烟草废水菌群处理技术分析
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我国是烟草种植、生产和消费大国, 种植面积和产量均居世界首位.烟草行业是我国纳税大户, 在“十二五”期间烟草行业五年上缴财政总额4.13万亿元, 年均增长17.5%, 比同期全国财政收入年均增长率高4.7%, 在国民经济中发挥着重要作用.然而在烟草制品生产过程中会产生大量废水 , 国家统计局2013年报道我国烟草制品业废水排放量为2362×104 t.烟草工业废水排放量大且颜色深、成分复杂, 烟叶中的尼古丁、有机酸、氨基联苯、萘胺等成分造成废水毒性大, 污染严重, 被欧盟法规认定为“有毒危险性废物”(Novotny et al., 1999), 若不妥善处理, 极易对环境造成严重的污染和潜在的危害(Wang et al., 2012) .尼古丁是烟草废水中一种关键的污染物, 溶于水和多种有机溶剂, 甚至可穿过复杂的生物膜, 包括血-脑屏障, 具有致癌、致畸、致突变性, 对人体造成危害(Tega et al., 2013) .因而有效处理该类废水, 使处理后污水无毒排放或中水回用, 对烟草工业绿色健康发展具有重要的意义.
目前已有多种方法应用于烟草废水处理领域, 工程常采用物理-化学-生物方法联合处理工艺, 其中生物法由于其经济高效的特性成为目前该类废水处理的主流技术, 并作为主体工艺技术应用于生产实践中.然而由于尼古丁及多环芳烃等污染物的难降解性和生物毒性(Yuan et al., 2006; Qu et al., 2006), 导致活性污泥的处理体系出现出水水质差、系统运行不稳定等问题, 使传统生物处理技术面临巨大挑战(郭静波等, 2011) .而生物强化技术被认为是最直接有效改善活性污泥性能, 提高系统运行效率的技术(Limbergen et al., 1998) .目前生物强化局限于单一菌株对活性污泥的强化处理(Wang et al., 2013), 并主要关注对单一污染物尼古丁的降解效能和机理分析, 如筛选获得以节细菌(Arthrobacter sp.)(Ruan et al., 2006; Hochstein et al., 1959), 假单胞菌(Pseudomonas sp.)(Chen et al., 2008; Ruan et al., 2005) 为主的尼古丁降解菌类群.然而作为生物强化的菌种只有能够长期稳定适应处理环境才能发挥较好的作用(Fantroussi et al., 2005) .烟草废水处理运行过程受产能、生产周期和烟草质量影响, 水质波动较大且成分复杂, 除了含有高浓度的尼古丁外, 还含有其他多种有毒有害污染物.单一菌株的处理往往不能达到预期效果.与之相比, 菌群的环境耐受能力强, 处理效果稳定, 在环境治理研究中取得较好的处理效果(Seib et al., 2015; Zhao et al., 2016) .
目前鲜有利用菌群进行烟草废水处理或生物强化的应用研究, 本研究旨在通过筛选驯化的方式获得高效活性降解菌群, 并分析处理前后烟草废水理化参数和有机成分的变化, 利用克隆文库技术分析菌群构成及多样性指数, 解析菌群处理过程中烟草废水污染成分的变化及降解过程.本研究获得的菌群由于其构成的稳定性和代谢途径的多样性, 能够适应不同浓度的废水环境, 去除尼古丁的同时有效降解其他多种杂环化合物、芳香烃及酯类等污染物, 拓展了降解范围, 为菌群在烟草制品废水处理中的应用提供了理论指导.
2 材料和方法(Materials and methods) 2.1 水质分析
废水来自于某烟草公司, 该公司产生的废水黄褐色, 浑浊并伴有典型烟草气味.废水基本理化参数检测按照《水和废水监测分析方法》规定进行(国家环保局, 1997) .其中COD、色度、悬浮物(SS)采用便携式水质分析仪(DR1900, 美国Hach公司)进行测定;生化需氧量(BOD5)采用BOD测试仪(美国Hach公司)进行测定;pH值采用pH电极法测定, pH计(FE20, Mettler Toledo);盐度采用折光率法进行测定, 盐度计(手持式盐度仪, 南京山特公司);氨氮含量采用纳式试剂分光光度法(GB 7497-87) 测定;可溶性磷酸盐采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-89) 测定.
2.2 有机污染物分析
利用固相萃取和气相色谱-质谱联用法(Gas Chromatography-Mass Spectra, GC-MS)分析有机污染物.
水样预处理：取3份水样各500 mL, 分别用H2SO4和NaOH调节至pH小于2、自然pH和pH大于11, 用0.45 μm滤膜过滤后分别用固相萃取柱(Agela Cleanert C-18) 萃取(Yang et al., 2013) .固相萃取柱活化后, 水样以5.0 mL·min-1的流速渗透过固相萃取柱, 使污染物吸附于萃取柱中.预富集后抽真空10 min使小柱干燥, 依次加入乙酸乙酯、正己烷和甲醇, 每种有机溶剂自然流下后收集洗脱的样品, 将同一个样品的淋洗液合并, 加入无水硫酸钠脱水, 最后氮吹仪吹干浓缩过滤后用于定性定量分析微生物降解前后水样中的污染物类别和含量.实验中用到的所有有机溶剂均为色谱纯.
GC-MS/MS联用仪(Agilent 7890A GC/7200 Q-TOF MS)分析污染物种类和含量.方法参照文献进行并略有调整(Yang et al., 2013), 仪器设置参数如下：①进样口温度：250 ℃;分流比：100:1(V/V);色谱柱：30 m×250 μm×0.25 μm (J
