糖蜜酒精廢液是一種呈棕色的高濃度有機廢水，是造成水體污染的重要污染源〔1〕。糖蜜酒精廢液有機物含量高，同時也含有微生物所需要的大部分營養(yǎng)元素〔2〕。但糖蜜酒精廢液具有的高濃度、高有機酸含量、低pH、強腐蝕性等特性會抑制微生物在糖蜜酒精廢液中的生長繁殖，導致糖蜜酒精廢液成為一種具有較好可生化性卻很難有效進行生化處理的有機工業(yè)廢水〔3〕。為此，筆者針對糖蜜酒精廢液篩選出了能適應其特點、且降解性能好的優(yōu)勢菌種，并對優(yōu)勢菌的生態(tài)位、代謝產物及降解性能進行了研究。該項研究可有效解決糖蜜酒精廢液處理難度大、處理效率不高、處理系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題，具有很高的應用價值。
1 材料與方法
1.1 優(yōu)勢菌種來源及構成
實驗菌種為按照李楠等〔4, 5, 6, 7〕篩選菌種的方法從處理糖蜜酒精廢液的UASB反應器顆粒污泥中分離、純化得到的8株優(yōu)勢菌種，編號分別為NO.1、NO.2、NO.3、NO.4、NO.5、NO.6、NO.7、NO.8，經鑒定分別為皮桿菌屬、棒桿菌屬、微小桿菌屬、微小桿菌屬、乳桿菌屬、纖維單胞菌屬、丙酸菌屬、紅長命菌屬〔8, 9〕。
1.2 優(yōu)勢菌種基礎生態(tài)位測定
優(yōu)勢菌種pH生態(tài)位測定：配制不同pH的液體培養(yǎng)基，滅菌后，將菌種分別接入不同pH的培養(yǎng)液中，于37 ℃培養(yǎng)48 h，測定菌液中細菌的量。
優(yōu)勢菌種溶解氧耐性測定：將每株菌種分別接入4個pH=6.8的培養(yǎng)基，然后分別在溶解氧為0.11、0.42、0.80、1.15 mg/L的條件下培養(yǎng)48 h，測定菌液中細菌的量。
菌液中細菌的量以菌液在波長為420 nm處的OD值表示〔10〕。
1.3 代謝產物測定
取培養(yǎng)好的復合菌群20 mL進行離心，然后將收集的復合菌群分別轉移到pH為4.0、5.5、6.8的500 mL葡萄糖質量濃度為10 g/L的培養(yǎng)液中，于37 ℃培養(yǎng)1周后，采用高效液相色譜法測定不同pH條件下的液相末端產物〔11, 12, 13〕。
1.4 污泥培養(yǎng)及降解實驗
將取自廣西某廠COD為24 000 mg/L、pH為4.3的糖蜜酒精原液按照實驗要求配制成不同COD濃度和pH的廢液。對取自UASB反應器的顆粒污泥進行高壓滅菌處理，然后按1∶10的質量比在培養(yǎng)器中加入優(yōu)勢菌群和滅活污泥，以配制的糖蜜酒精廢液為基質進行污泥馴化培養(yǎng)。以馴化培養(yǎng)好的污泥進行降解實驗。
2 結果與討論
2.1 優(yōu)勢菌種的生態(tài)位
優(yōu)勢菌種pH生態(tài)位實驗結果如表 1所示。
由表 1可知，菌株NO.8在pH為4.4～10范圍內均生長很好，其對pH的耐性范圍很寬;菌株NO.4、NO.6、NO.7同樣也具有較寬的pH耐性范圍，在弱酸或弱堿性環(huán)境中都能良好生長;菌株NO.1、NO.2、NO.3、NO.5在偏酸性環(huán)境中生長相對較好。從表 1還可以看出，所有優(yōu)勢菌種都能適應偏酸性環(huán)境，其中菌株NO.3、NO.8在pH=4.4條件下也能良好生長，正好位于糖蜜酒精廢液pH 為3.5～4.5的范圍之內。結果表明，優(yōu)勢菌種都能較好地適應糖蜜酒精廢液的酸性環(huán)境。
優(yōu)勢菌種溶解氧耐受實驗結果如表 2所示。
實驗結果表明，8種優(yōu)勢菌株均具有一定范圍的溶解氧耐受能力。其中菌株NO.3、NO.4、NO.5、NO.8在溶解氧為1.15 mg/L時仍有很好的生長繁殖能力，其OD值都在0.6以上;菌株NO.1、NO.2、NO.6、NO.7的溶解氧耐受能力相對較弱，但溶解氧耐受上限也達到了0.8 mg/L。
由表 1、表 2可知，8株優(yōu)勢菌種存在6種由pH和DO 2個因子構成的基礎生態(tài)位。其中，NO.1、NO.2的基礎生態(tài)位：pH為5.2～6.8，DO為0.11～0.80 mg/L;NO.3、NO.5的基礎生態(tài)位：pH為4.4～6.8，DO為0.11～1.15 mg/L;NO.4的基礎生態(tài)位：pH為 5.2～9.2，DO為0.11～1.15 mg/L;NO.6、NO.7的基礎生態(tài)位：pH為5.2～8.4，DO為0.11～0.80 mg/L;NO.8的基礎生態(tài)位：pH為4.4～9.2，DO為0.11～1.15 mg/L。綜上可知，8株優(yōu)勢菌種組成的復合菌群不僅具有很寬的生態(tài)位空間，而且不同的生態(tài)位空間都具有相應的優(yōu)勢菌種，表明復合菌群具有生態(tài)位的多樣性，對外界環(huán)境有很好的適應能力，具有較強的系統(tǒng)穩(wěn)定性。
2.2 復合菌群主要代謝產物
復合菌群的主要代謝產物如表 3所示。
表 3表明，pH=4.0時細胞內酸性末端產物的積累是影響復合菌群代謝的限制因素，此時無論乙酸含量還是有機酸總量都是最多的〔14, 15, 16〕。當pH=5.5時，NADH+/NAD+平衡成為主要的影響因素，由于丙酸代謝途徑能夠氧化過多的NADH+，為使NADH+再生，產乙酸氧化過程與丙酸代謝途徑相偶聯，因此在pH=5.5時末端產物丙酸所占比例顯著增加〔17〕。當pH=6.8時，細菌的大量繁殖對NADH+(NADPH+)的需求量增加，此時合成代謝控制發(fā)酵途徑，所以在此pH條件下，乙酸和丁酸的比例有所增加。復合菌群代謝產物分析結果表明，在pH為4.0、5.5、6.8時，復合菌群都能通過代謝途徑來調節(jié)最終代謝產物以適應外界條件的變化。
2.3 溫度對復合菌群降解性能的影響
分別取200 mL糖蜜酒精廢液于250 mL反應裝置中，其中1#、2#瓶COD為4 141.6 mg/L，3#、4#瓶COD為11 845.3 mg/L。調節(jié)pH至6.8，控制1#、3#瓶溫度為37 ℃，2#、4#瓶溫度為25 ℃，添加復合菌群培養(yǎng)的污泥2 g進行降解實驗，考察溫度對復合菌群降解性能的影響，結果如圖 1、圖 2所示。
圖 1 1#、2#瓶的COD降解曲線
圖 2 3#、4#瓶的COD降解曲線
由圖 1可知，降解反應時間達到10 d時，1#瓶的COD去除率為75.5%，2#瓶的COD去除率為53.25%，1#瓶的COD去除率比2#瓶高出22%。由圖 2可知，當降解反應時間達到10 d時，3#瓶的COD去除率為51.24%，4#瓶的COD去除率僅為18.8%，兩者差值達32%。實驗結果表明，溫度對復合菌群的降解性能有重要的影響，特別是在COD濃度較高的情況下，溫度對復合菌群降解效果的影響更為顯著。
2.4 COD濃度對復合菌群降解性能的影響
取COD為4 900 mg/L(低濃度)、12 000 mg/L(中濃度)、24 000 mg/L(高濃度)的糖蜜酒精廢液各200 mL分別置于3個250 mL的血清瓶中，調節(jié)pH至6.8，添加復合菌群培養(yǎng)的污泥2 g，于37 ℃條件下進行降解實驗，考察COD濃度對復合菌群降解性能的影響，結果見圖 3，相應的pH的變化見圖 4。
圖 3 COD濃度對復合菌群降解性能的影響 
圖 4 不同COD濃度下pH的變化
圖 3表明，當降解反應時間達到10 d時，低、中、高COD濃度下的COD去除率分別為74.7%、52.3%和25.1%，呈下降趨勢。降解過程中相應的pH(見圖 4)則呈現出迅速下降然后緩慢上升的過程，這是由于降解過程中糖蜜酒精廢液中還原糖等有機物大量水解導致pH迅速下降，但在低pH條件下復合菌群代謝產物發(fā)生改變以及水解產物不斷被降解，又引起pH緩慢上升。COD濃度對復合菌群降解性能影響實驗結果表明，為了縮短處理系統(tǒng)啟動時間，保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，初始COD濃度不宜超過12 000 mg/L。
2.5 pH對復合菌群降解性能的影響
分別取200 mL COD為4 683.5 mg/L的糖蜜酒精廢液于3個250 mL血清瓶中，調節(jié)pH分別至4.0、6.8、8.0，添加復合菌群培養(yǎng)的污泥2 g，于37 ℃條件下進行降解實驗，考察pH對復合菌群降解性能的影響，結果見圖 5，相應的pH的變化見圖 6。
圖 5 pH對復合菌群降解性能的影響 
圖 6 不同起始pH條件下pH的變化
圖 5顯示，當pH為6.8和8.0時，COD去除率基本一致，說明在起始pH為6.8～8.0范圍內，pH對復合菌群的降解性能影響不大;在起始pH為4.0，即接近糖蜜酒精原液pH的條件下，COD去除率則受到較大影響。由圖 6可以看出，在起始pH為6.8和8.0時，pH的變化呈先降后升，最后達到7.0左右，pH變化過程是典型的厭氧降解反應pH變化過程;在起始pH為4.0時，雖然低pH條件改變了復合菌群的代謝類型和代謝產物，使微生物的降解性能受到一定影響，導致COD去除率下降，但是整個過程中反應系統(tǒng)的pH一直都在不斷地上升，直至與 pH為6.8和8.0時的反應系統(tǒng)的pH基本一致。由此可見，該復合菌群具有較強的調節(jié)系統(tǒng)pH的能力，能使pH從4.0逐步上升到7.0左右。盡管低pH影響了系統(tǒng)的降解效果，延長了系統(tǒng)的啟動周期，但是該復合菌群能夠使整個系統(tǒng)逐漸恢復到正常狀態(tài)，對于保持處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。具體參見http://www.yiban123.com更多相關技術文檔。
3 結論
從處理糖蜜酒精廢液的UASB反應器顆粒污泥中篩選出優(yōu)勢菌株，并對優(yōu)勢菌的生態(tài)位、代謝產物及降解性能進行了研究。
(1)優(yōu)勢菌的生態(tài)位研究表明，8株優(yōu)勢菌種組成的復合菌群具有很寬的生態(tài)位，且在不同生態(tài)位空間都有相應的優(yōu)勢菌種，該復合菌群具有生態(tài)位的多樣性和很強的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，能夠適應糖蜜酒精廢液的低pH條件。
(2)復合菌群代謝產物研究表明，復合菌群能通過代謝途徑來調節(jié)最終代謝產物以適應外界條件的變化，并且能夠逐漸改變外界環(huán)境并使之向復合菌群最佳的生態(tài)位空間遷移。該復合菌群具有較強的環(huán)境適應和調控能力，可以作為處理高濃度、偏酸性糖蜜酒精廢液生物反應器啟動和運行調控的優(yōu)勢菌群。
(3)通過復合菌群對糖蜜酒精廢液的降解實驗，對復合菌群的降解特性及COD、pH、溫度等各種生態(tài)因子對復合菌群降解性能的影響進行了分析，為該復合菌群的工程應用奠定了基礎。
