關于生物強化處理第一頁，共四十七頁，2022年，8月28日一、生物強化技術產生背景兩個基本概念Bioaugmentation：生物強化，生物增強，投菌法Bioremediation：生物修復，生物整治產生背景

二十世紀七十年代中期

Superbugsrescuewasteplant.(Anon,1977,ChemicalWeek)

對采用生物強化技術存在的爭議普遍存在適者生存第二頁，共四十七頁，2022年，8月28日BioremediationandBioaugmentationBioremediation

willbedefinedastheuseofselectedmicroorganismstoaccomplishabiologicalcleanupofaspecifiedcontaminatedarea,suchassoilorwater.

Bioaugmentation

willbedefinedastheapplicationofselectedmicroorganismstoenhancethemicrobialpopulationsofanoperatingwastetreatmentfacilitytoimprovewaterqualityorloweroperatingcosts.Inotherwords,bioremediationdealswithafiniteprojectorarea,whilebioaugmentationinvolvesworkingtoimproveacontinuousprocess.

第三頁，共四十七頁，2022年，8月28日二、生物強化技術的作用機理及特點作用機理直接作用共代謝作用基因水平轉移作用應用特點優(yōu)點操作簡單，因地制宜，應用靈活針對性強，見效快缺點

系統(tǒng)中高效菌數(shù)量和活性不易控制第四頁，共四十七頁，2022年，8月28日共代謝就是對于一些有毒有害物質，微生物不能以其為碳源和能源生長。但在其它基質存在下能夠改變這種有害物的化學結構使其降解。如以甲烷、芳香烴、氨、異戊二烯和丙烯為主要基質生長的一些菌可以產生一種氧合酶，這種酶可以共代謝三氯乙烯(TCE)。第五頁，共四十七頁，2022年，8月28日生物強化作用機理第六頁，共四十七頁，2022年，8月28日如何實現(xiàn)生物強化技術？.高效菌種的培育從自然界篩選構建基因工程菌.高效菌種在投加系統(tǒng)內的保持及活力表達 原生動物捕食，水力流失，有毒有害物質抑制，DO，pH微生物檢測技術.對目標物的有效去除或對某方面性能的改善第七頁，共四十七頁，2022年，8月28日三、生物強化菌劑的來源從自然界篩選構建基因工程菌直接購買商業(yè)菌劑第八頁，共四十七頁，2022年，8月28日從自然界篩選

高效菌種的步驟

選擇環(huán)境（水或土壤）分離適應性菌株選擇特殊降解性菌株選擇高效菌株接受突變劑進一步篩選增強酶活性增強胞外酶分泌增強效應因子分子作用降低阻礙分子作用發(fā)酵培養(yǎng)單一菌株第九頁，共四十七頁，2022年，8月28日搖瓶培養(yǎng)發(fā)酵罐培養(yǎng)第十頁，共四十七頁，2022年，8月28日菌劑富集反應器（off-lineenrich-reactor)富集反應器典型活性污泥工藝出水剩余污泥有毒有害廢水富集基質和誘導物第十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日獲得特定的目標基因目標基因片斷載體（質粒或病毒）質粒DNA片斷重組DNA重組DNA進入受體細胞內擴增并表達具目標基因表達功能的重組體核酸內切酶切割核酸內切酶切割細胞外重組轉化（質粒）、轉導或轉染（病毒）利用遺傳標記篩選基因工程菌構建過程第十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日GenecloningandExpressionusingPlasmidpBR322第十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日基因工程菌應用實例BurkholderiacepaciaG4，在芳香族化合物存在的條件下能夠共代謝三氯乙烯(TCE)，但降解中間產物會對該菌起毒害抑制作用。通過Tn5插入產生BurkholderiacepaciaG45223-PR1，能夠從結構上表達降解TCE的鄰甲苯單氧合酶，因此在沒有誘導物（如芳香族化合物）的情況下也可降解TCE（Winkleretal.,1995）。第十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日商業(yè)菌劑形態(tài)干化和液態(tài)組成自養(yǎng)、異養(yǎng)和兼性菌選擇注意事項(1)在較低或較高溫度下生長的能力;(2)抵抗高濃度污染物的能力(3)抗重金屬的能力(4)在較寬泛的環(huán)境和介質中生存的能(5)產生生物表面活性劑，更利于與污染物接觸。第十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日四、生物強化技術在

水污染治理中的應用現(xiàn)狀高濃度有機廢水；有毒、有害難降解污染物的治理；脫氮除磷；改善系統(tǒng)污泥特性，降低污泥產量；強化廢水中油脂的液化和降解江河湖泊等的水體修復地下水生物修復第十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日生物強化技術在水污染治理中的應用實例第十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日Groundwaterbioremediation第十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日Groundwaterbioremediation第十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日PlumberbestfriendBioOne第二十頁，共四十七頁，2022年，8月28日ADaphniaspecies

Actualsize--2mm.

BeforebioaugmentationAfterbioaugmentation第二十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日生物強化技術在

水污染治理中的應用效果評價

提高對目標去除物的去除效果改善污泥性能，減少污泥產生加快系統(tǒng)啟動，增強耐負荷沖擊能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性第二十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日對目標去除物的去除效果提高Selvaratnam等人篩選到一株苯酚的高效降解菌，PseudomonasputidaATCC11172，將這種菌投加到SBR反應器中，這種菌在40天內對苯酚的降解率始終維持在95%-100%，而那些沒有接種高效菌種的反應器，苯酚的去除率由初始100%降低到40%。Chin在附著生長生物床加入降解BTX（苯、甲苯、二甲苯）的混合優(yōu)勢菌，在HRT為1.9小時時，生物增強系統(tǒng)可去除10mg/l的BTX，而非強化系統(tǒng)去除僅為3.2mg/l。第二十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日改善污泥性能，減少污泥產生生物增強作用不僅可以有效消除污泥膨脹，增強污泥沉降性能，而且大大減少了污泥的產生，一般可使污泥容積降低17%到30%。Chamber研究生物增強技術在延時曝氣、曝氣塘和氧化溝三種不同系統(tǒng)中的應用。在延時曝氣系統(tǒng)中，接種生物增強劑三周后就成功地消除了污泥膨脹，而在氧化溝中四周后污泥膨脹消除。

第二十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日加快系統(tǒng)啟動，

增強耐負荷沖擊能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性

Belia和Smith發(fā)現(xiàn)，向傳統(tǒng)活性污泥中加入10%的降解磷的純菌，那么整個系統(tǒng)成為一個高效脫磷系統(tǒng)（脫磷率達90%以上）只需14天，而只用活性污泥馴化達到此脫磷率需要58天時間。

Edgehill等人用降解五氯酚（PCP）的純菌來增強活性污泥系統(tǒng)，當加入10%（相對于固有菌量）的純菌，就會使PCP廢水馴化期大大縮短。當PCP負荷由40mgl-1升高到120mgl-1時，出水則達到60mgl-1，單純的活性污泥系統(tǒng)恢復正常需48h，但加入5%或7%的純菌（相對于固有菌量），系統(tǒng)在18h內就使PCP出水達到15mgl-1，表現(xiàn)出良好的抗負荷沖擊的能力。第二十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日生物強化技術在水污染治理中

應用失敗及原因探索（一）

廢水成分復雜，用生物增強技術本身難以達到治理目的和要求。廢水中微生物可利用其生長的底質的濃度太低，不足以維持其生長。投入的菌不如系統(tǒng)中固有菌的競爭能力強，不能強有力地攝取有限的營養(yǎng)物質。系統(tǒng)中原生動物等捕食性動物將優(yōu)勢菌捕食。第二十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日生物強化技術在水污染治理中

應用失敗及原因探索（二）優(yōu)勢菌優(yōu)先利用其他易于利用的底質，對目標降解物作用緩慢。廢水中存在抑制性基質，抑制菌的生長和代謝。投入菌的量不足以使其在菌群中占優(yōu)勢，或由于控制不當菌體流失。不利的環(huán)境因素如廢水的pH、溫度、DO的影響。第二十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日五、現(xiàn)代生物技術

在生物強化研究中的應用PCRFISHPCR-RFLPPCR-DGGEPCR-RISA第二十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日傳統(tǒng)的微生物定量化及群落分析方法活皿計數(shù)法（CFU)

生境可培養(yǎng)細胞百分比（％）海水

淡水0.25

中營養(yǎng)型湖泊0.1-1

活性污泥1-15

沉積物0.25

土壤0.3最大可能數(shù)法（MPN)第二十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日平板培養(yǎng)法缺點：環(huán)境中可通過平板培養(yǎng)的微生物不超過百分之十幾，污水和底泥中有些微生物群落不能夠用培養(yǎng)的方法分析。培養(yǎng)所需時間較長，不能夠提供生物反應器實時、有意義信息。難以獲得微生物群落結構和空間分布的有關信息。第三十頁，共四十七頁，2022年，8月28日PCR(Polymerasechainreaction)基本步驟：變性:采用高溫使DNA變性，形成單鏈DNA;退火:降低溫度，引物在與單鏈DNA互補的鄰位結合，形成復合物.

延伸:將溫度調至DNA聚合酶的最適宜溫度,該以dNTP為原料，根據(jù)堿基互補的原則，按照模板DNA序列組成，從引物的3’端開始逐一將dNTP聚合上去，合成一條新的DNA雙鏈。第三十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日PCRAmplifyingDNA第三十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日PCR技術在環(huán)境檢測中的應用主要有:應用PCR技術研究某一特定環(huán)境中微生物區(qū)系的組成，進而了解其菌群動態(tài)。應用PCR技術監(jiān)測環(huán)境中特定種群（如致病菌、工程菌等）的動態(tài)。第三十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日應用PCR技術檢測樣品中的特定微生物種群，其基本步驟包括：

從環(huán)境樣品中提取核酸（DNA或RNA）；以提取的DNA或RNA樣品為模板進行擴增；對PCR反應產物進行檢測與分析。第三十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日熒光原位雜交技術

（fluorescenseinsituhybridization,FISH）

FISH是目前單個細胞水平上分析微生物群落結構的常用的分子生態(tài)學方法，是用標記過的DNA寡聚物去探測未損傷的微生物群落。第三十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日原理微生物細胞在載玻片上脫水后，與帶有熒光染料標記的寡核糖探針在一定溫度下混合。具有與探針堿基對完全互補序列的RNA隨即與探針發(fā)生雜交，從而使該菌體在熒光顯微鏡下發(fā)出熒光。第三十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日細胞在測定過程中不被破壞，形狀不改變，能夠真實反映在自然微環(huán)境下的情況及分布

特異性強

能定量化

操作簡單迅速。特點第三十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日將染色體、細胞或組織固定；標記探針；將探針與固定材料上的靶序列（DNA或RNA）進行雜交；檢測雜交的結果。FISH基本步驟：第三十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日適用于所用菌種的EUB338;Alf968適用于Proteobacteria的α亞綱;BET42適用于Proteobacteria的β亞綱;GAM42適用于Proteobacteria的γ亞綱;CF319a適用于Cytophaga-Flavobacterium;

ACA適用于Acinetobacter;Nso190適用于Proteobacteria

的β亞綱的氨氧化菌;NEU23a適用于Nitrosomonas屬的耐鹽及嗜鹽菌;NIT3可用于Nitrobacter;S-S-Mae-1414-a-A-18適用于M.erodenitrificans

。一些常用的分子探針第三十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日微生物群落解析應用1用FISH法解析UASB顆粒污泥的微生物群落結構。圖中同時采用了兩個探針進行FISH檢測。探針EUB338能與絕大多數(shù)細菌雜交，發(fā)出綠色熒光；探針ARC915能與古細菌雜交，發(fā)出紅色熒光。（A）低放大倍數(shù)；（B）高放大倍數(shù)。第四十頁，共四十七頁，2022年，8月28日污泥膨脹中絲狀菌的鑒別，比例和分布用FISH法檢測某污水處理廠活性污泥中的絲狀菌。(A）相差顯微鏡下的污泥絮體；（B）同一顯微鏡視野下同時用探針G2M（綠色）和G123（紅色）進行FISH法檢測。黃色表示同時與兩個探針結合，為絲狀菌Eikelboomtype021NII，紅色則為絲狀菌Thiothrix。應用2第四十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日污泥中聚磷菌的鑒別應用3用FISH法和DAPI染色同時檢測活性污泥中的聚磷菌。圖中，藍色作為DAPI染色的結果，代表在細胞體內聚集了大量聚合磷的細菌；而紅色是FISH法的結果，代表與標記熒光