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1、环境生物技术论文题目：微生物磁效应在废水处理中的应用摘 要：本文介绍了磁场对微生物生理的影响，深入讨论了介绍了微生物磁效应的原理和作用方式，并综述了近年来国内外将微生物磁效应应用于活性污泥法、生物接触氧化法和酶法废水生物处理中的研究进展。关键词：微生物磁效应，废水处理，活性污泥法，生物接触氧化法，酶法任何生物都具有磁性，外加磁场、环境磁场和生物体内的磁场都会对生物的组织和生命活动产生影响，微生物有机体在外磁场作用下表现出来的磁现象，称为微生物磁效应。这种影响既与磁场的强度、均匀度和频率等有关，也与生物的种类、受磁场作用的部位、时间等有关。目前，生物法成为废水处理的主要方法，其本质是利用微生物及
2、其代谢过程产生的酶分解、矿化有机污染物。如何使微生物优良菌种及降解酶能长期在废水处理系统中占优势，并保持高稳定性和高降解活性，从而提高废水处理效率，一直是生物处理工艺的研究热点。近年有关磁效应在废水生物处理中的应用已有大量的研究报道。水经磁化处理后的物理化学性质（如折射率、电导率、表面张力、黏度以及红外吸收光谱等）会发生变化，磁场可提高水中微生物的生物活性、提高微生物对有机污染物的吸附和降解能力，从而显著提高废水生物处理的效果。本文介绍了微生物磁效应及其在废水生物处理中的应用和研究进展。l 微生物磁效应1. 1 微生物磁效应的原理生物体一般或多或少地带有生物电或含有磁性物质，磁场对不同的生物及
3、不同生物层次（如生物分子、细胞、组织和活体）的影响也各不相同，而微生物在磁场作用下所表现出的一些特性变化即为微生物磁效应。微生物在自然界几乎无处不在，但在特定环境中，只有小部分微生物生长活跃。微生物的新陈代谢在特定酶的参与下才能正常进行，由于酶是亲水性的蛋白质，具有高的表面能，对各种外部因素的变化较敏感。在温度、介质pH、渗透压力、底物浓度发生变化，或存在代谢产物积累、杀菌射线、电磁场等作用的情况下，酶的活性会发生改变1。对于微生物来说，磁场是一种物理刺激因素，与超声波及 射线等放射性辐射有相似之处。磁场会影响微生物的运动及其内外部特性。如趋磁性细菌就是一类能够沿着磁力线运动的特殊细菌，它的细
4、胞内含有对磁场具有敏感性的磁小体。磁场对微生物作用的磁生物学机理非常复杂，磁场可直接或间接地影响蛋白质大分子、酶和DNA 的特性，影响细胞器结构及生物膜的通透性，从而影响生物体系统的新陈代谢。磁场处理的适宜操作参数（主要有稳恒磁场的磁感应强度、作用时间、交变磁场的变化频率与作用时间、作用物切割磁场次数等等）也因不同的微生物而异。即使在较弱的磁感应强度范围（1.0 -10.4 mT）内，磁场仍可对微生物产生影响2。近年来，国内外的有关研究证实了利用微生物磁效应是一种改进现有废水生物处理技术的有效途径。磁场对涉及自由基的反应的影响最为明显，水中污染物的高级氧化过程因涉及自由基的反应同样会受到磁场的
5、影响。弱磁场可诱导酶的合成和酶活性的提高，有利于自由基的形成，增加体系溶解氧浓度（氧为顺磁性），使水分子结构发生变化。磁化水渗透压的升高、表面张力的下降等可增加有机污染物、菌体和溶解氧间的接触几率和扩散速率；磁效应增加了水中矿物质的溶解并使部分有机物经磁化分解为C，N 等元素肥分，从而为微生物的生存提供了必要的能源和食物，有利于微生物在生物反应器中的挂膜生长及降解菌的驯化培养，增强微生物吸附和利用污染物的能力，提高废水净化效果。1.2 磁场对微生物生长的作用机制1.2.1对细胞膜及跨膜信息传递的影响(1)、电磁场对细胞膜的影响细胞膜是电磁场作用的靶体，研究电磁场对细胞膜的影响对解释电磁场的非热
6、生物效应有着较大的影响，目前对细胞膜在电磁场作用下形成电穿孔现象研究的比较透彻，并在生物技术和临床医学方面有了广泛的应用。电穿孔(electroporation)是指在脉冲电场作用下，细胞膜脂双层上形成瞬时微孔，导致其通透性和膜电导瞬时增大的生物物理现象。可分为高强度瞬态电磁场脉冲作用下生物膜电穿孔和低强度瞬态电磁场脉冲作用下生物膜电穿孔。在瞬态脉冲电磁场的作用下，对电压敏感的通道即电压一门通道在跨膜电位的作用下开启，导致能被通道特异转运的无机离子(Na+、C1-、K+、Ca2+等)，以及半径大于临界半径a0的离子进入到通道中，形成较大的亲水通道由于亲水通道是由介电常数接近细胞内外液的液体填充
7、，离子在细胞膜中的能量大幅度地减少，临界半径也随之减小，从而导致大量离子的涌入，细胞膜构象发生变化，形成电穿孔。膜蛋白在膜基质一脂质分子中是无序漂流的，因此蛋白通道也并不是位置固定不变的，这就使得电穿孔的位置也具有随机性外加的电场是低强度的瞬态脉冲电场，孔径变大是一个逐渐的过程。脉冲信号作用的时间较短，则形成的孔径较小，可自行修复，即为可逆穿孔；使用周期较长的脉冲信号持续作用，则形成的孔径较大，细胞膜无法自行修复，即为不可逆穿孔。穿孔的出现位置随机，部分穿孔不可逆3。(2)、电磁场对跨膜信息传递的影响研究普遍认为低频电磁场对于细胞信号系统的效应是明显的，低频磁场对细胞信号系统的某一个转导环节或
8、某个信号产生影响则会对整个细胞产生“牵一发而动全身”的生物效应。目前电磁场对Ca2+的影响比较清楚，Ca2+作为胞内重要的第二信使，在细胞信号转导过程中发挥着极其重要的作用。讨极低频电磁场对胞内游离Ca2+浓度的影响，对于从细胞信号转导的角度来解释生物电磁效应，尤其是弱极低频电磁场非热效应的机制有着重要的意义4。1.2.2电磁场对细胞酶活性的影响电磁场对微生物细胞酶活性和离体酶活性的报告有很多，其对酶的作用是毋庸置疑的。贺华君等5研究了磁场对大肠杆菌及胞内谷氨酸脱羧酶的影响，认为磁场的影响是一种综合的因素：对酶活性中心的影响，对酶三级结构的影响以及对酶促反应动力学参数的影响等。酶和蛋白质的活性
9、中心含有锌、锰、铁、铜等顺磁性金属离子。它们在电磁场的作用下会受到洛伦兹力的作用，导致对酶的三维结构的影响，从而影响到酶的活性。另外，胞内含有的自由基由于其非偶电子使其带有自旋磁距，能跟磁场相互作用，在磁场作用下即会受到洛伦兹力的作用，又会使磁距受到转距作用。自由基可以彼此复合成为三重态(自旋相同)或单线态(自旋相反)。磁场可以影响顺磁性自由基的复合速率，这等于影响了自由基的寿命，即影响了自由基的瞬时浓度，从而产生一系列有关的生物效应。而酶内含有的顺磁性金属离子会与自由基相互作用进而影响到微生物细胞的生理功能。2 微生物磁效应在废水生物处理中的应用在废水的生物处理过程中，微生物利用水中的碳、氮
10、、磷以及其他元素进行自身的新陈代谢，导致污水处理的不断延续进行。水的生物处理是一个包括物理、化学、生命等过程的复杂体系，有关微生物降解有机物的机制至今尚不十分清楚，但和微生物的多酶体系与有机物间的系列催化氧化还原反应有关，因此微生物的运动、生长、微生物酶活性以及微生物细胞内的传递特性在很大程度上会影响水处理效率。上述有关微生物的磁效应可望被用于改进或强化废污水的生物处理过程，有实验证实其在生物活性污泥、生物接触氧化、磁性固定化酶水处理等方面已显示出一定的优势。2 . 1 微生物磁效应在活性污泥法中的应用传统活性污泥法由于投资小、运行可靠等优点广泛用于中、低浓度有机废水的处理，但存在废水需大量稀
11、释、运行中泡沫多、易发生污泥膨胀、污染物去除率不高等缺点。Yasuzo 等6发现在活性污泥中加入磁粉可平衡微生物的生长与死亡，防止污泥膨胀，改善废水处理效果。Yavuz等7在用活性污泥法处理模拟废水的反应器外壁设置一磁场，发现废水处理效率比无磁场时提高44%。孙水裕等8用磁粉强化活性污泥法处理餐饮废水的效果优于传统活性污泥工艺，COD 和浊度的去除率均有较大增加，污泥沉降性能明显改善。陆光立等将适量的磁粉投加到回流污泥中，研究结果表明：与传统活性污泥法相比，COD 去除率增大15% 左右，处理后出水的透光率也从70% 80%增加到97% 99%，污泥承受毒害的能力也有所增加；同时可改善污泥絮体
12、结构和沉降性能，减少污泥流失，提高回流污泥浓度，使曝气池混合液中悬浮固体浓度维持在较高水平，从而提高了容积负荷和处理效率。韩庆祥等发现磁感应强度为58 mT 以下的弱强度磁场增大了活性污泥中微生物酶的活性，使炼油废水的处理效率提高了11%。2 . 2 微生物磁效应在生物接触氧化法中的应用生物接触氧化法由于运行管理方便、对水质变化适应性强等优点已大量应用于各种工业废水处理中。但在实际应用中，由于生物填料的传质性能和微生物附着生长性能欠佳，导致微生物挂膜启动速度慢、挂膜量小、生物膜易脱落等问题，造成废水处理效果不理想。目前采用微生物磁效应改进生物流化床处理效果的研究较多。Rao等9用鼓泡塔式生化反
13、应器和气升式生化反应器处理模拟含酚废水，发现磁场能促进微生物的生长、加速酚的降解，气升式生化反应器的酚降解速率远较鼓泡塔式生化反应器快。Jung等以藻朊酸盐微球固定的生物膜反应器外加磁场进行苯酚的降解实验发现：对比预先驯化过的微生物和没有驯化的微生物，前者对苯酚的降解率是后者的近2倍；而在磁感应强度为0.115 0.135 T的磁场中时，前者对苯酚的降解率与后者相比高达2 6 倍，且氧气的消耗速率提高8 13 倍。Hulyka等10以磁性聚苯乙烯颗粒为微生物载体，采用生物流化床处理模拟废水，发现磁性生物载体的生物膜比无磁性载体的生物膜要薄，但更致密且活性高，废水处理效率可提高26%。刘建荣等1
14、1在厌氧流化床中投加质量分数为1. 5%的磁粉形成稳恒弱磁场，处理模拟印染废水，发现废水的脱色时间可缩短2. 5 3. 0 h，脱色率在90% 以上，COD去除率达44% 49%。邬建平12开发出一种“UFO 球碟形磁性生物填料”，该填料的特别之处在于将塑料材料经过磁粉和活性炭改性，使整个填料的网格球体内外均带有微弱的磁场，能起到刺激微生物良性生长代谢的作用，使新生的菌膜极易附着于填料表面，而衰老、死亡的菌体也易脱落，显示出良好的生物磁效应和生物活性炭功能。2 . 3 微生物磁效应在酶法废水处理中的应用在用酶法处理难降解有机物废水的研究中，磁性固定化酶显示出一定的优势。将磁性固定化酶放入稳恒磁
15、场的流动床反应器中，利用外部磁场可控制磁性固定化酶的运动方式和方向，替代传统的机械搅拌，提高固定化酶的催化效率，且分离、回收方便，适合大规模连续化生产。Wada等13将酪氨酸酶固定在磁铁上，将工业废水中的酚连续氧化成醌，提高了酶的储存和操作稳定性。马秀玲等14用壳聚糖微球固定辣根过氧化物酶（HRP）的方法，对比了磁性固定化HRP 和固定化HRP 对含酚废水的催化氧化效果，发现磁性固定化HRP 对于苯酚和邻氯酚的反应活性分别提高了15. 2%和12%左右；当苯酚质量浓度为100 mg 时，原酶、固定化HRP、磁性固定化HRP 对废水中苯酚的去除率分别为77. 1%，89. 1%，92. 8%；而
16、当苯酚质量浓度为300mg 时，原酶、固定化HRP、磁性固定化HRP对废水中苯酚的去除率分别为36. 6%，60. 5%，66. 7%，可见磁性固定化HRP对苯酚的去除效果最好。但该法存在载体性能差、固定化酶制备复杂且酶活性回收率低及成本高等问题。3 结语经济高速发展的今天，工业、生活废水的廉价、高效处理成为一个热门课题，越来越多的人的目光转向废水的微生物处理，而且废水的微生物处理技术不断地向工艺简单、处理费用低和处理效果好的方向发展，微生物磁效应在该领域具有很好的发展空间及潜力。由于磁场中的废水生物反应机理、磁性生物填料的制备及附加磁场的生物反应器的设计均较复杂，属化工、环保、生物、材料和物
17、理等多学科的交叉研究领域，因此微生物磁效应在废水生物处理技术中要实现工业应用并取得理想效果还需进一步的研究探索。参 考 文 献：1 杨昌柱，王敏，濮文红. 磁技术在废水处理中的应用.化工环保，2004，24（6）：412 415 .2 Koneracka M，Kopcansky P，Antalik M，et al . Immobilization of proteins and enzymes to fine magnetic particles.J Magn Magn Mater，1999，201（1）：427 430 .3 杨艳芹，谢菊芳，夏利霞，等低强度瞬态电磁场作用下电穿孔机理探讨J湖
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