饮用水生物处理中微生物量和活性的测定方法

第6卷第8期2005年8月环境污染治理技术与设备

Techniques and Equi pment for Envir on mental Polluti on Contr ol

Vol. 6, No. 8Aug. 2005

饮用水生物处理中微生物量和活性的测定方法

桑军强　王志农　李福志　张锡辉

1

2

1

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(11清华大学深圳研究生院环境工程与管理研究中心, 深圳518055;

21深圳市蛇口格兰环保工程有限公司, 深圳518067)

摘　要　微生物量和微生物活性是饮用水生物处理工艺设计与运行的重要参数。总结论述了适用于表示饮用水生物处理过程生物膜中微生物数量和活性的几种主要指标的测定方法。

关键词　饮用水　生物处理　微生物量　微生物活性　脂磷　OUR 　R2A

中图分类号　X703　　文献标识码　A 　　文章编号　100829241(2005) 0820088203

M ea sure m en t of b i o ma ss and m i crob i a l acti v ity

i n the b i olog i ca l trea t m en t process of dr i n k i n g wa ter

Sang Junqiang 　W ang Zhinong 　L i Fuzhi Zhang Xihui

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(11Research Center for Envir onmental Engineering &Manage ment, Shenzhen 518055; 21Shenzhen Shekou Green Envir onmental Abstract 　B i are meters f or the design and operati on of bi o 2l ogical p r ocess f fitting f or the measure ment of bi omass and m icr obial activity were discussed in .

Key words 　drinking water; bi ol ogical treat m ent; bi omass; m icr obial activity; phos pholi p id; OUR; R2A

　　近年来, 生物处理在饮用水处理中的应用受到

[1, 2]

越来越多的关注。由于水中可微生物利用的营养物含量处于较低的水平, 用于饮用水处理的生物技术基本上都属于生物膜类型。生物膜处理过程主要是利用生长在载体表面的微生物对水中的污染物质进行去除, 以达到改善饮用水水质的目的。生物膜中微生物的活性和数量对于生物处理的效果具有重要的影响, 因此考察载体表面微生物的活性与数量的分布规律, 对于深入研究和探讨各种生物处理工艺的特性及其对污染物的去除规律, 指导工艺的选择设计、工艺流程的改造以及建成后的运行管理等都具有积极的理论和现实意义。

用于表征饮用水生物处理设备生物膜中微生物的数量和活性的指标的分析测定方法基本上是从废水处理领域或其他微生物学领域借鉴而来,

部分方法根据饮用水生物处理的特点进行了一定改进。本文对适用于表示饮用水生物处理过程中生物膜中微生物数量和活性的几个指标的测定方法作一论述。

定主要是直接或间接测定生物膜(或活性污泥) 中的细胞数量或重量、原生质及细胞中某些代谢活动

[3～5]

的变化等。就生物膜法处理而言, 生物量一般以单位载体的生物膜中所附着生长的微生物的数量来表示。从测定原理上分类, 饮用水生物处理工艺中常用的微生物量测定方法可以分为2类:一类是建立在传统微生物技术之上的传统的培养法; 另一类是以生物膜中微生物细胞组分含量检测为基础的原位法, 直接测定生物膜总量或某细胞组分的总量。1. 1　培养法

培养法是把生物膜从载体上分离下来后将菌胶团破碎成单细胞悬液, 然后通过平板菌落计数或

[6]

MP N 法求得生物膜内的总活菌数, 培养法是最为常规的测定生物膜中微生物量的方法。

自然界中大部分微生物属于有活性但不可培养

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50378048) ; 中国博士后科

学基金资助项目(2003034138)

收稿日期:2004-03-25; 修订日期:2004-07-14

作者简介:桑军强(1974～) , 男, 博士, 主要从事水污染防治技术研

究。E 2mail:sangjunqiang@tsinghua . edu . cn

1　常用的微生物量测定方法

在水的生物处理微生物分析中, 微生物量的测

第8期桑军强等:饮用水生物处理中微生物量和活性的测定方法

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型, 因此实际上能被培养出的微生物种类和数量都很少, 一般认为只占到实际微生物总数的0101%～

[7, 8]

10%。而且细菌培养计数时采用的人工培养基实际上已经不同于微生物的自然生活环境, 不适合培养基的微生物在与优势菌种的竞争中生长繁殖会受到抑制, 另外生物膜的预处理也非常困难, 将菌胶团破碎成单细胞悬浊液几乎是不可能的。因此, 采用培养法得出的微生物数量远远小于生物膜中的真实值, 只具有有限的相对意义。

利用平板菌落计数测定异养菌总数时通常使用的培养基是常规的营养琼脂培养基, 属于富营养型的培养基。但是对于给水微生物处理而言, 由于天然水体中可以利用的各种营养基质都处于很低的水平, 处理装置内的微生物长期生长于贫营养的环境当中, 这种环境有利于贫营养菌(例如假单胞菌黄杆菌和纤毛菌等) 的生长繁殖, 使贫营养菌成为给

[6, 9]

水生物处理装置生物膜中的优势异养菌群。由于营养琼脂培养基中营养物质的含量较高, 所以生物膜中大多数可培养型的异养微生物往往不能够在这种培养基上生长, [8, 10]

小部分的异养微生物, [10]

ner 等人数测定的R2A 培养基。

同传统的营养琼脂培养基相比, R2A 培养基中有机物含量大大降低, 属于营养物浓度较低的培养基。研究表明, 利用该培养基培养得到的细菌总数大大高

[10]

于采用传统营养琼脂培养基培养的方法, 提高了活细菌的检出率, 能够更好地反映出异养细菌的数量。R2A 培养基已经成为给水处理中使用的一种标

[11]

准培养基, 目前在国外给水处理的相关研究中, 异养细菌的培养计数一般都采用R2A 培养基。1. 2　原位法

原位法测定不涉及生物膜与载体的分离及菌胶团的破碎, 可以避免培养法中微生物细胞分离不完全和培养基的选择性等缺陷。常用的指标有MLSS 、MLVSS 、T OC 、COD 、总蛋白质、肽聚糖、脂多糖和脂

[3]

磷等。其中MLSS 、MLVSS 、T OC 和COD 表征的是生物膜的总组分, 包括细胞和非细胞成分, 因此这部分指标不能够区分生物膜中的活细胞和死细胞; 总蛋白质、肽聚糖、脂多糖及脂磷则代表细胞内的某一组分或某一代谢物质, 从而可以间接说明生物膜中活细菌的数量, 显然这些组分物质的测定对于说明微生物的生长特性和指导工程设计更具有实际的价值和意义。

目前在饮用水生物处理领域最为广泛的原位微

[12～15]

生物量测定方法是脂磷测定法。脂磷(Phos 2pholi p id, 其结构示意图参见图1) 在所有微生物细胞内均存在, 是细胞膜的主要组分, 90%～98%的细胞膜脂类以脂磷的形式存在的, 脂磷在细胞死亡后很快分解, 因此是可以用来表示活菌总数的较为理想

[6, 7]

的指标。

(图中X 为氢、胆碱、乙醇胺、L 2丝氨酸等, R 为脂肪酸)

图1　脂磷的化学结构示意图

Fig . 1　Sche matic diagra m of the che m ical structure of phos pholi p id

磷酯法测定的基本步骤为:() (氯∶2018的均相混合液) , 用力振摇m in, 静置12h 。向萃取液中加入氯仿和水, 最终使氯仿∶甲醇∶水的比例变为1∶1∶019, 此时混合液分为2层, 下层为含有脂磷的氯仿相, 静置12～24h 。把含有脂磷的氯仿混合物移入消解管中, 于65～70℃水浴中使氯仿蒸干。用过硫酸钾消解脂磷后测定磷含量, 最终结果以nmol P /g 载体表示。

2　常用的微生物活性测定方法

微生物活性是生物膜分析中的另一个重要参数, 它表示了单位载体生物膜中所附着生长的微生物进行新陈代谢活动的强度。微生物活性同微生物量具有一定的相关性, 但两者不是等同的概念。单位载体生物膜中微生物的活性除了与微生物量有关以外, 还受到水中的溶解氧含量、pH 值、水温以及生物处理装置的运行情况等多种因素的影响, 所以微

[3]

生物活性与微生物量在数值上往往不成比例, 在单位载体的生物膜中所附着生长的微生物量相同的情况下, 微生物活性会因进水水质或运行条件的变

[16]

化而有所变动。研究表明, 同微生物量相比, 微生物活性是能够更准确表示生物膜中的微生物对水中基质降解能力的参数。

可以用于表征微生物活性的指标有各种酶(如脱氢酶、蛋白酶等) 活性、ATP 含量以及耗氧速率OUR 等。在饮用水生物处理领域被研究人员应用

90

环境污染治理技术与设备第6卷

于微生物活性检测的指标有TTC 2脱氢酶活性, ATP

[16～20]

含量以及OUR 。

耗氧速率OUR 是给水和废水的生物处理研究中

[21]

生物膜微生物活性分析的一个常用方法, L iu 根据饮用水生物处理中生物膜的特点对OUR 的测定方法进行了适当改进。同各种酶(如脱氢酶、蛋白酶等) 活性、ATP 含量的测定相比, OUR 是表征微生物活性的一个可以较为简便快捷地进行测定的指标, 测定过程具有所需设备简单, 操作容易的特点, 同时研究证明,

[3]

OUR 同ATP 含量具有较好的相关性。OUR 的另一个特点, 是通过对测定过程加以控制, 可以分别测定异养菌、硝化菌和亚硝化菌各自的OUR 。

OUR 测定的步骤为:取一定量带有生物膜的载体样品, 置入磨口广口瓶内, 在广口瓶内加入一定体积的经过预曝气充氧的水样, 记录原水的温度并维持恒温。将缠有生料带的溶解氧仪探头插入广口瓶内, 使瓶内无气泡, 并密封广口瓶。将广口瓶置于电磁搅拌器上, 开始中速搅拌, 记录一定时间内溶解氧随时间的变化情况, 由此得到载体表面微生物的总的OUR 。若在测定前向水样中加入10mmol/LNaCl O 3溶液, , 和。mmol/L的NaCl O 3溶液, 同时加入5mg/L的聚丙烯硫脲(AT U ) 溶液, 作为亚硝化细菌的抑制剂, 则可以测定得到异养菌的耗氧速率。根据以上结果可以分别计算出异养菌、硝化菌和亚硝化菌各自的OUR, 结果均以μg O 2/g 载体・h 表示。

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3　结　语

能够用于饮用水生物处理过程微生物量与活性

测定的方法有多种。就目前来看, 采用脂磷含量来表示饮用水生物处理装置生物膜中微生物量的方法应用最为广泛。就生物活性测定而言, OUR 、TT C 2脱氢酶活性以及ATP 含量3种指标的应用最多, 其中OUR 的测定最为简便, 目前在饮用水生物处理领域的应用越来越多。

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