摘要: 酵母菌作為一種極為寶貴的微生物資源，由于它具有良好的耐酸、耐滲透壓等特點，因此廣泛地應用于高濃度有機廢水的處理，包括有毒、含難降解污染物廢水的處理。其處理能力優于馴化后的活性污泥系統，同時具有吸附重金屬的作用；酵母菌能將大部分有機物轉化成無毒且營養豐富的細胞蛋白供人類利用。隨著酵母菌研究的深入和其他相關水處理技術的開發，酵母菌在廢水處理中將得到更多、更好、更深的應用，實現環境、社會和經濟等可持續發展。

關鍵詞: 酵母菌、污水處理、高濃度有機廢水、重金屬吸附、細胞蛋白

中圖分類號 Ｑ８１９

發展新穎的污水生物處理工藝依賴于在微生物學及生物化學方面的新發現或新認識［１］，隨著人類對酵母菌特性的認識不斷加深，人類對酵母菌的開發和利用也日趨全面和深入，并開發出以酵母菌為核心技術的新型污水處理新技術，該技術是集污水處理、能源回收等多功能為一體的污水綜合處理技術，全方位體現了可持續發展的思想。利用酵母菌處理廢水可以追溯到第二次世界大戰時期，在德國等一些國家，由于蛋白質大量缺乏，利用石油特別是有機廢料如酒精廢水、糖蜜廢水生產單細胞蛋白（ＳＣＰ）的工作受到一定程度的重視，生產也形成了一定的規模。酵母菌污水處理技術是 ２０世紀 ７０年代從日本興起的一種污水處理技術，比傳統的活性污泥法工藝具有一定特異性，效率是活性污泥法工藝的 ８～１０倍。

１ 酵母菌的分類

酵母菌是單細胞真菌，酵母菌主要分成兩類：（１）發酵型酵母，是一種只能利用六碳糖進行酒精發酵的酵母；大部分酵母菌是屬于此類；（２）氧化型酵母，它包括假絲酵母、球擬酵母、漢遜酵母等，這類氧化型酵母菌正是水處理所利用的重點對象；因為它能利用多種有機物（簡單糖，有機酸、醇等），有的種能利用復雜化合物［２］，因為酵母菌體內含有特殊的氧化分解酶。所以酵母菌具有很強的代謝能力，在某些條件下還可以凝聚沉降，由于其菌體較大，易于沉降，可以像活性污泥工藝一樣運行和管理；另外，它們在快速分解有機污染物的同時，能獲得酵母蛋白，既消除了環境污染，又進行綜合利用，形成良性的生態循環，為造福人類作出有益貢獻。

２ 酵母菌在廢水處理中的特性和能量來源

酵母菌是廢水處理中極為珍貴的菌種資源：其一，它具有良好的耐滲透壓、耐酸和代謝效率高等特點，有關數據顯示［３］，某些酵母菌能在水的活度 αｗ值為０．６０～０．７０時生存，酵母菌對某些難降解物質及有機毒物具有較強的分解能力。假絲酵母和絲胞酵母在含有殺蟲劑和酚濃度為 ５００～１０００ｍｇ／Ｌ的廢水中可以正常生長，并將這些有害有機物質分解。而且它給含有高氨氮、高硫酸根離子的高濃度有機廢水提供了較多的處理手段和方法，黑亮等［４］通過對酵母菌的脫氫酶活性（ＤＨＡ）研究表明，硫酸根離子和氨氮的濃度達到２００００ｍｇ／Ｌ以上時對酵母菌的影響不顯著，因為氧化過程是一個加氧脫氫的過程，可以采用 ＤＨＡ的強弱來檢查所采用的菌種對所處的污染物的降解性及其有無毒性。在實驗過程中發現酵母菌內的 ＤＨＡ的強弱無顯著變化，說明硫酸根離子和氨氮的濃度達到２００００ｍｇ／Ｌ時仍然對酵母菌無明顯的毒性。這些廢水通常不適于厭氧工藝進行處理，因為高氨氮和高硫酸根離子等對細菌具有強烈的殺滅作用［５］。酵母菌的處理能力強于傳統的活性污泥法工藝，汪嚴明等［６］研究表明，酵母菌在 ｐＨ＝４、ＨＲＴ＝８ｈ時對油田鉆井廢水的ＴＯＣ去除率（４０．５％）略高于經過馴化后的活性污泥法工藝（ＨＲＴ＝１０ｈ）的去除率（３５．２％），而且它對分子量在 ６０ｋＤａ以上的有機物也具有一定的處理能力。劉斌斌等［７］利用魯氏酵母菌 ＷＹ?３降解甲胺磷的研究發現，經過魯氏酵母菌 ＷＹ?３處理后的甲胺磷毒性大大降低。以上都說明酵母菌體內具有良好的酶系以適應特殊的環境。酵母菌還能產生大量的營養豐富的單細胞蛋白，因為它的廉價性和高效性［８］，因此在人口膨脹和糧食短缺的當今，是最具魅力的糧食替代品。我國已經成功地生產出動物飼料用的石油蛋白，在利用假絲酵母對各種烷烴的發酵研究表明，大部分的烷烴轉變成了細胞物質．３］。

酵母菌在處理高濃度有機廢水的過程中，污染物的去除和細胞蛋白的生產是聯系在一起的，Ｚｈａｎｇ等［９］在利用熱帶假絲酵母處理啤酒洗槽廢水的同時生產細胞蛋白的研究中發現，ＣＯＤ的降低與三羧酸循環發生的程度具有一定的聯系，而細胞蛋白的生產只與糖酵解（ＥＭＰ途徑）有關。根據高濃度有機廢水處理的最終目的的不同，即以 ＣＯＤ為主要目的，還是以細胞蛋白生產為主要目的，可以通過工藝條件的控制以實現不同的目的。數據還顯示［６］在同樣的工藝條件下，用酵母菌處理廢水所增加的細胞數量約是活性污泥法工藝的２倍。

有機大分子物質通過細胞表面的水解酶分解成小分子簡單有機物，其中不產生能量，簡單的有機物通過糖酵解的方式（ＥＭＰ途徑）產生丙酮酸，產生少量的ＡＴＰ供酵母菌使用，之后，發酵性酵母菌通過酒精發酵作用，將丙酮酸轉化成乙醇，并生產大量的分子能ＡＴＰ；而氧化型酵母菌，先將丙酮酸在線粒體內轉化成乙酰輔酶，再通過三羧酸循環把乙酰輔酶轉化成 ＣＯ２和水等小分子物質，并產生大量的分子能量。

３ 酵母菌對污水中污染物的去除

酵母菌對污染物去除范圍很廣，包括有機污染物（高濃度含油廢水［１０］，食品工業有機廢水［１１］），重金屬［１２，１３］。酵母菌對污染物的降解和去除主要是通過

生物吸附，氧化等作用實現的，與活性污泥法工藝是相同的。但由于是真菌，也具有一定的特異性。所以其廣泛應用于工業廢水的處理。

３．１ 去除有機污染物

酵母菌處理廢水的機理和活性污泥法工藝是一樣的，分吸附和氧化兩個過程；吳蘭等［１４］在利用酵母菌處理色拉油的研究發現，酵母菌先將油分子存儲在體內，然后再慢慢地氧化分解釋放能量，或并合成新的細胞物質。黑亮等［４］在酵母菌處理高濃度味精廢水中發現，酵母菌能在 ７小時之內，去除廢水中 ９９％的 ＢＯＤ５，ＣＯＤ和 ＴＯＣ的去除率也分別達到了 ８２．９％和 ８４．２％。由于酵母菌是單一菌種，微生物菌群相互協同作用是很微弱的，所以酵母菌對低分子有機物和易生物降解的基質具有很好的處理效果，但是處理高分子有機物和難生物降解基質效果較差。所以在利用酵母菌處理有機污染物之前，應盡量將一些高分子物質和難降解基質進行水解預處理，以增強其可生化性；酵母菌處理難降解有機污染物能力較弱，可能是因為難降解有機污染物的礦化作用是相當復雜的，礦化過程中會產生許多中間體，單一的酵母菌體內的酶系無法滿足其需要。

３．２ 去除重金屬離子

微生物吸附重金屬離子分兩種吸附過程：主動吸附和被動吸附，主動吸附與能量代謝有關聯，是重金屬離子與有關酶系結合的過程，所以該過程較慢，過程是不可逆的，是重金屬離子在體內富集的過程；而被動吸附與能量代謝無關，是重金屬離子與微生物表面的硫基、羧基和羥基結合的過程，較快，該過程是可逆的。目前主要應用酵母菌的被動吸附來吸附重金屬離子。活體和死亡細胞均能吸附重金屬離子，而且死亡細胞具有和活體細胞相當或更大的吸附量［１３］，因此利用一些廢棄的酵母菌為多。朱一民等［１２］利用廢棄的啤酒酵母吸附 Ｈｇ２＋時發現，首先重金屬離子通過靜電作用吸附到酵母菌的表面，然后酵母菌表面的基團與重金屬離子發生鰲合作用，這是一個被動過程，并發現其吸附作用是十分快的。當水溫 １５℃，ｐＨ為６，啤酒酵母濃度為４０ｇ／Ｌ，Ｈｇ２＋在２．５ｍｉｎ之內的吸附去除率就達到了８５％，在１５ｍｉｎ之內就達到了最大值，但是這個過程吸附的重金屬離子只是暫時性吸附，吸附時間和 ｐＨ等因素都會導致其解吸。重金屬離子轉移到菌株內則需要一個較長的時間（０．５～２ｈ或更長），因為這是一個主動運輸過程，需要能量。高樹芳等［１５］研究發現，在２５～３７℃內，深紅酵母和假絲酵母對Ｃｄ２＋的吸附量隨著溫度的升高而升高，而且 ２５～３０℃內Ｃｄ２＋吸附增加量０．３４ｍｇ／ｇ是３０～３７℃內Ｃｄ２＋吸附增加量１．６３ｍｇ／ｇ約１／５左右，因為３０～３７℃內酵母菌的活性增強幅度較２５～３０℃時大得多，通過代謝產生的能量要大得多，說明酵母菌對Ｃｄ２＋的完全吸附與能量呈正相關性。ｐＨ對酵母菌吸附能力具有較大的影響，有關數據顯示，ｐＨ４～５時酵母菌吸附效果是最好的，ｐＨ＜４時，吸附量變小，可能是因為 ｐＨ導致細胞表面電荷的變化，不利于吸附，而且酵母菌表面的吸附位點被 Ｈ＋占據，而 ｐＨ＞５時，吸附量也變小，雖然 ｐＨ的增大，有利于酵母菌表面電荷變化向著有利于吸附發生的方向和化學沉淀作用增強，但是酵母菌的活性被削弱，導致能量代謝作用減弱，不利于吸附。這進一步說明酵母菌對重金屬的吸附作用以生物吸附為主，其它作用為輔，其作用原理正是生物冶金的原理，能不能利用酵母菌來冶金是一個值得考慮的問題。吸附在酵母菌上的重金屬離子可以用適當的方法來解吸，從而回收金屬，常用的解吸劑有：鹽酸、硝酸、醋酸、氫氧化鈉和 ＥＤＴＡ等。

４ 細胞蛋白的生產

隨著環境保護和資源利用重視程度的提高，人們對廢棄物資源化處理研究也越來越深入，污水消極處理正轉向積極回收，因為傳統的處理工藝浪費了大量的有用資源。許多發達國家已經廣泛使用各種酵母菌生產出各種優質蛋白，并用作動物飼料和家禽飼料，節約了大量的喂養谷物，同時生產出大量的雞蛋等，在發展中國家酵母菌逐步代替糧食［１６］。微生物法處理高濃度有機廢水可以生產沼氣和氫氣等［１７］，采用微生物轉化是經濟實惠的途徑之一［１８］。目前對食品工業中的一些廢渣、廢水等以酵母菌生產 ＳＣＰ的方式進行資源化已經被廣泛接受，因為這些廢棄物本身就無毒性［９］。隨著細胞蛋白的生產范圍不斷擴展，從食品工業廢水轉向了有毒廢水和難降解工業廢水，肖琳等［１９］利用酵母菌處理苯二甲酸工業生產廢水并生產細胞蛋白，并利用小老鼠對生產出來的細胞蛋白進行了急性毒性、蓄積毒性和致突變試驗三個方面的研究發現，小老鼠的內臟重要部位未發現任何病變現象，而且發現小老鼠很喜歡生產出來的細胞蛋白，在進行 ８天的測試發現小老鼠的體重增長正常，與對比組小老鼠體重增加無顯著差距（Ｐ＞０．０５）。而且小老鼠的骨髓細胞微核率與陰性對照組比較，ＰＣＥ（％）維持在 ５０％左右。

研究表明利用難降解和有毒污染物生產細胞蛋白是較為安全的，廢棄物生產細胞蛋白具有廣闊的前景。Ｒａｊｏｋａ等［８］試驗發現，利用細胞蛋白作為家禽飼料時能產生 ３５００ｋｃａｌ／ｋｇ的能量，說明細胞蛋白所產生的能量很大。

隨著細胞生產技術不斷提高，酵母菌生產細胞能力也是穩步升高的。許多研究發現，廢水各種元素含量對細胞的生產是關鍵的，氮元素［９，２０］，鈣元素［２０］等。Ｚｈａｎｇ等［９］研究發現，在氮源不足的情況下，向廢水中投加適量的尿素，能使熱帶假絲酵母細胞蛋白生長量得到一定的提高，同時還能提高有機污染物的去除效率。Ｎａｄｊａ等［２１］研究發現，向營養不足的廢水中投加一定的氨氮和鈣，可以改善細胞的營養結構，提高細胞蛋白的生長量，其細胞生長量從 ５０ｇ／Ｌ提高到了 ６５ｇ／Ｌ，提高率為 ２３．１％。Ｎｉｇａｍ［１１］在利用假絲酵母處理菠蘿罐頭生產廢水并生產酵母蛋白時發現，向廢水中添加一定量磷酸氫二銨和磷酸氫銨能很好地解決廢水因氮含量的缺乏而影響酵母菌的生長速率和相關的酵母菌生長量。而且他還發現對于酵母菌的生長速率和相關的酵母菌生長量與廢水中碳水化合物有極大的相關性，當廢水的碳水化合物含量過大時對酵母菌的生長速率和相關的酵母菌生長量是不利的。而且他建議利用連續流工藝生產酵母蛋白。

利用酵母菌生產細胞蛋白具有以下特點［２］：（１）

細胞蛋白的營養極為豐富，蛋白質含量高，可利用率也高，同時氨基酸組成齊全，還含有多種維生素；（２）微生物世代周期短，生產效率高；（３）生產原料極廣，利于消除環境污染，其原料涉及到廢水、廢氣和廢渣等工農業三廢；（４）可以工業化生產，節約土地。細胞蛋白應用也極為廣泛，常被用作飼料和食品等，而且效果相當好，具有一定的經濟效益和社會效益。

細胞蛋白的食品安全問題（包括毒理性）目前還存在分歧。專家指出［２］，細胞蛋白中可能含有的核酸、奇數脂肪酸和殘留烷烴等物質含量過高，如果食用或作飼料，可能會直接或間接地造成動物和人的某些不良反應。

５ 發展趨勢和應用前景

酵母菌污水處理系統比馴化后的活性污泥法工藝無論是反應速率還是污染物去除效率都具有很大的優勢，所以酵母菌污水處理技術是值得推廣的；隨著酵母菌利用的范圍不斷擴大，酵母菌使用的方式和手段越來越多。

５．１ 生物強化技術

定向馴化技術是一種可以富集、篩選微生物和改變微生物生理性狀的有效方法，因為誘導作用能使微生物產生大量的適應酶，在處理有毒有害或人工合成化合物方面具有很大的潛力，利用特定物質進行定向馴化，優勢酵母菌的自然培育和篩選取得了很大成功和應用。張秀麗研究發現，在雙乙酰濃度為 １ｍｇ／ｍｌ的１２°Ｂｘ麥芽汁中進行高濃度定向馴化所得到的新菌株ＴＡ４比親株降解能力要高 ２０．３８％ ～３６．３１％，發酵度也提高了 ４．５％，除此之外，新菌株的其它優良性狀都得到很好的保持。基因重組技術在酵母菌改造方面也得到了很好的應用，目前構建高效酵母菌種的方法主要有：酵母雜交育種，原生質融合技術和基因工程技術等。韓云等［２２］以綠色熒光蛋白（ＧＦＰ）為動態分析對象，將 ｇｆｄ基因克隆到酵母載體上，再采用聚合酶鏈反應（ＰＣＲ技術）將該質粒重組到宿主菌中，結果發現在宿主菌內的 ＤＮＡ中發現了 ｇｆｄ基因片段，某些特性在宿主細胞也得到表現。

５．２ 混合酵母菌群技術

高分子有機物在生物氧化過程中會有許多中間產物產生，由于單一菌種所存在的酶系是十分有限的，所以僅僅依靠單一菌種很難滿足其降解需要，而混合菌種則可以通過相互協調、基質共降解等作用過程來完成整個降解過程。潘峰等［２３］利用復合酵母菌（１０株）處理含油污泥，研究表明 ３０天后復合酵母菌體系對油的去除率達到了 ４１．８％，高于馴化后的活性污泥法工藝。而且采用復合酵母菌對 ９０％以上的脂肪烴能在 ８天內完成，但是對支鏈烷烴的降解能力不強。莊桂［２０］采用復合菌種發酵糖化使得到的細胞蛋白內的還原糖含量大大提高，質地變細膩。

５．３ 與其它菌種聯用

凌云等［２４］利用酵母菌?光合細菌聯用處理皂素廢水的研究中發現，當單獨采用光合細菌或酵母菌處理皂素廢水，７２小時后其 ＣＯＤ的去除率分別僅為 ５３．１％和 ３４．８％。當酵母菌預處理 （４８ｈ）／光合細菌處理（７２ｈ）ＣＯＤ總去除率達到了 ８７．２％，氨氮去除率為９６．７％和色度的去除率達到了 ４２．９％，而且經過酵母菌預處理給后續工藝創造了良好的條件，進水的可生化性增強，處理負荷減小，ｐＨ也大大改善。肖琳等［１９］采用酵母菌（ＨＲＴ＝４８ｈ）、細菌（ＨＲＴ＝４８ｈ）和酵母菌?

細菌聯用（ＨＲＴ＝４８ｈ）三種方法比較了廢水中苯二甲酸和 ＣＯＤ的去除率；試驗發現：三種方法苯二甲酸去除率分別為 ５３．０％，５１．１％，９５．０％，ＣＯＤ去除率分別為７３．９％，７９．３％，９４．７％；這說明酵母菌是一種良好的預處理菌種，其處理前景很好。目前已有酵母菌和活性污泥法工藝聯用的研究。酵母菌體內的結構酶和能產生的誘導酶數量是有限的，酵母菌和其他菌種聯用，相互協作，可以滿足污水中復雜的污染物類型和眾多的中間產物的降解要求。

５．４ 固定化細胞技術的應用

酵母菌中某些種屬能形成假分枝，呈絲狀，較輕，而且在運行過程發現，出水中含有大量的菌絲體，沉淀困難，使反應器中的酵母菌的數量很難得到保證，會造成后續處理成本較高或引起二次污染等問題。有關數據顯示［６］，酵母菌污水處理中由于長時間的運行和控制不當，容易產生絲狀菌大量繁殖而引起絲狀菌膨脹問題。如果采用強化生物載體技術將酵母菌固定化處理或用 ＭＢＲ代替曝氣池，既可以提高酵母菌的數量和濃度，還可以減少流失的菌種數量；當然生物載體和膜組件的選擇，是一個值得研究的問題。

６ 缺陷和存在問題

利用酵母菌處理廢水雖然具有較高的去除率、去除速率和產生大量的細胞蛋白等特點，但也存在以下問題：（１）酵母菌在處理高濃度有機廢水的時候，當廢水中可利用的有機物較少時（酵母菌進入內源呼吸期后 ４ｈ），酵母菌容易出現自溶現象，如果酵母菌體沒有得到及時回收，將會產生二次污染等問題。（２）酵母菌只對有機污染物具有很強的處理效果，但是對某些污染物（如：ＳＯ４２?和 ＮＨ４＋?Ｎ）處理效果不佳，因為酵母菌是一種化能異養型微生物。（３）ｐＨ對有機污染物去除具有一定的影響，當 ｐＨ過低，由于 ｐＨ能引起酵母菌細胞表面電荷的變化，靜電斥力增加，使丙酮酸不能很順利地進入細胞內的線粒體內，削弱了三羧酸循環的進行，酵母菌最適合的 ｐＨ是 ３．５～５．０。（４）酵母菌對重金屬離子（Ｃｄ２＋，Ｈｇ２＋等）具有很強的富集作用，這給酵母菌的食用和飼料生產帶來很大的限制，所以對于飼料生產的細胞蛋白的原料必須無毒性。（５）高濃度有機廢水中的 Ｃ／Ｎ和 Ｃ／Ｐ比過高是影響處理效果的主要因素，酵母菌處理高濃度有機廢水系統中需要補充Ｎ、Ｐ等元素；有利于提高系統的處理效果和細胞蛋白的生產量，并能預防絲狀菌膨脹。（６）不同的酵母菌種脫色處理的效果相差很大，說明各種酵母菌吸附能力差距較大；同時引起色度的有機物種類和控制條件等因素也會引起脫色效果。

７ 結 論

傳統污水處理工藝以能消能，浪費大量有機碳源，剩余污泥產量大，剩余污泥的處理也是一個難題，容易產生二次污染。同時釋放較多 ＣＯ２（因耗能）到大氣之中，產生溫室效應，又使大量的資源白白流失掉。當今，全球普遍強調的可持續發展經濟模式在污水處理領域也得到體現。因此，研發以節省能（資）源消耗、并最大程度回收（用）有用能（資）源的可持續污水處理工藝已勢在必行。隨著污染日趨加劇，能源日趨耗盡的當今世界，污水處理不僅僅是考慮水質的大大改善，而且要最大限度地回收資源和實現能源化，并盡可能地少消耗能源。酵母菌污水處理技術作為一種可持續發展技術，必將被越來越多應用，它不僅能大大改善水質，將大部分有機污染物轉化成細胞蛋白，而不是ＣＯ２，同時產生的細胞蛋白也是人類所難得的寶貴資源，而不是剩余污泥。同時酵母菌對環境條件的要求相當寬松，其優越性遠遠超出了傳統污水處理工藝。

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