1、2023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK收稿日期：2022-11-07基金项目：2021年国家级大学生创新创业训练计划（No.202110737003）；2022年国家级大学生创新创业训练计划（No.202210737010）；兰州城市学院2022年大学生创新创业训练计划项目（No.DC2022010）；甘肃省自然科学基金项目（20JR10RA287）作者简介：刘书言（2001），男，本科在读，环境工程专业。通讯作者：常国华（1976），女，研究生，博士，教授，从事环境污染物治理研究。苯酚的微生物降解研究进展与展望刘书言1张心怡1张晓媛1张佳旎1常国华1，2（1兰州
2、城市学院城市环境学院甘肃兰州7300702甘肃省矿区污染治理与生态修复工程研究中心甘肃兰州730070）摘要为了解近年来苯酚的微生物处理方法现状及其发展方向，利用Web of Science、ScienceDirect、PubMed等文献网站统计了近20年来的有关文献，通过CiteSpace共现关键词可将苯酚微生物处理研究划分为大型工艺技术和游离微生物法，进而对工艺技术中序批式反应器、上流式填料床和厌氧氨氧化工艺的性能以及微生物的代谢方法与特征进行对比。针对2种方法挑选出具有代表性的光催化混合序批式反应器与游离态的铜绿假单胞菌进行降解机理的详细阐述。目前微生物降解苯酚研究分析结果表明，在实用性
3、上，大型工艺技术优于游离微生物法；但在耐受性上，游离微生物法更具优势，而如何将降解优势菌种与高效反应器结合是目前行业的突破点。关键词苯酚生物降解共现图谱中图分类号：X52文献标识码：A文章编号：1672-9064(2023)03014061概述苯酚是一种典型的芳香族化合物1。苯酚及其衍生物常见于包括石油在内的许多工业废水当中。目前国内外已知能够产生苯酚的工业有炼油工业、制药工业、煤炭转化工业、化工工业和石油化工工业等，而酚类物质的浓度范围从1017 500 mg/L不等2。苯酚及其衍生物通过污染土壤、地表水和地下水进而严重污染环境，并且对水生生物、植物和人类都具有很高的毒性，因此在世界各国引起
4、了广泛关注3。当苯酚被排放到水生环境中，即使在低浓度的情况下，也能构成严重的生态环境危害4。由于其对环境及人类的高污染性与影响性，苯酚及其衍生物被列入欧盟（EU 2013）关于水政策领域的优先事项5和美国环境保护署（US-EPA）的优先污染物清单6当中。目前对苯酚的处理方法有物理法、化学法和生物法。物理法中具有代表性的为：利用改性活性炭或改性纳米材料的吸附法和反渗透、超滤、纳滤的膜分离法；化学法则以光催化氧化还原和化学混凝剂为主；这些方法均已被应用于去除工业废水中的苯酚7。相比于物理法处理成本较高、化学法处理效率不定等问题，生物法则具有环境友好、无二次污染等优点，成为研究的热点方向，已有许多学
5、者对其进行系统的研究与探索。在Web of Science搜索“生物法处理苯酚”，利用CiteS-pace对所搜索的文献进行整理与分析，得到生物法处理苯酚关键词共现图谱（图1）。从图1可清晰了解近20年内生物法处理苯酚的关键词出现频度。以图1为基础，将整理出来的文献进行汇总与分析，得到表1。其中大型工艺技术、微生物群落及降解动力学的有关研究较多，因此从以上3个方面切入，总结、整理并讨论微生物法处理苯酚的现有方法和发展趋势，并对相关降解方法进行了概述与反应机理的分析。2大型工艺技术2.1SBR工艺好氧颗粒污泥是由致密的自固定化微生物颗粒组成，具有致密的微生物结构、较高的生物聚合物含量和较快的沉降
6、速度8。目前运用较广、较为灵活的活性污泥工艺为SBR工艺，如LIU等9采用实验室规模的SBR处理以氨、酚为主的已由人工预处理过的煤气化废水。在苯酚浓度增加的情况下（150300 mg/L），对SBR工艺的处理效率以及苯酚、脱氮和微生物群落结构之间的关系进行了评价。得出结论：当苯酚输入浓 度 达 到300 mg/L左 右 时，SBR工 艺 对 苯 酚 的 去 除 率 为99.0%以上。2.2UPBR与ANAMMOX工艺除了SBR以外，诸如UPBR、ANAMMOX反应器等生物处理手段也同样被用于苯酚的降解当中。GENETHLIOU等10将未处理的含有酚类化合物的橄榄油磨浆废水（OMWW）注入高速率
7、的嗜热菌（55）UPBR中，在稳态运行条件下设置不同水力停留时间（HRTs）收集的消化池废水（DEs）。通过进行Thamnotoxkit FTM微生物试验来评估每个样品的毒性。结果表明，6种酚类化合物：香草酸（VA）、咖啡酸（CA）、丁香酸（SA）、邻香豆酸（o-CA）、橄榄苦苷（OLEU）、4-乙基酚（4-EP）均可被完全降解。JIN等11研究了2种ANAM研 究 与 探 讨142023NO3.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK书书书表 摇文中列举的文献统计作者废水来源反应载体进水水质反应效果反应类别 等 人工预处理过的煤气化废水序 批 式 反 应 器（）葡萄糖，和 ，在
8、期和期添加 ，去除率 活性污泥降解 等 橄榄油磨浆废水摇厌氧上流式填料床 反 应 器（-）酚类含量极高 的橄榄油研磨废水（）种酚类化合物被完全降解不同 的水 力 停留时间；高速率的嗜热菌（）降解 等 苯酚及硫化物摇摇 种厌氧氨氧化反 应 器（）苯酚 及 硫 化 物 含 量 分 别 为.及 ：.，；：，厌氧氨氧化 菌群降解 等 高盐度摇废水摇摇摆式振荡（）中空纤维模块膜生 物 反 应 器（）技术食品加工废水等高盐废水，最大 浓度 ，浓度.和 高 浓 度、（）去 除 率 最 高 可达.光 合 细 菌 降解 等 苯酚摇摇光催化混合序批式反 应 器（-）、苯 酚溶液 ，去除率 光催化氧化，微生物降解中
9、间体 和 苯酚摇摇游离细菌铜绿假单胞菌（）苯酚浓度（）最大耐受限度 ，、和 苯酚 的 降 解 速 率 分 别 为.、.和.将苯酚 转化 为邻苯二酚，并通过邻位裂 解 途径 降解邻苯二酚 等 苯酚摇摇游离细菌青海湖土壤菌株-苯酚 为 和 浓度为，对 苯酚的耐受性最高，内可降解 苯酚微生物菌群降解，添加 营养 物 质或天然湖泊 水 保持菌种活性 等 苯酚摇摇游离细菌芽孢杆菌属和棒状杆菌属 株高效菌株组成的混合菌群 和 苯酚，内可完全降解 浓度的苯酚复 苏 促 进 因 子（）筛选，利用苯酚 作为 唯 一的碳源，微生物菌群降解 等 苯酚摇摇游离细菌 和.苯酚初始浓度为 内完成降解，苯酚矿化效率（.）调
10、节混 合菌 株比例，混合菌株对苯酚的协同降解 等 苯酚摇摇游离细菌-.与.的苯酚 内完全降解 的苯酚以苯酚 为唯 一碳源和 能 源，和 的 协 同 培 养降解 等 苯酚摇摇游离细菌含有红芽胞杆菌 特定基因的菌株苯酚浓度为 重组菌株对含苯酚废水（）的生物修复效率比野生菌株高出 拷贝质粒载体，将特定基 因导 入目标菌株，微生物菌群降解 等 含盐酚类废水摇摇微 生 物 固 定 化微球苯酚浓度为 ，浓度为（）苯酚为 ，为 （），去除率达到 生物 接触 氧 化反应器中 进行 微生物菌群降解 等 苯酚摇摇利用甘蔗渣固定热 带 假 丝 酵 母（-）苯酚浓度为 ，为.，转 速 ，添加初始浓度为 的苯酚，处理效
11、率为.固定 化 微生 物菌群降解 等 苯酚摇摇固定在活性炭、锯末和粉煤灰上的 和 苯酚浓度为（）的苯酚降解率为.固定 化 微生 物菌群降解研 究 与 探 讨152023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK图1Web of Science生物法处理苯酚关键词共现图谱MOX反应器（R1，R2）在没有抑制因子的情况下受苯酚及硫化物（含量分别为12.550 mg/L，840 mg/L）影响近200 d的结果。发现苯酚和硫化物抑制的厌氧氨氧化过程恢复至81 d和75 d后，出水质量、沉降性能和颗粒形态甚至超过了抑制前的水平，结果表明ANAMMOX工艺可以恢复并有效地回收苯酚及硫化
12、物。2.3复合处理工艺除单一处理工艺以外，也衍生了一些复合型处理方法：QIN等12研究首次采用摆式振荡（PTO）中空纤维模块MBR技术连续大规模收获光合细菌（PSB）。并以此结合PSB/MBR，将其应用于高盐度废水的处理当中。与对照的PSB-MBR（CM-BR）相 比，PSB/PTO-MBR对 有 机 物 具 有 更 好 的 去 除 效 果。YUSOFF等13将光催化和序批式反应器集成到1个单一的系统中进行同时反应，以此开发了1种新型的光催化混合序批式反应器（PHSBR）。光催化过程将氧化部分生物持久性化合物，产生生物可降解中间体。在光催化过程中，微生物的生物反应可以帮助生物降解中间体，使其产
13、生后便迅速降解。通过光催化反应，对浓度为100 mg/L的苯酚去除率为72%。而普通条件下，生物降解对苯酚的去除率在50%70%之间。平均苯酚去除率提高到90%以上。结果表明，光催化和序批式反应器同时反应可提高苯酚的矿化率。3游离微生物法微生物降解是去除污染环境中有机化合物和废水的有效策略14。苯酚可被多种微生物降解，包括酵母、真菌和细菌。由于苯酚在环境中广泛存在，许多微生物将苯酚作为唯一的碳源和能量来源15。科学家利用这一特性从场地废水中鉴别并筛选出苯酚降解菌株，并利用该种菌株对苯酚进行生物降解。3.1单一微生物法HASAN和JABEEN16阐述了铜绿假单胞菌（IES-Ps-1）是1种多功能
14、的有毒有机化合物降解菌。通过对马拉硫磷和氯氰菊酯的降解，发现该菌株同样能够降解苯酚。苯酚在营养液和无机盐培养基中生长，符合Monod动力学降解模型。在进入生长抑制期之前，菌株IES-Ps-1在营养液中对苯酚的耐药量为400 mg/L。此种菌株将苯酚转化为邻苯二酚，并通过邻位裂解途径降解邻苯二酚。WU等17收集青海湖周边13个不同采集点的土壤样品并筛选具有降解苯酚能力的极端微生物菌株，由此分离鉴定出1株对苯酚具有有效降解作用的菌株TI-BETAN4。TIBETAN4在pH为79和NaCl浓度为04%的LB培养基中生长良好，表现出嗜碱性与嗜盐性。该菌株最高能耐受1 175 mg/L的苯酚，3 d内
15、可降解470 mg/L的苯酚。3.2优化筛选微生物的方法鉴别并筛选出适宜进行生物降解的微生物是科研学者必须经历的步骤，于是如何大量分离出目标微生物也成了需要克服的一大问题。LI等18发现由于自然界中的大多数细菌都处于存活但不可培养的状态，因此传统的平板分离法只能分离出一小部分耐盐苯酚降解菌。此研究利用复苏促进因子（Rpf）筛选更有效的功能菌，并确定混合后的菌群在高盐度条件下是否具有更好的苯酚降解能力。实验结果表明，添加Rpf的处理组获得了3株菌株。由芽孢杆菌属和棒状杆菌属2株高效菌株组成的混合菌群能够在高盐度条件下利用苯酚作为唯一的碳源。在NaCl浓度为2%的条件下，8 h内可完全降解100
16、mg/L浓度的苯酚。3.3微生物多种群复合法由于单一微生物进行生物降解具有局限性，如降解效率较低、对pH的耐受限度过小等。一些学者设计并提出利用23种微生物协同处理降解，调节多个微生物种群间的复合比例，利用微生物种群间的相互作用提高苯酚的生物降解效率。BAI等19以stutzeri N2和R.qingshengii FF为研究对象，研 究 与 探 讨162023NO3.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK图2PHSBR反应机理13分别以1 000 mg/L苯酚作为碳源进行生长和协同降解。与单菌株的N2和FF相比，苯酚的降解效率有显著提高。由此根据待处理废水的性质调节2种菌株的比例，以提高废水及其他苯酚污染体系中酚类化合物的去除效率。LI等20研究了寡养单胞菌（stotrophomonas sp.N5）与产碱杆菌（Advenella sp.B9）共培养对苯酚的协同降解作用。从含酚焦化废水中分离得到2株以苯酚为唯一碳源和能源的菌株。实验结果表明，N5和B9的协同培养对苯酚的降解能力强于单一培养下对苯酚的降解。在共培养中N5和B9的相互作用降低了苯酚的抑制作用。3.4改良微