水体中嗅味物质的来源以及生物降解性能[1]_生物滤池

Saadoun和El-Migdadi(1998)将能够产生Geosmin的Streptomyceshalstedii (A-1strain)菌和多种革兰氏阳性菌共同培养生物滤池，进行微生物醇类转化反应测定，结果表明含有Arthrobacter atrocyaneus,Arthrobacter globiformis, Chlorophenolicus菌N-1053和Rhodococcusmoris可能具有降解Geosmin的能力(Saadounand El-Migdadi 1998)。

上述结果中鉴别出来的Geosmin降解菌株均属于革兰氏阳性菌。澳大利亚水质中心（AWQC）的Hoefel和Ho课题组近年来从Morgan水厂的砂滤池中分离并鉴定出多株能够降解Geosmin的革兰氏阴性菌，包括：Pseudomonassp., Alphaproteobacterium，Sphingomonassp. 和一株属于Acidobacteriaceae科的菌株(Ho,Hoefel et al. 2007)。进而该课题组首次报道了三株革兰氏阴性菌能够协同降解Geosmin：Sphingopyxisalaskensis, Novosphingobiumstygiae 和Pseudomonas veronii。当Geosmin作为唯一碳源，浓度为20mg/L时，混合菌经过14天的培养后开始降解Geosmin，51天后降解率达到96%；将混合菌加入含有 37ng/L和131ng/L Geosmin的灭菌水库水中，经过20天培养，Geosmin降解至低于2ng/L。协同降解的机制可能是其中的一株菌具有能够降解Geosmin的全部基因，但是需要其他菌株提供必要的生长因子或者是其他营养物(Hoefel, Ho et al. 2006)。将这三株菌接种到内径2.5cm，高15cm的生物砂滤柱中，与未接种的滤柱相比，Geosmin的去除率从25%提高到75%(McDowall,Hoefel et al. 2009)。

该课题组还从砂滤池中富集并分离的一株革兰氏阴性菌，Alphaproteobacteria属，能够独立有效地以Geosmin为单独碳源，经过42天培养后，降解mg/L量级的Geosmin。这株菌对于Geosmin的降解反应属于伪一级动力学反应(Hoefel, Ho et al. 2009)。

表4汇总了已经报道的能够降解Geosmin的微生物菌种论文格式模板。

表4目前为止报道的能够降解Geosmin的微生物菌种

根据已有的实验结果，我们可以初步得出以下结论：

到目前为止，分离出的能够降解2-MIB和Geosmin的菌株均为好氧异养细菌。而微生物对于2-MIB和Geosmin的降解方式可以分为2种生物滤池，一种是以2-MIB和Geosmin作为一级基质直接利用，一种是以2-MIB和Geosmin为二级基质利用。对于具有2-MIB和Geosmin降解能力的菌株来说，mg/L量级的致嗅物质可以作为单独碳源支持微生物的生长；而10mg/L~ng/L量级的致嗅物质，需要在其他易降解的一级基质存在的条件下，才能够作为二级基质被微生物利用。

有的菌种可以单独降解2-MIB或者Geosmin，而有的需要在多株混合菌种共同存在时协同降解2-MIB或者Geosmin。

微生物对2-MIB和Geosmin的降解都是缓慢的过程，在有其他容易被微生物利用的一级基质存在的条件下，微生物对2-MIB和Geosmin的降解速率比单独碳源的条件下要快，但是一般仍然需要几天到几个星期，Ho等人所在的研究组分离出的能够降解Geosmin的革兰氏阴性菌对Geosmin的降解一般都需要几十天时间。这可能是由于降解菌需要生长一定时间达到一定数量时才能够降解致嗅物质。另一个可能的解释是降解2-MIB和Geosmin的酶是诱导酶，在实验条件下需要几天时间进行诱导。还可能是因为2-MIB和Geosmin对微生物细胞生长具有一定的毒性。

4.2 生物降解2-MIB和Geosmin的途径

(1) 2-MIB可能的生物降解途径

2-MIB的降解途径可能和樟脑(camphor)类似，樟脑是一种双环酮，已经证明其能够被菌株Pseudomonas 和Mycobacterium rhodochrous通过生物Baeyer- Villiger反应降解(Trudgill, 1984)。在降解过程中，樟脑的环状结构通过单加氧酶催化的一系列中间反应裂解，从而形成不稳定的内酯。

Sumitomo(1988)等人证实从砂滤池中分离出的Pseudomonas fluorescens降解2-MIB的中间产物包括2-Methylenebornane,2-methyl-2-bornene及其同分异构体(Sumitomo 1988)。

Oikawa (1995)等人从GAC生物滤池中分离出的Pseudomonas spp.和从快速砂滤池中分离出的Flavobacterium，其染色体DNA和质粒DNA中都存在能够降解2-MIB的基因。研究者将一株樟脑降解菌Pseudomonas putida的整个Cam操纵子转化到大肠杆菌中，使得大肠杆菌具备了降解2-MIB的能力(Oikawa,Shimizu et al. 1995)。

Tanaka(1996)等人采用Pseudomonas和Enterobacter.T降解2-MIB的过程中，鉴别出2种可能的脱水产物，2-methylcamphene 和2-methylenebornane(Tanaka,Oritani et al. 1996)。

Eaton(2009)等人研究了对樟脑具有不同降解途径的三种降解菌对2-MIB的转化生物滤池，实验结果表明，三株菌都能成功转化2-MIB，研究者鉴别出了三株菌转化2-MIB的中间产物。其中Rhodococcus ruber (T1)将2-MIB转化为3-hydroxy-2-MIB，Pseudomonasputida (G1)将2-MIB转化为6-hydroxy-2-MIB，Rhodococcuswratislaviensis (DLC-cam)将2-MIB首先转化为5-hydroxy-2-MIB，最后得到5-keto-2-MIB。这三株菌都是通过对2-MIB的六环中的2号碳进行羟基化从而将2-MIB转化的。这三株菌对樟脑和2-MIB的转化降解途径见图2(Eaton and Sandusky 2009)。

图2 菌株R.ruber T1和P.putida G1降解樟脑的初级产物（A）和T1, G1和DLC-cam生物转化2-MIB的初级产物（B）(Eatonand Sandusky 2009)。

(2) Geosmin可能的生物降解途径

Geosmin的生物降解途径可能和环己醇相似论文格式模板。Trudgill(1984)证明，菌株Acinetobacter和Nocardia，通过类似Baeyer- Villiger的反应利用单加氧酶催化降解环己醇。首先，环己醇被氧化成一种脂环酮，然后通过单加氧酶在环上插入一个氧原子，这步生成的内酯是不稳定的，通过水解变成双酸。

Saito (1999)等人鉴别出4中可能的Geosmin的生物代谢产物（图3），其中2种两种产物正好是用于化学合成(±)-Geosmin的原料(Saito,Tanaka et al. 1996; Saito, Tokuyama et al. 1999).

图3生物降解Geosmin的可能的中间产物(Saito,Tokuyama et al. 1999)

4.3 生物滤池工艺去除2-MIB和Geosmin的研究

将生物处理工艺应用于饮用水处理中，在欧洲大部分国家和北美已经很普遍（Rittman and Huchk,1989;Rittman and Snoeyink,1984）。生物过滤是一种既能去除水中有机物，氨氮等污染物质，又能去除浊度的综合过滤方式。生物过滤系统由于能耗低，设备构建和维修成本低，是目前应用最广泛的生物处理工艺。

由于致嗅物质2-MIB和Geosmin具有可生物降解性，因此采用生物技术去除致嗅物质2-MIB和Geosmin也成为当前领域的一个研究方向。目前生物滤池，已经开展了一些应用生物过滤去除致嗅物质的研究工作，从这些研究的成果看，生物方法是控制水中2-MIB和Geosmin的较为有效且可行的处理技术，其处理效果好，费用低，改造容易(只需将传统的过滤池改造成生物滤池)，具有良好的应用前景。

生物滤池去除效果的影响因素主要包括温度，曝气量，水力负荷（EBCT），致嗅物质的初始浓度和生物量等，但是对这些因素的影响还缺乏系统的研究。

（1）实际工程中的研究

如前所述，从实际水厂的砂滤池中曾分离出多株具有2-MIB和Geosmin降解能力的菌种。在实际饮用水厂中，常规处理工艺中的砂滤池，通常会由于微生物膜的存在，具有一定的去除致嗅物质的能力。

Ashitani等对日本大阪常规饮用水处理厂的中试规模快速砂滤池进出水中的2-MIB和Geosmin进行了检测，在砂滤池前没有预加氯设施时，快速砂滤池出水中的Geosmin可以降到嗅阈值附近，进水240ng/L时，出水最低可以降到0；对MIB也有很大程度的去除生物滤池，进水MIB 120ng/L时，出水最低可以降到55ng/L(Ashitani, Hishida etal. 1988)。有运行参数吗？

Sumitomo报道了日本京都一家水厂采用混有粉末活性炭PAC的砂滤池，该滤池直径2.7m，长2.5m，处理能力为500m³/d，进水中致嗅物质的浓度在100~200ng/L，停止加入PAC10天之后该滤池对2-MIB和Geosmin的去除率能达到70%以上(Sumitomo1992)。

Egashira和Terauchi等人研究了中试规模的生物滤池对2-MIB的去除效果。该生物滤池长4m，直径40cm，填料是直径4~5mm的多孔陶粒，以湖水为水源，平均进水浓度从50ng/L到800ng/L，天然湖水中的2-MIB的去除率为60到80%。在湖水中加入合成2-MIB，浓度为219ng/L和893ng/L，平均去除率分别为83%和73%。而且，无论进水浓度如何波动，去除率是稳定的。2-MIB的去除动力学属于一级动力学反应(Egashira,Ito et al. 1992; Terauchi, Ohtani et al. 1995)。

Metz等人从2000~2005年之间监测了美国俄亥俄州，辛辛那提自来水厂快速砂滤池中，2-MIB和Geosmin的去除情况，在EBCT为6~7min时生物滤池，对2-MIB的平均去除率达到80%，对Geosmin的去除率达到52.5%(Metz,R.C.Pohlman et al. 2006) 。

（2）实验室研究结果

Namkung和Rittmann采用一推流式生物膜反应器，研究了其对2-MIB和Geosmin的降解效率。反应器接种从贫营养的湖水中分离出的细菌，采用1mg/L富里酸作为一级基质论文格式模板。进水中2-MIB和Geosmin的浓度均为100mg/L，其去除率分别达到44%和55%。他们推测通过降低进水浓度，增加一级基质去除率，增加生物膜的表面积，加速传质和提高微生物的停留时间均可以提高致嗅物质的去除率(Namkung and Rittmann 1987)。

Hattori采用接种了河水中的细菌的蜂窝管填料的生物滤柱过滤含有2-MIB和Geosmin的湖水，在2h内，出水中的Geosmin从90ng/L可以降到33ng/L以下，而2-MIB从160ng/L降到60ng/L。在水力负荷为62~242L/m²×d，接触时间为2h的以蜂窝管为填料的中试规模的生物滤池中，当进水2-MIB浓度为98~114ng/L，出水中2-MIB的浓度降为61~66ng/L(Hattori1988)。

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