烟碱降解菌假单胞菌HF-1在序批式反应器中对烟草废水的生物强化降解研究及机理分析
摘 要
高效尼古丁降解菌假单胞菌HF-1在SBR法处理烟草废水中得到了强化处理。与非生物强化（non-BA）系统相比，生物强化（BA）系统具有更强的污染处理能力，12h内烟碱降解率达100%，化学需氧量（COD）去除率达84%以上。烟碱降解对SBRs的COD去除率有显著影响（rlt;0.928，plt;0.01）。通过使用聚合酶链反应，变性梯度凝胶电泳（PCR -DGGE），毒性试验（蛋白质羰基（PC）和DNA -蛋白质交联（DPC））的组合，系统地研究了生物扩增的机制。DGGE指纹图谱显示，在尼古丁浓度为250 mg/L时，与在非BA体系中尼古丁浓度为40-130 mg/L时相比，条带数和香农-维纳指数下降。然而，在BA系统的各个时期，Shannon-Wiener指数都呈逐步上升的趋势。从DGGE凝胶中提取的序列比较表明，两种SBRs在优势微生物种类上存在显著差异。研究结果表明，HF-1菌株的生物强化作用可以为处理复杂的烟草废水选择合作者。在非BA系统中，当尼古丁浓度高于80mg/L水平时，PC含量和DPC系数显著增加，而在BA系统中，尼古丁负荷递增期间则没有增加。这表明，通过降低BA系统中其它微生物对尼古丁的毒性，菌株HF-1在进行生物强化时可以维持较高的处理活性。综上所述，通过影响活性污泥系统的微生物群落结构、动态和活性，HF-1菌株对烟碱的快速降解在SBR中发挥了重要作用。
关键词：生物强化；尼古丁；烟草废水；PCR-DGGE（聚合酶链反应和变性梯度凝胶电泳）；蛋白质损伤；DNA-蛋白质交联
- 介绍
在烟草制造过程中以及使用烟草的一些活动中产生了大量废物（Brisˇki等，2003），尽管已经采用了一些策略，例如烟草重组和使用干烟草粉尘和烟叶屑生产纸张来减少烟草浪费（Yuan等，2007).在中国，每年产生约130–170万吨的烟草废物。如果每百万支卷烟的制造工艺和废弃物产量与中国报告的相近，则估计每年全球将产生约3,002,740吨烟草废弃物（Dani等，2001).烟草废料构成了重要的环境问题（Wang等，2004； Wang等，2004。Yuan等，2005），因为烟草废料的某些主要成分是有害和有毒的（Buerge等人，2008年)。
序批式反应器（SBR）技术已成为烟草废水处理的有吸引力的选择（东名et al., 2004;Mohan等，2005；Celis等，2008)。但是，在烟草生产公司利群（中国杭州）采用传统的活性污泥培养技术，仅能降解20％的尼古丁和50％的化学需氧量（COD）。传统的活性污泥对于烟草废水的处理效果欠佳。尼古丁不容易降解，并且对大多数微生物具有极强的毒性（Yuan等，2006)。因此，SBR处理的失败或效率低下可归因于烟草废水中某些化合物的毒性或顽固性，例如尼古丁和多环芳烃（PAHs）（Campain，2004年；Qu等，2006)。生物强化有望成为提高SBR处理降解效率的最直接策略（van Limbergen 等，1998)。
用专门的细菌菌株对活性污泥系统进行生物强化可能是改善废水处理多个方面的有效方法，包括快速降低对微生物群落的毒性（Boon等，2000)。如Yu和Mohn（2001）所述，用于生物强化的细菌必须至少满足三个条件：活性、持久性和相容性。因此，只有少数几种微生物适合进行生物强化（Yu and Mohn，2002年)。幸运的是，我们实验室以前分离到的假单胞菌HF-1具有很高的烟碱分级能力。初步研究表明，在SBRs处理烟草废水中，采用生物强化法降解烟碱是可行的。此外，尽管HF-1菌株在尼古丁无机盐中对尼古丁有生物降解作用已观察到盐培养基（阮等人，2005），并且已经部分阐明了假单胞菌属细菌的尼古丁代谢机制（Wang et al., 2007a,b; Tang等，2008），有关其生物降解及其在生物反应器中的机理的信息有限。
因此，本研究旨在探讨假单胞菌HF-1强化活性污泥系统对烟草废水中烟碱降解和污染处理的潜在应用价值。研究了HF-1菌株快速降解烟碱对活性污泥系统微生物群落结构、动态及活性的影响。本文首次报道了在处理烟草废水的SBR系统中，用尼古丁降解菌进行生物强化时，蛋白质和DNA损伤结合聚合酶链反应和变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE）的群落动力学和活性。
- 材料和方法
2.1 反应堆运行
工作量为2.0 L的两个重复的实验室规模反应器以测序模式运行。通过每个反应器底部的空气扩散器以20 L / h的空气流速引入用于充气的细小气泡。反应器中的废水保持在202C，pH 5.5-8.5和3-5 mg / L溶解氧（DO）下。反应器的水力停留时间（HRT）为12–48小时（根据出水特性进行调整），进水填充时间为5分钟，出水时间为5分钟。沉降时间最初设置为15分钟，然后随着污泥沉降性能的提高逐渐减少到5分钟。剩余时间为反应时间。交换因子（增加体积/总体积）为0.5。
