胞中提取出來 并由比色法定量測定其濃度。當環(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,反應式如圖所示。 f(MLVSS/MLSS)值法 f即MLVSS/MLSS比值。需要測定如下幾個值： 污泥濃度（MLSS）的測定。 揮發(fā)性污泥濃度（MLVSS）的測定。 求出的比值f，即污泥濃度與揮發(fā)性

12、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；超過最適值后，f值減小，說明微生物活性降低。SOUR值法 SOUR值是指單位時間內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，該指標易受基質的可生化性、毒物濃度（如污水鹽度）等多種運行條件的影響,同時與處理系統(tǒng)的溫度、負荷、污泥齡等環(huán)境條件及運行參數有關。 SOUR可表征A2/O系統(tǒng)有機物降解效率，常規(guī)SOUR介于7.113.3mg02/g MLSSh，含硝化和亞硝化過程的硝化SOUR常規(guī)范圍在0.882.95 mg 02/g MLSSh之間。處理系統(tǒng)在遭受鹽脅迫時，污泥SOUR 會突然下降，因此SOUR可監(jiān)測進水中

13、是否含鹽度過高,并為之做出靈敏的早期警報。 耗氧速率的測定是通過直接測定系統(tǒng)中最終受氫體，即溶解氧（DO）的消耗速率得到。測定方法一般采用分批試驗法，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，試驗裝置見圖4。FISH和live/dead分析方法 通過綜合多種檢測方法分析鹽度對硝化菌活性的影響，可用FISH和live/dead細胞染色的分析方法測定微生物活性。 原理：live/dead細胞的檢測是利用PI和DAPI對于雙鏈DNA染色的特點，不同鹽度沖擊后，分別針對活性污泥的衰亡細胞和總細胞進行染色，使用熒光顯微鏡進行觀察，每個樣品觀察20個視野。通過Image-pro plus軟件分

14、析各類細菌占相應視野面積的比值，利用相對面積法，計算活細菌在總細菌中的比例。 用該方法測定發(fā)現在鹽度水平(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，AOB和NOB細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，其活性損失率分別為81.14%和83.25%。AOB/NOB的細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%。 鹽脅迫（NaCl）能夠在短時間內抑制污水處理系統(tǒng)中的高等微生物活性,使其停止捕食活動,出現收縮和脫水現象，其原因是高等微生物對高滲透壓的低耐受性。當鹽度大于某一閾值時，鹽脅迫就會抑制水中微生物的生長代謝，嚴重時會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指標的聯合測定，可以準確反映微生物在污水中的生存狀態(tài)，進而反饋生化池中污水處理工藝的運行狀況。微生物活性測定的工程意