相容性溶质对高盐废水生物处理应用研究进展

邹小玲，余江涛，倪国

(1.华东交通大学 土木建筑学院，江西 南昌 330013；2.南京中创水务集团股份有限公司，江苏 南京 200288)

目前，高盐废水的处理技术中生物法最为经济有效且可持续，符合国家绿色发展理念。如何使微生物在高盐环境下存活并发挥其功效是关键，目前国内外研究者认为存在两种策略使细胞在高盐环境下存活：①使细胞内维持高浓度K+，用以抵抗外界高盐渗透压，但胞内酶需要重新适应细胞内部环境；②细胞的细胞质维持低盐，而在细胞质中的渗透压通过所积累的“相容性溶质”维持内外平衡，胞内酶无需重新适应细胞内部环境[4-5]。

1 相容性溶质

1.1 相容性溶质的概念及分类

相容性溶质最初是由澳大利亚的Brown于20世纪70年代提出的，这类物质一般是有机小分子，其特点是高度水溶性、不带静电荷、没有活性基团，在细胞内高浓度积累不会影响蛋白质、核酸等生物大分子的功能，且能够维持细胞内外的渗透平衡，所以称为相容性溶质。

相容性溶质可以通过细胞合成(如谷氨酸和海藻糖)，其种类受到盐度和最终电子受体的影响，也可以通过环境吸收，而大多数菌种更偏爱从环境中吸收相容性溶质[6-7]。其主要可以分为糖类(如海藻糖、蔗糖等，在细菌体内普遍存在)、醇类(甘油，发现于藻类和真菌中)，由于含羟基，其亲水性好，可维持细胞内的水活度；氨基酸(谷氨酸和脯氨酸)、氨基酸衍生物(甜菜碱、四氢嘧啶)，在细胞内的浓度可以积累到摩尔级水平，基本上可以平衡外界盐分所带来的渗透压[8]。

1.2 相容性溶质的调渗机制

在高盐环境下，胞内水活性降低，水分不断流失到环境中，水分的丧失导致细胞膨压的降低，胞内酶不得不适应新的环境。夏颖等[9]认为相容性溶质能够提高细胞的渗透势，减少细胞失水，且能够稳定细胞膜和细胞超微结构，并对细胞内大分子物质的结构及功能起到稳定与保护作用。相容性溶质作为渗透保护剂，能够稳定生物大分子结构，赵百锁等[10]认为存在两个原因：①其能够稳定胞内蛋白酶及细胞质内的水化层；②其与胞内蛋白酶的弱相互作用使它们可以更好地相融。

非嗜盐菌和中度嗜盐菌均依靠相容性溶质调节细胞内外渗透压，其浓度在高渗与低渗环境中维持着动态平衡，当环境渗透压过高时，相容性溶质在细胞内大量积累，防止细胞膨压的丧失甚至造成细胞死亡；当渗透压过低，相容性溶质逐渐分泌到环境中，防止环境中过多的水分渗入对细胞造成损害。除了调渗，相容性溶质还有抗干旱、高温、低温和辐射等作用，通过稳定细胞内核酸、蛋白质、DNA等物质结构，起到对细胞的保护作用[11]。

然而，细胞通过细胞膜转运系统吸收或分泌相容性溶质，转运蛋白对于渗透压的改变的感知以及调节作用能在极短的时间内完成(以毫秒计)，造成了在体内难以探测，除转运蛋白外，渗透压的变化如何转化为相容性溶质的积累尚不可知[12-13]。相比非相容性溶质，大部分相容性溶质都不带电荷如甜菜碱或带负电荷如氨基酸，因此不会和酶或底物的负电荷基团结合，而非相容性溶质如Na+，在低浓度下虽然对酶有保护作用，但高浓度下会和酶的特殊点位结合来降低酶的活性，甚至使酶失活且浓度越高越明显。K+虽然作为相容性溶质的一种，但王颖群等[8]认为K+是一种较为低级的相容性溶质，高浓度钾离子对酶有抑制作用，需要一定量的氨基酸中和其所带电荷，对除嗜盐古菌外的耐盐微生物而言，意义不大。且目前认为K+至少不是中度嗜盐菌的耐盐机制[10]。

1.2.1 对蛋白质的影响 研究表明相容性溶质可以起到有效稳定蛋白质的结构与功能的作用，保护在渗透胁迫下酶的正常活性。卢良坤等[14]认为相容性溶质的积累与胞内分子伴侣dnaK特性密不可分，后者能够促进在盐浓度下蛋白质的正确折叠方式，稳定蛋白质的空间三维结构，以确保蛋白质的活性。Arpita等[15]认为四氢嘧啶能降低多肽链的展开长度，从而增加了其卷曲的倾向，并且更强的展开力表明起稳定作用的分子内部作用力得到增强。

而有的研究者认为是由于相容性溶质从蛋白质表面排斥而出，导致蛋白质优先水合，使蛋白质的结构更加紧密，Stefan等[16]认为这主要是因为相容性溶质使水的表面张力增加抵抗了其表面积的扩大，其次相容性溶质主要在蛋白质变性状态下起作用，而在自然状态下的蛋白质不受影响。Yu等[17]发现在四氢嘧啶溶液中，水在蛋白质周围的扩散速度减慢，保持了蛋白质的水化结构基本不变。

1.2.2 对DNA的影响 相容性溶质能够提高DNA的稳定性，朱道辰等[18]认为是因为高浓度的相容性溶质提高了溶液的电解质稳定性和降低了离子对DNA双螺旋结构稳定性的影响。而Chadalavada等[19]认为高浓度氯化钠能与DNA形成双螺旋稳定结构，而脯氨酸与甜菜碱可以破坏其稳定结构，抵抗氯化钠对DNA的影响，而其他氨基酸不具备这种功能。相反，耐盐基因也能通过基因表达控制合成相容性溶质途径中关键的酶[20]。

1.2.3 对磷脂的影响 相容性溶质能通过改善脂膜的理化性质，提高细胞的抗逆性。海藻糖由于拥有许多羟基，能与脂质分子的相互作用以氢键形式发生在脂质分子的表面，且氢键的数量与保护作用有关，所产生的氢键取代失去的结合水，维持膜表面的水化状态[21-22]。Jens等[23]研究发现高浓度羟基四氢嘧啶增加了脂质双层结构的表面压力以及溶剂可达表面积。Stephanie等[24]认为四氢嘧啶能够通过提高脂膜表面的水合作用增强脂膜流态化，从而提高细胞膜承受极端环境的能力。

2 相容性溶质在高盐废水中的应用

据统计[25-28]，鱼类、食品加工过程产生的废水含盐量一般在72～100 g/L，染料废水、制药废水、杀虫剂废水的含盐量通常也在20～150 g/L，石油产出水盐度甚至在200～300 g/L。对于远高于传统生物处理能力的盐度废水而言，即使驯化耐盐菌也达不到处理效果，利用相容性溶质调节微生物细胞渗透压以期望得到更好的效果。

2.1 对微生物耐盐性能的影响

最初通过实验，人们发现甜菜碱能够对原本在高盐环境下生长受抑制的微生物提供保护作用，数据显示在0.6 mol/L NaCl下细菌生长极度缓慢，而当加入甜菜碱后，细菌便开始从介质或环境中吸收，使细胞内甜菜碱浓度维持在1 mmol/L以上，虽然对其提供渗透保护的物化机理没有得到完全的研究，但部分原因由于与蛋白质表面接触的水层对甜菜碱存在排斥作用[29]，这与其他研究的结果一致。通过外源投加相容性溶质成为了有效提高生物处理效果的方法，其作为渗透保护剂保护微生物在高渗环境下稳定生长代谢。

相容性溶质对Na+毒性的抑制在相同生物处理系统效果也不同。Yerkes等[30]认为甜菜碱在1 mmol/L时，对厌氧生物反应器中Na+毒性的降低最有效，在流化床反应器中的气体产量和pH升高，挥发性酸浓度降低，UASB反应器中产气量显著降低，间歇式反应器中接种甲烷八叠球菌属和甲烷丝菌可以大大降低驯化时间，CSTRs中乙酸吸收率显著升高。Vallero等[31]分别利用相容性溶质谷氨酸、甜菜碱、四氢嘧啶、胆碱作为渗透保护剂，再投入25 g NaCl/L的UASB反应器，发现并没有有效的缓解氯化钠对颗粒污泥还原硫酸盐时产生的毒性，究其原因，主要由于同型产乙酸菌更偏爱对甲醇的吸收，随着甲醇的不断分解，在不增加硫酸盐还原产物和甲烷产率的情况下，转向形成乙酸盐。

2.2 对微生物受到盐度冲击的影响

微生物无法立刻适应盐度的瞬间变化，将造成处理效果的失败，而盐度变化对生物处理的影响不亚于高盐本身的影响，即使在微生物经过驯化的情况下。Kargi等[32]指出当使用淡水污泥处理30 g NaCl/L的废水时，其BOD去除率将下降30%，而经过30 g NaCl/L 驯化后的活性污泥处理淡水环境介质时，其BOD去除率却降低了75%，这说明快速变化的盐度相比盐度本身对处理效果造成的影响更大。

此外，Wang等[33]认为当盐度冲击<5 g/L时，活性污泥处理系统不受影响，当盐度冲击达到10，20 g/L时，污泥OUR和TOC去除率将降低35%和30%。可见驯化后的活性污泥耐低盐度冲击，而对于过高的盐度冲击处理效率依旧不佳。Welles等[34]认为在SBR中，0.18%的微弱盐度短期冲击下能严重限制聚磷菌63%的聚磷能力，可见聚磷菌对盐度的变化非常敏感，而在废水处理中各种微生物对盐度的敏感程度不同，这将会使出水过早的恶化。

相容性溶质可以缓解盐冲击对反应器的影响。杨红薇等[35]认为甜菜碱的加入可以有效缓解15～25 g/L钠盐的冲击对好氧处理系统影响，当向SBR反应器加入1 mmol/L甜菜碱时，TOC和氨氮的去除率效果最好，分别提高了15.3%和18.7%。Yoshie等[36]发现当外界盐浓度变化时，胞内环己五醇的浓度也随之变化，而青蟹肌醇的浓度变化不明显，说明后者没有起到调节渗透压的作用，并表示当盐度瞬间变化时，细胞内会产生特殊的相容性溶质以恢复渗透压，同时主要的相容性溶质的浓度趋于平衡。

当受到渗透胁迫或盐度冲击时，多数微生物能够积累多种相容性溶质，但往往选择其中最有效的一种或数种。陈立伟等[37]比较了4种外源渗透保护剂，甜菜碱的效果最为明显，且对不同的污泥效果不同。对于未经驯化的污泥，在30 g/L盐度下，投加0.17 mmol/L甜菜碱其耗氧速率提高了210%；而对于经过驯化的污泥，在60 g/L盐度下，投加0.43 mmol/L甜菜碱其好氧速率可提高137%。何健等[38]发现在高盐环境下，中度嗜盐菌Halomonassp.BYS-1细胞积累的相容性溶质主要是四氢嘧啶，而当环境NaCl浓度升高到117 g/L后，四氢嘧啶所占摩尔百分比升高到57.5%，外加四氢嘧啶可以有效改善嗜盐菌的生长，主要是因为作为外源物质的四氢嘧啶既可以作为渗透保护剂还能作为碳源和氮源。

在一些情况下，随着外界盐度的升高，胞内相容性溶质类型会随之变化，最常见的即从阴离子相容性溶质转化为中性或两性相容性溶质。研究者认为当受到盐胁迫时，细胞的第一反应产生的物质会被稳态下产生的物质所取代，而这种协调性的内在机理还需研究。

3 展望

目前，关于高盐废水生物处理中微生物耐盐机理研究，通过基因测序技术为基础对微生物进行种群分析在国内外非常流行，而相容性溶质作为外源物质起到渗透保护作用，对其机理的研究多在分子水平，如对蛋白质、磷脂、遗传物质和细胞膜的保护作用，并且其实际应用已涉及基因工程、生物工程、医药等领域。今后，相容性溶质在高盐废水应用方面的研究主要有：①细胞膜转运相溶性溶质过程中，膜蛋白对高渗环境的感知机理的研究；②盐度冲击下细胞内相容性溶质之间转化机制的研究；③提高相容性溶质在胞内的合成量的研究；④负责合成相容性溶质的酶的研究。