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固定化微生物技术在处理污水中的应用
摘要：综述了固定化微生物技术的方法和所使用的载体，以及固定化微生物技术在处理污水包括工业废水、生活污水和农业污水中的研究进展并做了展望
关键词：固定化微生物技术；方法；载体；应用

1. 前言
微生物固定化技术是生物工程中的一项新兴技术，是将特选的微生物固定在选证的载体上，使其高度密集并保持生物活性，在适宜条件下能够大量、快速增殖的生物技术。这种技术应用于污水处理，有利于提高生物反应器内微生物（特别是特殊功能的微生物）的浓度，有利于微生物抵抗不利环境的影响，有利于反应后的固液分离，缩短处理所需的时间。
微生物被固定化后具有密度高、反应速率快、耐毒害能力强、产物容易分离、能实现持续操作、可以大大提高生产能力等优势，因此近几年固定化微生物技术得到了迅速发展和广泛应用。

2. 固定化微生物的方法及载体
2.1 微生物固定的方法
目前，微生物固定化的方法有很多种，所固定微生物种类的不同,固定化方法也不一样。现常用的固定化方法主要有四种：吸附法、包埋法、交联法和共价结合法。
2.1.1 吸附法
吸附法是传统的微生物固定的方法，它的原理是带电的微生物细胞和载体之间的静电作用[1]，使微生物细胞吸附在载体上使其固定的方法。这种方法操作简单，对微生物活力影响小，但所结合的微生物数量有限，反应稳定性和反复使用性差。吸附法可分为物理吸附法和离子吸附法。前者是使用具有高度吸附能力的硅胶、活性炭、多孔玻璃和纤维素等吸附剂将细胞吸附到固定载体表面，这是最古老的方法。操作简单，反应条件温和，载体可反复利用。但结合不牢固，细胞易脱落；后者根据细胞在解离状态下在静电引力（即离子键合作用）的作用下而固着于带有相异电荷的离子交换剂上，如DEAE-纤维素、DEAE-sephadex、CM-纤维素等。
2.1.2 包埋法
包埋法的原理[2]是将微生物细胞截流在水不溶性的凝胶聚合物孔隙的网络空间中，通过聚合作用或者离子网络形成，或通过沉淀作用，或改变溶剂、温度、pH值使细胞截流。凝胶聚合物的网络可以阻止细胞的泄漏，同时能让基质渗入和产物扩散出来。包埋法操作简单，对细胞活性影响较小，制作的固定化细胞球的强度高，目前工业应用上以凝胶包埋法固定细胞最为广泛。
2.1.3 交联法
交联法又称为无载体固定化法，可分为化学交联法和物理交联法。其中物理交联法是利用微生物自身作用进行微生物固定化的方法，即所谓的自身固定化[3]。 此法制备的细胞与载体结合紧密，但制备麻烦，活力损失较大，常用的交联剂有戊二醛、甲苯二异氰酸酯、双偶氮联苯等。
2.1.4 共价结合法
共价结合法是先将菌体活化后，然后利用微生物细胞表面功能团（如氨基、羧基、巯基、咪唑基和酚基等）与固，相载体表面基团之间形成化学共价键连接，从而成为固定化细胞。共价结合法的优点是细胞与载体之间结合紧密，不易脱落，稳定性好，但反应条件激烈，操作复杂，控制条件苛刻，活力损失较大。
2.2 微生物固定的载体
微生物的固定化，选择一种合适的微生物载体非常重要。根据固定化微生物技术方法的不同，对载体的需求也不同。理想的微生物固定化载体要求如下：（1）性质稳定、不易被生物降解，具有一定的机械强度和结构稳定性。在一定pH值和温度下，不容易被破坏；（2）固定化过程简单，条件尽可能温和固定化过程及固定化后对微生物无毒；（3）能够控制固定化微生物颗粒的大小和孔隙度；（4）载体有惰性，不能干扰生物分子的功能；（5）载体材料价廉易得，固定化成本低；（6）固定化微生物颗粒的大小和孔隙度 能控制，单位体积的固定化系统能拥有尽可能多的微生物。
固定化微生物细胞载体主要可分为三大类：第一类无机载体，如多孔陶瓷、多孔玻璃、活性炭等：第二类有机载体又可分为两类，其一为高分子凝胶载体，如琼脂、角叉菜胶和海藻酸钙等，另一类为有机合成高分子凝胶载体，如聚丙烯酰胺(ACAM)凝胶、聚乙烯醇(PVA)凝胶、光硬化树脂、聚丙烯酸凝胶等；第三类复合载体是由无机载体和有机载体材料复合而成，使两类材料的性能互补，从而显示复合载体材料的优越性[4]。
袁利娟，姜立春[5]等以海藻酸钠作为载体将降酚菌株Bacillus sp.JY01进行固定化包埋，并通过正交实验确定了该菌株固定化细胞制备的最优条件；童张法[6]等用海藻酸钠和PVA添加膨润土包埋固定经富集驯化的以反硝化聚磷菌为主的活性污泥，考察了固定化小球的形态和表面结构，探讨了厌氧/好氧条件下，包埋小球除磷脱氮性能，效果良好。Arica等[7]用海藻酸钙固定Funalia trogii菌种，制成了固定活菌和加热灭活菌，研究其对溶液中Hg2+、Cd2+和Zn2+三种离子的吸附能力和吸附顺序。结果，表明最佳pH为6.0，最适合温度为15~45℃，在此条件下反应60分钟，对Hg2+、Cd2+和Zn2+离子的吸附容量分别是：加热灭活菌为403.2、191.6和54.0 mg/g干重；活菌为333.0、164.8和42.1 mg/g干重。研究发现，溶液中三种金属离子无论是单个存在还是混合条件下存在，不同形态的菌对它们的吸附存在一致的亲和力，即Zn2+<Cd2+<Hg2+。

3. 固定化微生物技术在污水处理中的应用研究
3.1 固定化微生物技术在处理工业废水中的应用研究
随着改革开放以来我国经济的快速发展，工业领域也取得了很大的进步，但是工业的发展复出的代价是巨大的，工业生产中产生的废水、废气、废渣成为了危害环境的“三废”，其中废水的处理是一大难题。固定化微生物技术由于其效率高、反应快的特点，成为了处理工业废水的一大突破口。
工业废水的大量排放，使世界各国一些水体的氮、磷含量增高，因而产生富营养化。严清，孙连鹏[8]用海藻酸钙分别包埋了小球藻、活性污泥及两者的混合物，对固定态小球藻与悬浮态小球藻对污水中氮磷营养盐的处理效果做了研究，结果表明固定态藻对氮磷的去除效果明显优于悬浮态藻，还研究了固定化藻、固定化活性污泥和共固定化菌藻分别对污水中氮磷营养盐的处理效果，结果表明固定化菌藻对氮磷的去除效果优于固定化活性污泥和固定化藻类。他们的研究显示菌藻共生在污水处理中具有很大的潜力。
苯酚广泛存在于石油、肥料、橡胶、制革、造纸等多种工业废水中，毒性强且降解难度大，是严格控制的污染物。袁利娟，姜立春[5]等海藻酸钠作为载体固定降酚菌株Bacillus sp.JY01，结果表明最佳固定条件为：海藻酸钠质量分数3%菌液量，海藻酸钠水溶液体积比4:30、氯化钙含量为3%、钙化交联时间8h；固定化细胞降解苯酚的最适温度是32℃，最适pH值范围为7.0~7.5，最适条件下能高效降解质量分数为1300mg/L的苯酚溶液，固定化细胞重复利用8次苯酚降解率仍可达到96.8%，该固定化细胞降酚性能优于游离细胞。这项研究为该细菌进一步应用于含酚工业废水处理提供了可能。Loiselle S A[9]将固定化细胞和与之菌量相等的菌悬液分别接种于不同苯酚浓度的模拟废水中，于pH7.0、30℃、150 r/min条件下培养24h，表明，固定化细胞对苯酚的耐受力有大幅度提高，游离细胞降酚能力却受到苯酚抑制。

3.2 固定化微生物技术在处理生活污水中的应用研究
随着经济的发展和城市化的快速发展，城市化所带来的负面影响也逐步显现，城市人口的急剧增长伴随着大量生活污水的出现，严重影响了人们居住的环境。对固定化为生物技术在处理城市污水中的研究也取得了一定的进展。
唐凤舞，樊华[10]采用海藻酸钠和聚乙烯醇作为包埋材料，以氯化钙和饱和硼酸的混合溶液作为交联剂，包埋了富集培养后的活性污泥，并做成固定化小球。用包埋颗粒作城市污水的COD去除实验，确定影响因素。实验结果表明，各因素对COD去除率的影响程度分别为：pH值、固定化颗粒与污水的质量比例、温度。得出了pH值为8. 0、固定化颗粒与污水的质量比例为16%、温度为25℃是最佳的工艺条件。
吴云海，吴云影[11]等]利用生物活性炭 ( BAC)、海藻酸钙包埋微生物 ( IM )和包埋生物活性炭( IBAC)处理生活污水中的 NH4+ -
N、PO43-、COD cr，对种方法的去除效果进行比较。结果表明，海藻酸钙包埋生物活性炭 ( IBAC)对NH4+ -
N、PO43-、COD cr的去除率均较高，最高去除率分别为88. 08% 、87. 26%、89. 25%。IonatoE[12]等用聚丙烯酸胺包埋法固定硝化菌和脱氮菌，用好氧硝化与厌氧反硝化两段工艺进行合成废水的脱氮试验，其结果表明：与悬浮生物法相比，低温下硝化速度加快了6-7倍，约为0.5 kg/(m3.d)；脱氮速率提高了3倍，约为l.5 kg/（m3.d）；停留时间由原来的7 h缩短为4 h，即处理装置容积可减少约50%左右。

3.3 固定化微生物技术在处理农业污染中的应用研究
农业废水也是当今环境处理所面临的一大难题，农业生产中大量的使用化学肥料和农药，这些肥料和农药进入水中严重的威胁人类和其他生物的安全。因此利用固定化微生物进行农业污水处理的研究显得十分重要。
张波，陈金龙[13]等采用新型固定化载体大孔吸附树脂X-5固定化微生物强化SBR对甲苯胺模拟废水进行处理，通过实验，结果表明通过投加大孔吸附树脂X-5固定化微生物可以有效提高反应器的处理效率。张丽青，姜红霞[14]等抗性库蚊解毒酶酯酶B1基因片段引入融合表达载体pThioHisA中，转化入大肠杆菌DH5α，然后进行固定化，结果表明固定化细胞在3h内对1000mg/L的甲基对硫磷降解率>65%。许振文，张甲耀[15]等用一株外源降解菌进行固定化降解蒽，结果表明其降解蒽的最适温度和pH值为30℃和7。经海藻酸钙固定化包埋后，其降解蒽的能力明显提高，在100m g/L的初始浓度下其降解率在12d达到86%。在固定化颗粒中加入少量硅藻土细粉可以提高菌株对蒽的降解能力。
展望
固定化微生物技术是一项很好的技术，对污水的处理能起到非常好的效果。但是现阶段对固定化微生物技术的使用还不是很实际，仅停留在研究阶段，实际应用还存在许多问题，要将固定化微生物技术应用于废水处理的实际工程领域，还需要解决下面几个问题：1）性能稳定、强度高、寿命长、费用低的固定化载体有待开发；2）开发多种微生物共生的固定化体系，筛选、构建高效、抗逆性强的高性能微生物；3）高效的废水处理工艺、固定化生物反应器和固定化细胞批量生产装置都有待开发出来。随着科学技术的发展，相信在不久的将来，把固定化微生物技术用到实践中将成为现实。

参考文献

[1] 徐雪芹,李小明,等.固定化微生物技术及其在重金属废水处理中的应用,环境污染治理技术与设备2006,7(7):99-105.
[2] 左晓佳,牛卫宁,等.大肠杆菌细胞固定化方法研究进展,化学与生物工程,2010, 27 (4):1-5.
[3]杨勇,李彦锋,拜永孝,等.酶固定化技术用载体材料的研究进展[J].化学通报, 20 07(4):257-263.
[4]王青,张善锋.固定化微生物技术在废水处理中的应用,环境科学与管理,2008,33 (11):81-84.
[5] 袁利娟,姜立春,等.高效降酚菌Bacillus sp.JY01的固定化及降解特性研究[J],环境科学与技术,2010,33(4):49-56.
[6] 唐艳葵,童张法,等.固定化反硝化聚磷菌同步除磷脱氮实验研究,环境科学与技术,2008,31(12):56-58.
[7] AricaM.Y, Bayramoglu G., YilmazM., et a.l Biosorption ofHg2+, Cd2+and Zn2+by Caalginate and immobilized wood-rotting fungusFunalia trogii. J. Hazard.Mater.,2004, 109: 191~199.
[8] 严清,孙连鹏.固定化菌藻系统及对污水中氮磷营养盐的净化效果,生态环境学报2009,18(6):2086-2090.
[9] Loiselle S A, Cozar A,Dattillo A,et al.Light limitations to algal growth in tropical ecosystems[J].Freshwater Biology,2007,52:305-312.
[10]唐凤舞,樊华.固定化微生物技术处理城市污水的研究,环保科技,2009,1:20-25.
[11] 吴云海,吴云影,胡玥.固体化微生物处理生活污水的研究,安徽农业科学, 2010, 38(5):2496-2497,2533.
[12] IonatoE, de Blasio P , la Cara F. Microbiological degradation of pentane by immobilized cells of Arthrobacter sp.[J]. Biodegradation,2005,16(1):1-9.
[13] 张波,陈金龙,等.固定化微生物强化处理对甲苯胺模拟废水的研究,环境污染治理技术与设备2006,7(7):106-108.
[14] 张丽青,姜红霞,等.工程菌及其固定化细胞对有机磷农药的降解,环境科学与技术,2008,31(5):45-48.
[15] 许振文，张甲耀,固定化外源降解菌强化生物降解作用研究,环境科学与技术,2007,30(3):19-22.