饮用水中土嗅素和2_甲基异莰醇的微生物学来.pdf

SOUTHWEST WATER&WASTEWATER 西 南 给 排 水 Vol.35 No.6 2013 25 饮用水中土嗅素和饮用水中土嗅素和2 2-甲基异莰醇的甲基异莰醇的 微生物学来源和降解机制微生物学来源和降解机制 周 萍1，邓建明2（1.钦州市环境保护监测站，广西 钦州 535000；2.广西沿海水环境监测中心，广西 钦州 535000）摘 要 土嗅素（geosmin，GSM）和 2-甲基异莰醇（2-methylisoborneol，2-MIB）是最常见的饮用水嗅味物质。本文对 GSM 和 2-MIB 的微生物学来源、降解机制等进行了综述，并对今后的研究重点进行了展望。关键词 饮用水 嗅味物质 土嗅素 2-甲基异莰醇 生物除嗅 饮用水嗅味问题是一个世界性的问题，在经济快速发展的国家中更为凸显。近年来，我国发生了一系列饮用水嗅味事件1，特别是在 2007 年5 月暴发的太湖水危机事件，影响了无锡市几十万人的正常饮水，引起人们对饮用水嗅味问题的高度关注。土嗅素（geosmin，GSM）和 2-甲基异莰醇（2-MIB）是最常见的饮用水嗅味物质，作为微生物的次生代谢产物，其浓度一般在 10 ng/L 以下时就能引发嗅味，而常规给水处理工艺对其去除能力非常有限2,容易给供水质量造成影响。国外自20世纪50年代就开始了对饮用水嗅味问题的研究1，在主要嗅味物质 GSM 和 2-MIB 的来源3-27、分布与控制技术28,29等方面取得了大量的成果。近年来，控嗅微生物及其嗅味控制机制成为饮用水嗅味问题研究的一个热点36-55，取得了较大的进展。国内对嗅味问题的研究刚刚起步，成果不多，在微生物控制技术方面的研究更少，这与我国严峻的饮用水嗅味问题形势是不相称的，急需加强相关研究。在参考大量文献的基础上，本文试就GSM 和 2-MIB 的微生物学来源、微生物学控制与降解机制等方面的研究进展进行总结分析，以期为此类物质的去除提供一定的指导。1 GSM 和 2-MIB 的微生物来源 富营养化导致藻类和菌类爆发性生长，藻、菌分泌的次生代谢产物 GSM 和 2-MIB 是水体产生嗅味的主要原因。早在 1965 年，Gerber 等3就从放线菌中检测出 GSM，Medsker 等4则于 1969 年从放线菌中发现 2-MIB，随后出现了大量关于放线菌和蓝藻分泌 GSM 和 2-MIB 的报道。至今已发现产生此类嗅味物质的蓝藻超过 40 种，放线菌 20 多种，另外还有少数关于粘细菌、真菌及苔藓虫产生 GSM和 2-MIB 的报道。1.1 光合自养蓝藻 从表 1 可见，有近 50 种蓝藻可以产生 GSM 和2-MIB，这只占地球上已发现的 2000 多种蓝藻的一小部分，且都属于丝状蓝藻，色球藻类产生 GSM和 2-MIB 现象未见有报道。在这近 50 种蓝藻中，对于 GSM 和 2-MIB 的产生占比最大的藻种也没有定论。另外，研究集中于淡水生态系统，未见海水藻类产生 GSM 和 2-MIB 的相关报道，这可能是研究者们主要针对淡水饮用水作实用性研究的结果。SOUTHWEST WATER&WASTEWATER 西 南 给 排 水 Vol.35 No.6 2013 26 表 1 产生 Geosmin 或 2-MIB 的蓝藻5-7 藻 株 Strain 嗅味物质 Taste and odor Anabaena sp.GSM A.aestuarii GSM、2-MIB A.circinalis GSM A.crassa GSM A.lemmermannii GSM A.macrospora GSM A.scheremetievi GSM A.solitaria GSM A.viguieri GSM A.variabilis GSM Aphanizomenon flos-aquae GSM Aphanizomenon gracile GSM Geitlerinema splendidum GSM Hyella sp.2-MIB Jaaginema geminatum 2-MIB Leibleinia subtilis GSM Lyngbya aestuarii 2-MIB Microcoleus sp.GSM Oscillatoria limosa 2-MIB O.curviceps 2-MIB O.tenuis var.levis 2-MIB O.variabilis 2-MIB Phormidium allorgei GSM P.amoenum GSM P.breve GSM、2-MIB P.chalybeum 2-MIB P.cortianum GSM P.favosum 2-MIB P.formosum GSM P.strain LM689 2-MIB P.simplissimum GSM P.sp.strain NIVA 51 GSM、2-MIB P.tenue 2-MIB P.uncinatum GSM P.viscosum GSM Planktothrix prolifica GSM Porphyrosiphon martensianus 2-MIB Planktothrix agardhii GSM、2-MIB Planktothrix cryptovaginata 2-MIB Planktothrix perornata 2-MIB Planktothrix perornata var.attenuata 2-MIB Pseudanabaena catenata GSM、2-MIB Pseudanabaena limnetica 2-MIB Symplocastrum mulleri GSM Symploca muscorum GSM Tychonema bornetii GSM T.granulatum GSM、2-MIB SOUTHWEST WATER&WASTEWATER 西 南 给 排 水 Vol.35 No.6 2013 27 1.2 异养微生物 虽然蓝藻现在被认为是饮用水嗅味物质GSM和2-MIB的主要来源，但GSM和2-MIB最初是从放线菌中分离鉴定出来的3,4，且近年来仍有一些嗅味问题是由放线菌引起8-10。土壤中存在的GSM和2-MIB主要是放线菌所产生11,12，通过径流容易在短时间内造成水体嗅味问题8,13-15。已报道的产生GSM 和 2-MIB 的 放 线 菌 主 要 是 链 霉(Streptomyces)(见表2)，不过Zaitlin等16认为诺卡氏菌属(Nocardia)也是潜在的产生者。关于放线菌产生GSM和2-MIB的研究也主要集中于淡水水体及地表径流，对于底泥、海滨生物膜中放线菌产生GSM和2-MIB的报道很少。另外，Jttner和Watson通过研究认为5，在给水管网中结成的微生物膜和水厂滤池滤料中的微生物活动也会产生嗅味物质，极有可能是放线菌所为。除此之外，还有少数关于真菌、苔藓虫和阿米巴虫产生GSM和2-MIB的报道（见表2）。表2 产生GSM和2-MIB的放线菌和其它非蓝藻微生物 分类 Taxon 菌 株 Strain 嗅味物质 Taste and odor 文献来源 Reference Streptomyces spp.GSM,2-MIB Various S.albidoflavus GSM 16 S.avermitilis GSM 17 S.citreus GSM 18 S.griseus GSM 19 S.griseofuscus GSM,2-MIB 20 S.halstedii GSM 21 S.psammoticus GSM 8 S.tendae GSM 22 Actinomycete S.violaceusniger GSM,2-MIB 23 Aspergillus,Fusarium,and Penicillium 2-MIB,GSM 24 Cortinarius herculeus,Cystoderma amianthinum,and Cy.carcharias GSM 25 Penicillium and Aspergillus species 2-MIB,GSM 23 Fungi P.expansum GSM 22 Liverwort Symphyogyna brongniartii GSM 26 Heterotrophic amoeba Vannella sp.GSM 27 2 GSM 和 2-MIB 的微生物控制机制 2.1 控制嗅味的微生物 嗅味物质的微生物控制是近年来研究比较活跃的内容。已报道的在水体嗅味物质控制中起作用的微生物主要有细菌、真菌和捕食性原生动物。2.1.1 嗅味降解菌 有关2-MIB和GSM降解菌的研究报道较多，主要有芽孢杆菌、假单胞菌、节杆菌和真菌酵母等。Silvey等30于1964年就发现了GSM类物质的生物降解，并在1970年证明Bacillus cereus起着降解作用31，Hoehn32也发现实验培养的B.cereus可有效降低嗅味。Narayan和Nunez于1974年33从土壤中筛选出可降解GSM的B.cereus和B.subtilis。Yagi等34报道，接种B.subtilis的生物活性炭滤池对GSM和2-MIB的去除率超过50%。Ishida和Miyaji35从快滤池反冲洗水中分离了一种芽孢杆菌，此菌株在连续流的条件下可以降解ng/L的2-MIB溶液。Chance V Lauderdale等36从湖水中分离了一种类似于梭状芽孢杆菌和球形芽孢杆菌的细菌，它可在有氧条件下降解MIB。Izaguirre等37发现以假单胞菌为主的混合培养菌对2-MIB有降解作用。Egashira分离了可以降解SOUTHWEST WATER&WASTEWATER 西 南 给 排 水 Vol.35 No.6 2013 28 2-MIB38的7株G-菌，鉴定为假单胞菌和黄杆菌。Saadoun等1998年证明39，以GSM作为唯一碳源的情 况 下，Arthrobacter atrocyaneus，Arthrobacter globiformis，Chlorophenolicus strain N-1053 和Rhodococcus maris共四株G+菌均可以分别将之降解。Sumitomo 发现一种具有降解嗅味物质的酵母40，并从这种酵母中分离出了一种具有降解 2-MIB作用的粗提酶。也有一些研究者对 2-MIB 和 GSM 的降解产物进行了研究。Saito 等41对 GSM 的生物降解产物进行了研究，Palmontier 则对 2-MIB 的生物降解产物进行了研究 42。这两种嗅味物质降解后都形成环烯烃，从而消除嗅味。可见，微生物对嗅味物质的降解作用已被大量的研究报道所证实，这是近些年来水体嗅味研究领域一个值得注意的成果，将有可能推动饮用水脱嗅技术在实用、高效和廉价方面的进一步发展。2.1.2 控藻微生物 除了细菌或真菌对 2-MIB 和 GSM 的直接降解作用，也可通过控藻微生物抑制蓝藻的生长，从而间接控制水体中嗅味物质的产生和积累。一是捕食性微小动物，如轮虫、点滴虫、水蚤等，对产生嗅味物质的蓝藻具有捕食作用43,44。二是已发现多种细菌、噬藻体和真菌，能溶解蓝藻营养细胞45,46。2.2 嗅味物质的生物控制机制 通过分析已有的研究报道，微生物对饮用水嗅味物质的控制机制主要可以概括为以下几种：寡营养菌对嗅味物质的降解作用，共代谢作用，协同降解作用，酶降解作用和间接控制作用。水体中溶解性的嗅味物质可通过细菌、真菌和微小动物等的共同作用得到降解。2.2.1 寡营养菌对嗅味物质的降解作用 寡营养菌特别适合于在低污染饮用水源水体生长，成为水体生态中的优势菌群。Silvey 等发现许多放线菌的代谢产物是某些 G+菌株的营养来源，加入少量的蜡状芽孢杆菌就能够很快地减少水的嗅味30，后来出现大量的此类报道31-36。表明蜡状芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌的许多菌株都对嗅味物质具有降解作用。2.2.2 共代谢作用 一些细菌可以通过共代谢作用去除低浓度的嗅味物质，例如当 GSM 作为唯一碳源时，即使长达数月，都难以降解，但加入少量的乙醇，就可通过共代谢作用，达到降解嗅味物质的目的41。2.2.3 协同降解作用 在 2006 年，Hoefel 等47从砂滤柱中富集得到一个降解 GSM 的菌群，通过梯度凝胶电泳（denaturing gradient gel electrophoresis，DGGE）分析 发 现，菌 群 主 要由 Sphingopyxis alaskensis,Novosphingobium stygiae 和 Pseudomonas veronii 共三株 G-菌构成。通过菌株分离和降解性能验证试验发现，必须要三株菌同时存在时 GSM 才会降解，单独菌株或者两两任意组合都没有降解效果。研究者认为，GSM 的降解是菌群中三株菌通过协同作用完成的。2.2.4 酶降解作用 Silvey 于 1975 年报道48，将纯化的 GSM 和 B.cereus 的上清液混合后，85%的 GSM 被去除，这表明可能是酶在起作用。Sumitomo 则成功地从酵母中分离出一种可以降解 2-MIB 的粗提酶40。2.2.5 间接控制作用 一些捕食性、裂解性的微生物可以通过扑食或裂解藻细胞以抑制蓝藻生长43-46，从而间接达到控制水体中嗅味物质的目的。这是一种间接而有效的办法。3 结语（1）藻、菌分泌产生的次生代谢产物 GSM和 2-MIB 是水体产生嗅味的主要原因。至今已发现产生此类嗅味物质的蓝藻超过 40 种，放线菌 20SOUTHWEST WATER&WASTEWATER 西 南 给 排 水 Vol.35 No.6 2013 29 多种，另外还有少数关于粘细菌、真菌及苔藓虫产生 GSM 和 2-MIB 的报道。（2）GSM 和 2-MIB 降解和控制中起作用的微生物主要有细菌、真菌和捕食性原生动物。微生物对饮用水嗅味物质的控制机制主要包括五种作用：寡营养菌对嗅味物质的降解作用，共代谢作用，协同降解作用，酶降解作用和间接控制作用。水体中溶解性的嗅味物质可通过细菌、真菌和微小动物等的共同作用得到降解。（3）国内对嗅味问题的研究刚刚起步，成果不多，在微生物控制技术方面的研究更少，这与我国严峻的饮用水嗅味问题形势是不相称的，急需加强相关研究。筛选高效嗅味降解菌，降解菌株的保藏和寻找适宜的生物除嗅工艺，是值得我们去作努力的方向。参考文献 1 李勇,张晓健,陈超.我国饮用水中嗅味问题及其研究进展.环境科学,2009,30(2):583-588.2 Rittmann,B.E.,Gantzer,C.J.and Montiel,A.(1995)Biological treatment to control taste-and-odor compounds in drinking water treatment.In Advances in Taste-and-Odor Treatment and Control ed.Suffet,I.H.,Mallevialle,J.and Kawczynski,E.pp.209246.Denver,USA:American Water Works Association Research Foundation.3 Gerber NN,Lechevalier HA Geosmin,an Earthy-Smelling Substance Isolated from Actinomycetes APPLIED MICROBIOLOGY,1985,13(6)：935-938.4 Medsker,L.L.,D.Jenkins,J.F.Thomas.,and C.Koch.1969.Odorous compounds in natural waters.2-Exo-hydroxy-2-methylbornane,the major odorous compound produced by several actinomycetes.Environ.Sci.Technol.3:476477.5 Jttner F,Watson SB.Biochemical and ecological 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很少有人能将城市污水与生产燃料联系到一起，但这可能将会改变。据台湾“中央社”8月5日援引法国世界报的报道称，西班牙南部 Chiclana de la Frontera 的厂房正进行“微型藻类作用转换都市废水为生质燃料”的技术实验，实验预算1200万欧元(合9748万元人民币)，其中60%由欧洲联盟资助。据报道，该厂房占地200平方米，2016年扩建至10公顷，生产可供200辆房车及20辆卡车所需生质天然气。这种污水生产燃料的技术，是利用大型污水槽中的藻类，吸收二氧化碳、光、水及氮、磷等养分行光合作用，产生氧气，使污水中的细菌分解有机物质并净化污水，再集中微型藻类剩余的有机物质置于锅中蒸煮，生成甲烷天然气。这将是世界首例转换废水为生质燃料的技术，现阶段虽然有操作复杂及价格昂贵等问题，但其前景仍被多数人看好。为减少排碳量及被人诟病占用粮食作物农地生产生质燃料作物，近两年来欧盟持续推广藻类生质燃料，希望最终能取代农作物生质燃料。在法国那邦(Narbonne)的 Naskeo 厂从2009年开始藻类生质燃料的技术，并开始着手使用城市废水生产生质燃料计划，德国汉堡(Hambourg)已兴建 BIQ 海藻屋。藻类生质燃料大规模量产前仍须克服诸多困难，如未达到规模生产，过程耗能颇高，及产能上的一些疑虑，但这项技术，有望在2020年趋于稳定，且结合污水的方式可减少生产成本，考量技术和成本效益，必将成为未来趋势。（摘自 www.c-，2013-08-08）新疆引进意大利水处理技术治理污水 8月9日，意大利 SIMAM 公司与新疆环境保护科学研究院签订捐赠污水处理设备的协议，中意水处理新疆技术合作中心也在当日成立。届时，意大利 SIMAM 公司将把价值600多万元的农村污水处理设备，捐赠给乌鲁木齐县，用于农村生活用水的处理，该设备有望在年底投入使用。这套污水处理设备对处理我区农村分散式生活污水具有很好的效果。通过对新的污水处理设备及新技术的引进，可以带动全区污水处理领域的发展。（摘自 www.c-，2013-08-15）