于光輝等

摘 要 通過(guò)從固定化藻類所用材料和方法上介紹了微藻固定化技術(shù)，闡釋了固定化對(duì)藻類生理的影響，綜述了固定化微藻在環(huán)境監(jiān)測(cè)和污水處理方面的應(yīng)用，并對(duì)微藻固定化技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 微藻；固定化；藻類生理；環(huán)境監(jiān)測(cè)；污水處理

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-890X（2014）21--02

微藻是地球上分布最廣、最原始的一類營(yíng)光自養(yǎng)、異養(yǎng)或兼養(yǎng)的低等生物。微藻具有生長(zhǎng)周期短、光合作用效率高、油脂含量高及產(chǎn)品附加值高等諸多優(yōu)點(diǎn)。固定化細(xì)胞技術(shù)，是指將具有一定生理功能的生物細(xì)胞，如微生物細(xì)胞、植物細(xì)胞或動(dòng)物細(xì)胞等，用一定的方法將其固定，作為固體生物催化劑而加以利用的一門技術(shù)。固定化能夠顯著提高細(xì)胞的穩(wěn)定性、壽命等，且便于自動(dòng)化操作。微藻的固定化技術(shù)類似于固定化細(xì)胞技術(shù)，不同的是光能營(yíng)養(yǎng)型微藻的生長(zhǎng)需要提供光照條件。當(dāng)前，微藻固定化作為一種重要的技術(shù)手段，已成為研究熱點(diǎn)，其應(yīng)用研究主要集中在種質(zhì)保藏、能源生產(chǎn)、重金屬污染物去除及毒性檢測(cè)等方面，而在環(huán)境檢測(cè)、污水處理和水質(zhì)凈化等方面的綜述報(bào)道有限。由此，綜述了微藻固定化技術(shù)及其在環(huán)境檢測(cè)和污水處理等方面的應(yīng)用進(jìn)展。

1 微藻的固定化技術(shù)

微藻的固定化技術(shù)主要有3種：包埋法、侵入吸附法和偶聯(lián)法。包埋法的原理是將微藻細(xì)胞截留在水不溶性的凝膠聚合物的網(wǎng)絡(luò)空間中，通過(guò)聚合作用或通過(guò)離子網(wǎng)絡(luò)形成，或通過(guò)沉淀作用，或改變?nèi)軇?、溫度、pH使微藻細(xì)胞截留。該法操作簡(jiǎn)單，且具有高的保留容量，對(duì)細(xì)胞無(wú)毒性，從理論上說(shuō)細(xì)胞和載體間沒有束縛，對(duì)微生物活性影響小，顆粒強(qiáng)度高，適合大多數(shù)藻類的固定化，因此包埋法成為目前應(yīng)用最廣泛的微藻固定化方法。包埋法常用的載體有：瓊脂、藻酸鹽、交叉菜糖、骨膠原和果膠等。侵入吸附法主要是利用微藻細(xì)胞的侵入和集落的特性，微藻細(xì)胞可通過(guò)靜電吸附結(jié)合在固相載體表面，固相載體表面可形成單層和多層的微藻細(xì)胞層，纖絲狀藻類在固定化基質(zhì)上具有侵入和集落的能力，利用藻類的這一特性可將其固定在基質(zhì)上。這種固定化技術(shù)操作簡(jiǎn)便，成本低廉，但吸附法可固定細(xì)胞量有限，固定的細(xì)胞易脫落。吸附法常用的固相載體包括纖維素載體和無(wú)機(jī)載體，這些固相載體往往還需進(jìn)行表面修飾以增強(qiáng)對(duì)微藻的吸附力。偶聯(lián)法主要是通過(guò)具有多個(gè)相同功能基團(tuán)的偶聯(lián)劑與微藻細(xì)胞表面的基團(tuán)反應(yīng)，從而使微藻細(xì)胞相互連接呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而達(dá)到固定的目的。此方法操作簡(jiǎn)單，固定的微藻細(xì)胞穩(wěn)定，但固定過(guò)程中的劇烈反應(yīng)對(duì)微藻細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生一定傷害，影響微藻細(xì)胞活力。

就目前的研究進(jìn)展而言，微藻固定的3種方法中，吸附法和包埋法具有操作相對(duì)簡(jiǎn)便、成本較低、對(duì)細(xì)胞傷害較小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。但因?yàn)槲椒ň哂屑?xì)胞保留量較小的弱點(diǎn)，固包埋法成為目前最為廣泛應(yīng)用的固定方法。

2 固定化對(duì)微藻的影響

微藻經(jīng)固定化處理后，由于生活環(huán)境的改變，微藻細(xì)胞會(huì)受到一定的影響。有研究表明，藻類細(xì)胞的形狀受固定化影響不大，但其細(xì)胞大小會(huì)受到一定影響，海藻酸鈉固定的叢粒藻平均直徑增大約2倍，而海藻酸鈣固定的小球藻形成直徑略小的細(xì)胞。有學(xué)者認(rèn)為，微藻細(xì)胞大小的改變是由于固定微藻細(xì)胞生理活動(dòng)的改變和CO2在載體中的擴(kuò)散受到限制等因素造成。藻類固定后，微環(huán)境發(fā)生改變，有一段“傷害期”或“適應(yīng)期”，生長(zhǎng)率通常比自由細(xì)胞略低，但最終產(chǎn)量高于自由細(xì)胞。

微藻經(jīng)固定之后，其生長(zhǎng)和生理特性發(fā)生了變化，其對(duì)氮、磷和重金屬等物質(zhì)的吸收和富集能力得到了提高。但目前這方面的機(jī)理研究還不系統(tǒng)，有研究學(xué)者認(rèn)為固定化能一定程度上提高微藻的合成代謝活性，并在一定程度上降低微藻的分解代謝活性，延遲衰老。但另有研究表明固定化會(huì)對(duì)某些藻類細(xì)胞的正常新陳代謝產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，會(huì)使微藻細(xì)胞與載體間產(chǎn)生一定壓力，限制了微藻的活動(dòng)范圍。微藻細(xì)胞受到固定化載體的束縛，細(xì)胞代謝過(guò)程受到影響，細(xì)胞的生長(zhǎng)分裂被抑制，一定程度上減緩了微藻的生長(zhǎng)速度?？傊?，目前針對(duì)固定化技術(shù)對(duì)微藻影響的研究還不夠系統(tǒng)，許多影響機(jī)理還需進(jìn)一步深化研究，很多影響因素還需進(jìn)一步系統(tǒng)研究。

3 微藻固定化技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)和污水處理中的應(yīng)用

微藻是水相環(huán)境中的第一營(yíng)養(yǎng)水平，微藻細(xì)胞的比表面積高，其對(duì)環(huán)境中不同的污染物具有較高的敏感性，因此在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中，微藻可作為一種重要的檢測(cè)工具。微藻對(duì)抑制光合作用的化合物非常敏感，如某些除草劑、重金屬等，其對(duì)污染物的敏感度比大多數(shù)魚類和脊椎類動(dòng)物都高。固定化微藻應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)也得到了美國(guó)環(huán)保署、國(guó)際經(jīng)合與發(fā)展組織、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織等的認(rèn)可。

固定化微藻在廢水處理中的應(yīng)用包括脫氮除磷、吸收污水中重金屬、去除污染水體中的烴類化合物等。

微藻固定化后，藻細(xì)胞密度高，抗性提高，反應(yīng)速度快，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。固定化微藻能在生物處理裝置內(nèi)維持高濃度的生物量，在處理裝置體積相對(duì)減少的同時(shí)，處理負(fù)荷得到顯著提高。另外，根據(jù)需要選擇固定優(yōu)勢(shì)藻種，可針對(duì)性地解決不同水體污染問(wèn)題。例如，處理含氮、磷豐富的生活污水，可選擇小球藻和柵藻等藻種；處理含酚類的印染廢水，以選擇顫藻為主，這樣可提高對(duì)廢水中的污染物的轉(zhuǎn)化率或降解效率。De Bashan等的研究表明，將小球藻固定到多聚糖凝膠中對(duì)生活污水具有較高的處理效果，3 d內(nèi)對(duì)NH4+和PO43-的去除率分別高達(dá)95%和99%，而在同等條件下，直接用懸浮態(tài)的藻細(xì)胞進(jìn)行污水處理，氮、磷的去除率僅為50%。Akhtar Nasreen等的研究表明固定化小球藻可以高效去除水溶液中的Cr3+，吸附處理效率高達(dá)98%。

此外，將藻和菌混合固定培養(yǎng)，對(duì)水體中氮、磷的去除有顯著效果。薛嶸等的研究表明，將藻與菌用改進(jìn)的硫酸鹽PVA固定化法混合固定，并用于廢水中脫氮除磷，結(jié)果表明在不同藻菌比的情況下，固定化系統(tǒng)對(duì)氮去除率均可達(dá)100%。

4 展望

微藻固定化技術(shù)在國(guó)外已被廣泛研究和應(yīng)用，但我國(guó)微藻固定化技術(shù)研究工作還處于起步階段，而微藻固定化方法大多因藻而異，某種固定化方法只適應(yīng)一定種類的微藻，這對(duì)微藻固定化技術(shù)的應(yīng)用推廣帶來(lái)一定的困難。因此，尋找一種具有普遍性且成本較低的微藻固定化方法，是微藻固定化技術(shù)及應(yīng)用研究的當(dāng)務(wù)之急。

固定化微藻技術(shù)在廢水處理方面有廣闊的應(yīng)用前景，但因固定化材料昂貴、未開發(fā)出成型的固定化微藻傳感器等因素限制，還無(wú)法適用于大規(guī)模的廢水處理，其在污水處理和環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用還處于試驗(yàn)室研究階段，有待于今后從固定化對(duì)象選取、載體材料優(yōu)化和高效反應(yīng)器制備等方面加大研發(fā)力度，推動(dòng)技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 邱芳蕾. 微藻固定化技術(shù)及底棲硅藻固定化培養(yǎng)研究現(xiàn)狀[J]. 生命科學(xué)儀器，2007，（5）：21-23.

[2] 彭明江，楊平，等. 固定化藻類去除氮、磷的研究進(jìn)展[J]. 資源開發(fā)與市場(chǎng)，2005，21（6）：507-510.

[3] 楊海波. 小球藻固定化培養(yǎng)的初步研究[J]，水產(chǎn)科學(xué)，2001，21（5）：4-7.

（責(zé)任編輯：劉昀）endprint