废水处理中的真菌颗粒反应器:应用和展望外文翻译资料

 2022-04-10 22:27:21

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废水处理中的真菌颗粒反应器:应用和展望。

利用真菌来去除废水中的有机和无机污染物已成为传统废水处理技术的一个好选择。真菌球能很好地形成由自我固定化形成的集合体。它们在生物反应器中的应用前景很好，因为它避免了分散菌丝所遇到的实际和技术上的困难。本文介绍了真菌球团形成和生长的机制，以及影响球团稳定性的各种因素，及用于污水处理的各种类型的真菌球团生物反应器的结构、设计和性能。从应用程序的角度讨论了使用真菌颗粒反应器处理的不同有机和无机污染物从染料到诸如药品等紧急污染物的总结。在此综述中还讨论了在非无菌条件下细菌污染和寿命以及真菌颗粒的再利用等操作问题。

1. Introduction

工业中采用生物系统进行污水处理的主要驱动力是其低成本、节能效率和可用于能源生产或用作肥料的有价值的最终产品的生产。生物反应器是污水处理的常用生物技术，最常见的是细菌生物反应器，而真菌的使用却受到较少的关注。真菌生物反应器由于真菌产生的降解酶的丰富来源，以及抗恶劣环境的能力，特别是对污染物的负荷、低磷含量和低营养成分的耐受性，都是有利的。

真菌是异养的、真核生物和无色生物，它们有分泌大量酶和还原蛋白的能力，可以产生不同的代谢物，如柠檬酸、乳酸、乳酸、胡萝卜素，以及蛋白酶和漆酶等酶，这种独特的特性使真菌具有吸引力。不同的真菌菌株显示了它们降解从染料到药物化合物、重金属、微量有机污染物和内分泌干扰污染物的能力，

在生物反应器中真菌球因为它们在连续的体系中有潜在的作用，并且能够减少真菌分散菌丝体引起的操作困难，已经引起了环境生物工程师的注意。在生物反应器的壁面、搅拌器和挡板上的混合和供氧、发泡和真菌的生长都被认为是操作上的问题。目前，大多数关于真菌球团用于废水处理的研究主要集中在评估小范围的无菌批量试验中真菌颗粒的降解能力。

本综述概述了在真菌接种废水处理反应器中，利用颗粒生长分散菌丝生长的优势和局限性，简要讨论了真菌球团反应器设计中应考虑的操作参数，此外，还讨论了利用真菌颗粒生物反应器处理环境应用的挑战以及克服其操作挑战的最新趋势。

2. Fungal pellets

2.1. Fungal pellets: formation and growth

真菌球团是球形的、椭圆形的或椭圆形的团块，大小通常在几百微米到几毫米之间。真菌球通常以密集的菌丝的核心出现，在很大程度上被环状的分散或“多毛”区域包围，其中包含了菌丝的径向生长部分。四个不同的区域可以认出一个真菌球:(1)第一个区域对应于一个紧凑的核心区域,提供半无氧环境使少量菌丝可生存,(2)第二个区域对应于中部地区周围的层,菌丝存在一个不规则的壁状结构,(3)第三个地区出现在空心球,菌丝显示清晰的自我分解的迹象,(4)第四区域对应于外部的区域,这个区域的菌丝是可行的并且新陈代谢比其他地区更为活跃(图1)。

在深层发酵中，丝状真菌的形成和生长主要有三个阶段(图2)。球团的形成始于孢子的膨胀和萌发阶段，其次是菌丝生长和分支(第1阶段:微观形态学生长)。这个过程依赖于孢子和菌丝的物理化学性质，以及培养条件，如生长介质的p H和盐度，以及它的流变行为。球团可以由单个孢子(非凝结性)、孢子(凝结物)或凝聚菌丝组成。一旦菌丝的分支开始，菌丝生长继续进入第二阶段(宏观形态生长)，伴随着菌丝与菌丝的相互作用，导致球团的形成。衰变阶段(第3阶段:真菌细胞自溶)从颗粒的侵蚀开始，并随着它们的分解而结束。碎裂的菌丝可以作为球化的新中心。

由于真菌颗粒具有形态学特征，可以有效地作为固定化细胞系统，促进了不使用化学制剂的交联或细胞诱捕。以前的研究报道了在不同丝状真菌的生长过程中生物量球团的形成，包括枝芽孢菌、黑曲霉、根霉、无烟煤、木霉和平菇。

2.2。影响球团特征和形成的因素。

在深层发酵中，丝状真菌的生长和形态取决于不同的操作条件和因素，即（i）接种、(ii)中成分、(iii)培养条件。

接种的相关因素包括菌种的类型、接种的质量和数量、接种过程,并非所有的真菌种类或菌株在相同的条件下都能产生球团。所使用的接种量决定了浸没文化的生长和形态。有人建议使用高浓度的真菌孢子可能导致分散菌丝的形成,而在低剂水平(通常是每毫升小于108)引起颗粒的形成。真菌球的生产传统上是用孢子解决方案。然而，使用菌丝体碎片的成功生产也被报道。接种物的大小也影响球团的生长，在使用的接种量和颗粒大小之间呈反比关系。此外，还证实了接种的年龄也影响最终的粒径。

培养基成分，特别是碳源、营养成分和一些添加剂在真菌肉汤中是影响球化过程的关键因素。不同的碳源(如蔗糖、葡萄糖、果糖和木糖)对不同真菌菌株生长形态的影响被广泛报道。Reczey等报道说，在使用乳糖作为碳源时，不同的黑曲霉菌株作为游离菌丝生长。然而，当这种真菌菌株以葡萄糖为底物生长时，就形成了球团。使用聚合物、表面活性剂或螯合剂等添加剂是影响丝状真菌形态学的成功策略，可根据所需要的目标来预防或加强球团的形成。添加聚合物(例如，卡波多，聚丙烯酸)可能会降低孢子的聚集能力，从而限制球团的形成。相反，表面活性剂的使用使天然丝状生物体形成球团，在Triton X-100和生物表面活性剂rhamnolipid的存在下，自然丝状的T. reesei能够生长成为真菌球。添加某些有毒化合物也会影响真菌的形态学。在之前的研究中，硒的有毒可溶性氧离子硒酸盐的存在，促进了黄孢原菌的致密和窒息颗粒的形成。渗透性不仅影响真菌的形态学，而且影响其生产力。真菌球团被发现更伸长，并显示它们的表面积随着介质的渗透压升高而增加。此外，较高的氯化钠浓度(P4.2 osmol kgA1)导致了分散菌丝的形成，没有任何块状或团块。生物反应器内的水动力条件进一步影响了球团的形态。Garcia-Soto等展示了不同的水动力机制(即层流、过渡和湍流, 根据基于雷诺数的生物反应器中的摩擦因数所得)对病根霉颗粒在泡塔反应器中的形态的影响。

生物反应器内的水动力条件进一步影响了球团的形态。Garcia-Soto等显示了不同的水动力机制的影响。基于雷诺数的生物反应器内的摩擦因子，在气泡柱反应器中，根据生物反应器的摩擦系数，对其进行了分析。球团在层流状态下保存，即。在柱内主要是均匀的流动，而真菌颗粒没有显示出明显的侵蚀迹象。然而，对于在过渡和湍流状态期间的生物反应器操作，观察到初始颗粒的破坏/碎裂。这促进了小致密核的存在。作者报告说，在过渡时期和湍流状态中发现的强混合区迫使菌丝拉伸和滚动，导致更加致密和卵形的形态。

搅拌强度影响颗粒的紧致度或蓬松程度:在剧烈搅拌(P600 rpm)下形成的小而致密的球团，反之亦然。真菌的表面性质和强的短范围内聚相互作用促进了菌丝连接，而弱长范围的相互作用形成了自由分散的菌丝细胞。提供给真菌系统的通气模式也在决定球团形态的过程中起着重要的作用。连续的空气流动有利于真菌的过度生长，而氧气的使用则控制着颗粒的大小和形态，避免了过量的生物质生长。中度到高水平的O₂提高真菌的生长和形态学特征,而在某些情况下,拮抗效应是由于氧化应激O₂浓度更高。在富氧条件下，真菌的形态从分散的丝状物转变为聚集形式，如块状或颗粒状，通过发展高度分枝的菌丝作为抗氧化应激的自我保护策略。颗粒的大小也受高O₂浓度的影响。Nanou等人证明，在由Blakeslea trispora生产的泡罩塔反应器中，氧化应激导致在胡萝卜素生产过程中形成较小的颗粒。

2.3。生物反应器中的真菌球团

特定过程中首选的真菌生长类型取决于应用程序。在悬浮生长生物反应器中，可以存在三种真菌形态:悬浮菌丝(自由分散的细丝)、团块(聚集但仍然分散)和球团(密集、球形聚集的形式)。表1总结了生物反应器应用中真菌颗粒生长的主要优势和局限性。对于废水处理应用而言，由于丝状真菌引起的操作困难，分散菌丝的生长并不理想。过度的菌丝生长会导致核反应堆、搅拌器、挡板、取样和营养添加线的真菌生长。

固定化真菌细胞的优点包括分离细胞从培养基中分离，使分批培养的重现性可行，并允许连续的产品恢复。真菌培养的流变学通常是通过造粒生物量来提高，表现出较低的表观粘度，提高氧和质量转移到生物量颗粒中，减少了对曝气和搅拌的能源需求。在连续或定量的操作过程中，报告了较高的细胞负荷和体积产率，因为真菌细胞比细菌细胞能承受更好的剪切力。使用生物质颗粒的一些缺点包括改变真菌细胞生理学和由于传质动力学和氧的局限性,导致自身溶解在大颗粒的内部。Wittier等人报道，如果粒料超过了一定的尺寸(临界直径)，粒料中缺乏氧气和营养，形成了一个具有半厌氧环境和低量的存活菌丝(图1)的中空中心。为了避免这种情况，建议将颗粒尺寸保持在一个关键直径以下，该粒径是依赖于菌株和培养条件的。

3。用于污水处理的真菌球团生物反应器。

3.1。潜在的应用和挑战

传统上，细菌是生物反应器中用于处理废水的首选微生物，而真菌的使用还处于初级阶段，只有很少的真菌生物技术的实例。总的来说，细菌的表现优于真菌，表现出更好的表现，不仅在自然条件下，同时也在生物反应器中应用。众所周知，与真菌相比，细菌可以耐受各种不同的环境，生长速度更快，并且能有效地降解相当广泛的污染物。与此相反，真菌具有产生大量非特异性氧化酶的能力，这可以使具有高度复杂结构的污染物降解。此外，真菌还能在酸性条件下生存，从而可以处理酸性废水。例如，白腐菌能够降解卡马西平，这是在环境中被发现的最具研究的药物之一，而且几乎没有被传统的污水处理厂移除。新的真菌也被证明有效地降解卡马西平，即使在非无菌条件下也是如此。卡马西平降解主要是由锰过氧化物酶和多能过氧化物酶等真菌酶的产生，虽然细胞色素P450在降解过程中也起着关键作用。

如前所述 (见第2.3 节), 与在生物反应器中使用分散的真菌菌丝相比, 真菌颗粒提供了一系列的操作优势 (表 1)。这主要是因为避免了使用分散的菌丝生长的操作的困难性并且实现了分离真菌生物量和产品回收的可行性。此外，与其他形式的真菌对某些污染物的真菌生长相比，真菌颗粒的清除效果更好。通过对固定床生物反应器中使用固定化真菌的类似研究，从纸浆厂废水(黑液)中去除颜色和芳香族化合物的去除效果更好。

Font等，比较了两项研究的乳剂生产和毒性降低的相关性，并根据T. versicolor的使用方式(球团或固定化)观察了不同的行为。作者认为，乳糖酶活性与毒性降低有关，不同的真菌形态可能产生不同的乳酶同酶。

生物反应器在废水处理方面的适应性表现为其生长速度快，产酶量高，以及相关污染物去除的能力。但是，已经确定了一系列的真菌反应器的局限性，包括质量转移限制、死区、优先流道(旁路)、必须连续去除多余的生物量、在稳定条件下的连续运转和无菌条件的必要性。此外，真菌颗粒反应器的主要问题之一是在长期的反应器操作过程中保持真菌颗粒。经过一段确定的时间后，反应器中通常会观察到分散的生长，特别是在没有应用维护策略的情况下。这可能会影响污染物的去除率，导致生物反应器操作的失败。这些局限性可以归因于目前缺乏全面的真菌生物反应器的应用。因此，进一步研究开发全面的系统，在保存真菌的颗粒状颗粒的形态和良好的清除污染物的时间的同时，还需要进行进一步的研究。

用真菌处理不同污染的废水已被证明在实验室中取得了成功。真菌球被用于处理酸性的橄榄油洗涤废水、纺织和染料工业废水，从煤气化厂、纸浆、棉花和造纸厂废水、医院和制药废水、玉米处理废水以及从农业活动和含金属废水中排放出的废水。

3.2。反应器的配置

不同的生物反应器配置用于真菌的生长:搅拌釜反应器是最常见的一种,虽然泡罩塔,空运和流化床反应器类型也被用于废水处理(图3)。最受欢迎的用于真菌球的反应堆配置在下面的小节中描述。表2总结了各反应器配置的优缺点。

3.2.1搅拌釜反应器

搅拌釜式反应器(STR，图3A)是最常见的用于有氧发酵的反应器类型。该系统由一个用生长培养基(在无菌条件下或非无菌条件下)和真菌接种物组成的容器组成。空气通常在反应堆的底部提供，由搅拌器和挡板(通常是4-8)提供的机械搅拌分散，确保反应器内的充分混合。搅拌速度可以控制真菌颗粒的形态(大小和形状)，从而控制酶的活性。在最佳的混合条件下，STR已经证明可以促进和提高某些真菌酶的生产。巴比克circ;和Pavko观察增加生产球团的白腐菌漆酶的,Dichomitus squalens,在最优条件下培养一个STR自然诱导物(木屑)。在泡沫柱反应器中孵育时，乳管的产量要高于这些。这主要是由于在STR中获得的颗粒形貌，小的，光滑的，圆形的球团，而在气泡柱反应器中，球团更大，更蓬松。Cao等[80]也得到了类似的结果[0]，当在一个STR和一个气举反应器中生长出了Pycnoporus sanguineus的球团。生物反应器构型影响了球团的形态，主要受各反应器结构中普遍存在的剪切力的影响。气升式反应器中的球团比STR中的小颗粒更容易出现，而在STR中，高剪切力会使球团的毛状特性受到严重损害，因此，STR的特殊酶的增强可能会提示应用程序对某些污染物进行处理。

搅拌槽是用于培养真菌颗粒的最大的反应堆群，它们的使用在废水处理中也得到了良好的记录。STR已被用于去除药物、染料和金属。例如，Rodarte-Morales等人在一个STR中使用P. chrysosporium pellets来去除药物化合物，即双氯芬酸、布洛芬、萘普生、卡马西平和地西泮。在去除消炎药的过程中，只有部分去除卡马西平和地西泮，才能达到较高的效率。

虽然在STR中使用的球团已经被证实，但可能会出现一些问题:颗粒的大小随着搅拌程度的增加而减小，过度搅拌导致从球团表面脱落的菌丝碎

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