Biotechnology Frontier June 2013, Volume 2, Issue 2, PP.25-29
The Biodegradation of PAHs Involved in Coking Wastewater Biological Treatment Process Shuang Zhu 1,4, Lin Zhou 1,4, Haizhen Wu2, Chaohai Wei3# 1. College of Life Science and Biopharmacology, Guangdong Pharmaceutical University, Guangzhou 510006, P.R.China 2. College of Biological Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510006, P.R.China 3. College of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, P.R.China 4. Guangdong Provincial Key Laboratory of Biotechnology Candidate Drug Research, Guangdong Pharmaceutical University, Guangzhou 510006, P.R.China #
Email: cechwei@scut.edu.cn
Abstract Coking wastewater was typical industrial wastewater with high concentration of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). we provided an overview of the biological treatment process of coking wastewater, the sampling and analysis of PAHs in process, the structural characteristics of PAHs and the biodegradation of PAHs involved in coking wastewater biological treatment process. The unknown PAHs biodegradation dynamics and response characteristics of functional microbiology groups hinder the coking wastewater biological treatment, which induce the control of PAHs in coking wastewater with limited efficiency. Based on the PAHs in coking wastewater, we introduce the research Progress of the characteristics of PAHs and the biodegradation of PAHs , which would provide new theories on the unit design, process control and directorial screening of functional microbiology in coking wastewater with high PAHs concentration. Keywords: Coking Wastewater; PAHs; Biodegradation
焦化废水生物处理过程多环芳烃的生物降解* 1,4
1,4
2
3
朱爽 ，周林 ，吴海珍 ，韦朝海
1.广东药学院生命科学与生物制药学院，广州 510006 2.华南理工大学生物科学与工程学院，广州 510006 3.华南理工大学环境与能源学院，广州 510006 4.广东药学院广东省生物技术候选药物研究重点实验室，广州 510006 摘
要：焦化废水是含高浓度多环芳烃工业废水的典型代表。基于焦化废水生物处理过程多环芳烃的生物降解，概述了
焦化废水的生物处理工程，焦化废水生物处理过程的 PAHs 采样分析，焦化废水生物处理过程多环芳烃的结构特征，焦 化废水生物处理过程多环芳烃的微生物降解。尤其是对执行降解功能的微生物菌群特征缺乏深入了解，导致对焦化废水 多环芳烃生物处理工艺的控制带有盲目性。针对焦化废水中多环芳烃类有机污染物，重点介绍了焦化废水生物处理过程 多环芳烃的结构特征及其生物降解前沿，为更好地开展相关研究提供参考，有望为焦化废水中多环芳烃生物降解的工艺 设计、过程监控以及功能微生物的定向筛选提供新的理论依据。 关键词：焦化废水；多环芳烃；生物降解
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基金项目：国家自然科学基金资助项目(21207021)， 国家自然科学基金重点资助项目(21037001) CITATION-Shuang Zhu, Lin Zhou, Haizhen Wu, et al. The Biodegradation of PAHs Involved in Coking Wastewater Biological Treatment Process [J]. Ivy Publisher: Biotechnology Frontier, June 2013, Volume 2, Issue 2, PP.25-29 引用格式-朱爽, 周林, 吴海珍, 等. 焦化废水生物处理过程多环芳烃的生物降解[J]. Ivy Publisher: 生物工程, 2013, 2(2): 25-29 - 25 http://www.ivypub.org/bf
1 引言 多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)是一类有毒有机污染物，产生于化石燃料的燃烧及各 类有机物质的不完全燃烧。多环芳烃(PAHs)是一类具“三致”效应（致癌、致畸、致突变）的有机污染物， 含有两个或两个以上的苯环，按线形、角状或簇状方式稠合在一起的中性或非极性有机化合物。由于其具 有毒性、生物蓄积性和半挥发性以及在环境中的持久性而被列为典型持久性有机污染物(persistent organic pollutants, POPs)。美国环保局在 20 世纪 80 年代初把 16 种未带分支的多环芳烃确定为环境中的优先污染物， 我国也把多环芳烃列入环境污染的黑名单中。 焦化废水是煤高温干馏、煤气净化、副产品回收与精制过程中产生的工业有机废水，具有污染物浓度 高、组分复杂、毒性大等特点，是难降解工业有机废水的典型代表(Ren et al., 2006)。焦化废水含有氨氮、氰 化物、硫化物、硫氰化物等无机污染物，还含有酚、胺、萘、吡啶、喹啉、蒽等含氮、氧、硫杂环化合物 及多环芳香族化合物，是含芳香族化合物的典型废水(Wei et al., 2007a)。关注焦化废水中多环芳烃类有机污 染物，本文介绍了焦化废水生物处理过程多环芳烃的结构特征及其生物降解前沿。
2 焦化废水的生物处理工程 作为去除废水中有机污染物经济和环境效益最好、应用最广泛的废水处理方法，生物过程一直是工业 有机废水处理重点研究的领域。由于焦化废水污染物浓度高，含有大量的酚类及含氮杂环化合物有机物， 成分复杂，可生化性差，目前一般采用厌氧、水解和好氧多级生物反应的工艺(Wei et al. 2007b)：（1）厌氧 生物处理(Anaerobic, A)，厌氧生物处理对能够有机物进行初级分解，使大分子物质降解为小分子物质，将 难生物降解物质转化为易生物降解的物质，从而有效提高焦化废水的可生化性。（2）水解过程(Hydrolysis, H)，在厌氧-好氧耦合水解过程，水解菌将废水中难生物降解的大分子有机物转化为易降解的小分子有机物， 提高了废水的可生化性，且水解酸化过程使系统的 pH 下降，为后续好氧生物处理提供了稳定的进水条件。 （3）好氧生物处理(Oxic, O)，好氧处理过程由于有氧作为氢接受体，有机物的分解比较彻底，释放的能量 多，故有机物转化速率快，废水能在较短的停留时间内获得高的 COD 去除率。 目前，针对焦化废水生物处理过程，已经分析了酚类污染物的组成及降解特性(Zhang et al., 2010)，基于 氰化物浓度变化的去除特性研究也有涉及(Huang et al., 2011)，但是对于 PAHs 的结构特征及其生物降解的动 态过程还未见报导。以 PAHs 为主的难降解有机物约占焦化废水原水中 COD 值的 8%-10%，经过生物处理 后出水通常仍含有一定浓度的难降解有机污染物，尤其出水中 PAHs 所占的比重增大，而在焦化废水排放的 国控指标（COD、氨氮、色度）中，苯并芘等 16 种优控多环芳烃类有毒污染物未列入控制范围。鉴于 PAHs 的环境毒害，从环境风险与生态安全考虑，焦化废水 PAHs 的出水浓度基线在哪里？要解决 PAHs 在 焦化废水处理工程上的去除问题，首先要解决的问题就是要清楚 PAHs 在废水中的组成和浓度，目前由于对 焦化废水生物处理过程的 PAHs 降解动态过程认识不足，导致废水处理工艺的控制带有盲目性，PAHs 的生 物降解是焦化废水污染控制中的一个难题。
3 焦化废水生物处理过程的 PAHs 采样分析 现有的废水采样技术属于瞬时采样方法，无疑会造成非检测时段污染物信息的遗漏，显然不适合 PAHs 等污染物浓度波动较大的对象。如进行全时段的连续累积多次采样，则工作量大，效率低，可行性差。固 相微萃取(SPME)是加拿大 Waterloo 大学 Pawliszyn 教授的工作小组提出的一种采样和样品制备方法(Ouyang et al., 2011)。SPME 集采样、萃取、浓缩、进样于一体，是一种简单方便、省时省力、不需溶剂的新型绿色 环保样品前处理技术。因此，为了研究实际焦化废水处理工程中 PAHs 的组成及浓度，有必要以 SPME 这一 先进样品前处理技术为基础的现场快速采样分析技术，以及能够准确反映废水中 PAHs 时间权重平均浓度的 原位被动采样技术，从而快速、准确得到反映焦化废水生物处理过程 PAHs 的化学结构特征及浓度水平等信 - 26 http://www.ivypub.org/bf
息。SPME-GC/MS 联用快速检测技术将为焦化废水中 PAHs 的生物降解过程提供及时的反馈信息，为焦化 废水中 PAHs 的生物降解研究提供有力的技术手段。
4 焦化废水生物处理过程多环芳烃的结构特征 我国目前拥有焦化厂 2300 余家，年排放废水超过 8 亿吨，而多环芳烃(PAHs)广泛分布于焦化废水中， 萘、菲、芘、苯并[a]芘是典型代表，高温催化是主要诱因。通过生物处理，16 种多环芳烃大部分都得到去 除，但也有文献报道，这三种多环芳烃：苯并[b]荧蒽、苯并[g, h, i]芘、茚并[1,2, 3-cd]芘在废水中的浓度不 降反升(Pavlovich et al., 2010)。多环芳烃在环境中持续时间长，浓度低，毒性大，成为水污染控制中的一个 难点，也构成了对生态环境及人类健康的严重威胁。美国环保署界定的 16 种优控 PAHs 为：萘、苊、苊烯、 芴、菲、蒽、荧蒽、芘、苯并[a]蒽、屈、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、二苯并[a, h]蒽、苯并[ghi] 芘、茚并[1,2, 3-cd]芘。PAHs 的溶解度不高，在 25℃条件下萘的溶解度为 104mg/L，随着分子量的增加 PAHs 的溶解度逐渐降低，其中拥有 4 个苯环或者 4 个苯环以上的 PAHs 被称为高分子量多环芳烃(HMW PAHs) 。随着苯环数量的增长，HMW PAHs 水溶性逐渐降低而吸附能力和分子的复杂程度逐渐提高(Husain et al. 2008) 。分子量最大的茚并(1,2,3-cd)芘溶解度(25℃)仅为 2.2μg/L。2011 年我国焦炭行业排放的焦化废 水达到 3.6108 m3，约占全国工业废水排放总量的 2.6%，焦化废水造成的水污染相当严重，因此，大部分 发达国家因环境问题将这个产业转移到发展中国家。
5 焦化废水生物处理过程多环芳烃的微生物降解 PAHs 是有毒难降解的有机污染物，微生物降解是自然环境中去除 PAHs 的主要途径。国内外研究学者对 PAHs 的生物降解做了很多工作，发现和分离了一些降解 PAHs 的微生物(Heitkamp et al., 1988; Kim et al., 2005)，并且对 PAHs 的降解机制进行了研究(Liang et al., 2006; Head et al., 2006)。目前针对低分子量 PAHs 的 微生物降解代谢机理已有大量研究，且针对细菌降解 HMW PAHs 的研究也不断取得新进展(Jeon et al., 2003; Kim et al., 2005)。通过纯培养分离纯化得到的菌株对 PAHs 的降解效果明显，但是大多数 PAHs 降解研究主要 针对单一的 PAHs，并且大部分研究仅在实验室中得到证实(Seo et al., 2007; Lin et al., 2010)，而在土壤、沉积 物、水体等其他环境中 PAHs 通常混合存在，故其联合的生物降解作用仍有待进一步研究。目前研究的生境 主要集中在土壤、沉积物(Leys et al., 2005; Cheung et al., 2001)，而对于水体环境中的 PAHs 降解研究还相对不 足(DeBruyn et al., 2009)，特别是对含高浓度 PAHs 水体环境的功能微生物菌群结构与代谢潜能还未见报导。 由于现有的关于 PAHs 降解的微生物知识主要是基于传统的微生物方法而获得的，因此，迄今为止， 科学界对焦化废水生物处理过程中 PAHs 降解的功能微生物菌群的了解仍然十分有限(Zhou et al., 2010)。近 年来，应用非依赖于纯培养的新兴的分子生物学技术(Head et al., 1998; Liu et al., 2006)尤其是那些基于 rRNA 序列比较分析的技术（即 rRNA 方法），由于消除了对纯种培养与分离的依赖，从而迅速成为研究 环境中功能微生物菌群的结构及其多样性的有力工具。目前，仅有的几篇文献报道了受到煤焦油污染的河 水和底泥中一些 PAHs 降解微生物菌群的信息(Dionisi et al., 2004; DeBruyn et al., 2007, 2009)。这些研究的 进展充分表明，目前科学界对含高浓度 PAHs 的水体环境中关于 PAHs 降解的功能微生物菌群的结构及其 多样性仍然缺乏深入的了解。可以这样说，目前参与焦化废水中 PAHs 降解的功能微生物菌群结构还是处 于“黑匣子”的状态。 针对含高浓度 PAHs 焦化废水的生物处理过程，以广东韶钢集团焦化废水生物处理 I 期工程（A/O1/O2 工艺 ）、II 期工程（A/O1/H/O2 工艺）和河北金牛天铁废水处理工程（O1/H/O2 工艺）为研究对象，我们已 经检测到焦化废水原水中 PAHs 的浓度接近 300ug/L，出水浓度可达 50μg/L。而在其他受 PAHs 污染严重的 水体环境中，如靠近煤矿，工业发达地区，油田和排污口等其他污染源的淡水或海水中，水体中 PAHs 的浓 度也仅为 50 ug/L(Yang et al., 2003)。由此可见，焦化废水是含高浓度 PAHs 的水体环境，也是研究 PAHs 生 物降解的绝佳生态环境。已经有研究表明，在不同的环境中，PAHs 浓度是影响微生物菌群结构的最主要因 - 27 http://www.ivypub.org/bf
素(Debruyn et al., 2009)。因此，对含高浓度 PAHs 焦化废水中功能微生物菌群的响应特征解析，极有可能发 现新的高效降解菌株或新的基因资源。Wang 等研究表明，在被 PAHs 污染的沉积物中，微生物降解 PAHs 能力远高于未受污染的沉积物。对 PAHs 功能微生物菌群的破译是对焦化废水生物处理工艺 PAHs 降解控制 优化的基础之一。 微生物降解 PAHs 是由一系列酶促反应完成的。双加氧酶(dioxygenase)是微生物参与 PAHs 第一步降解 的关键酶，它通过羟基化使 PAHs 苯环断裂，从而进行下一步代谢。最近几年多个双加氧酶基因被克隆 (Jeon et al., 2003; Seo et al., 2007)，主要分为两类，一类以高分子量 PAHs 为底物，如 nidA 基因，目前主要 从分支杆菌（Mycobacterium）中克隆得到；另一类以低分子量 PAHs 为底物，如 nagAc，nahAc 基因，目前 主要从变形杆菌(β-Proteobacteria, γ-Proteobacteria)中克隆得到。PAHs 双加氧酶基因的拷贝数能够表征 PAHs 矿化的代谢潜能，如 nidA 基因拷贝数和降解高分子量 PAHs 的分支杆菌的 16S rRNA 基因拷贝数可以作为 研究芘降解及其降解潜力的参考指标(Debruyn et al., 2009；Peng et al., 2010)。在焦化废水生物处理过程，功 能基因拷贝数与 PAHs 降解的动态存在什么样的响应关系？我们期待能通过 PAHs 降解功能基因(nidA, nagAc, nahAc)的荧光实时定量 PCR 技术(quantitative real-time PCR, qPCR)定量分析具有高专一性 PAHs 降解 功能微生物菌群的基因拷贝数，从而在功能基因水平上建立起废水中 PAHs 组成和浓度变化与功能微生物菌 群代谢潜能的相关性。随着对 PAHs 降解功能基因研究的深入和降解功能基因库的不断丰富，降解 PAHs 功 能基因的定量 PCR 技术将为焦化废水处理系统的日常管理及其优化提供新的思路。
6 展望 功能微生物菌群是焦化废水生物降解 PAHs 的主角，对焦化废水处理工艺中功能微生物菌群响应特征信 息的缺失是制约 PAHs 高效生物降解工艺的瓶颈。解析焦化废水工程实践中相应工艺单元降解 PAHs 的功能 微生物菌群结构特征与代谢潜能，揭示功能微生物菌群对 PAHs 生物降解动态的响应特征，也是对焦化废水 中 PAHs 生物降解过程实施生物监控、开展生物强化等工作的基础。针对高浓度 PAHs 在水污染控制工程上 的去除问题，解析 PAHs 生物降解动态过程与功能微生物菌群的响应特征，有望为含高浓度多环芳烃废水高 效生物降解工艺的设计、过程监控以及功能微生物的定向筛选提供新的理论依据。
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【作者简介】 朱爽（1977-），男，汉族，博士，讲师，主要从事水环境污染控制的研究，2007 年博士毕业于中山大学。 Email: 15683727@qq.com。
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