魏志瑩，葉愉群，楊秀雯，宋金諾，陳立斌

(長江大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100)

1 引言

近年來，隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展和人口的快速增長，人類向水體中排放大量含氮和磷的有機物[1]，使得我國大部分的河流和湖泊出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。特別在夏季藻類繁殖迅速導(dǎo)致水體缺氧、發(fā)臭、魚類大量死亡等現(xiàn)象，嚴重威脅到生態(tài)系統(tǒng)健康[2]。有些藻類的分泌物會導(dǎo)致飲用水中帶有異味，通常是土霉味、魚腥味等[3]。高欣等[4]研究結(jié)果表明全球氣候變化將有可能造成銅綠微囊藻水華的生物量增加，總微囊藻產(chǎn)毒量也將隨之增加。據(jù)流行病學(xué)調(diào)查顯示，飲用水源中微囊藻毒素是中國南方一些地區(qū)原發(fā)性肝癌發(fā)病率高的主要原因之一[5]，微囊藻毒素污染還可造成野生動物、家畜、家禽等中毒死亡[6]。因此如何有效地預(yù)防和治理藻類在水體中的過度繁殖,是目前迫切需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

目前，國內(nèi)外主要的除藻方法為化學(xué)法、物理法和生物法[7]?；瘜W(xué)法雖然簡便易行、省時省力，但該方法并不能從根本上改善水質(zhì)，還會對環(huán)境造成二次污染，從而使水質(zhì)環(huán)境形成嚴重的惡性循環(huán)[8]；物理法成本高，不能從根本上解決營養(yǎng)成分對藻類的刺激作用[10]；生物法充分利用了生態(tài)系統(tǒng)中各生物的相互作用，可以有效地控制藻類生長，而不會有其他任何負作用存在[9]。在生物除藻法中，溶藻菌除藻具有環(huán)境友好，二次污染較低等特點[11～15]，但是自然因素對溶藻菌在實際應(yīng)用過程中存在一定的影響[16]，如自然水體流動對溶藻菌濃度有一定的稀釋作用，會降低溶藻菌在水體中的除藻效率，而且，當溶藻菌濃度降低到一定閾值，將不存在溶藻現(xiàn)象[17]。如今可以通過固定溶藻菌除藻技術(shù)提高除藻的效率，將溶藻菌固定于載體上能緩解水流對溶藻菌的稀釋作用；而且固定溶藻菌也可以確保溶藻菌的穩(wěn)定生長；此外，固定于載體上的溶藻菌還可以重復(fù)利用、多次除藻[18]。因此，溶藻菌固定技術(shù)是溶藻菌除藻方面迫切需要的關(guān)鍵技術(shù)。

本文對國內(nèi)外的固定溶藻菌除藻技術(shù)進行評述，以利于促進溶藻菌除藻方法的完善。

2 溶藻細菌的類型及作用機理

2.1 溶藻細菌的類型

溶藻細菌(algicidal bacteria)是一類以直接或間接方式抑制藻類生長，或殺死藻類細菌的統(tǒng)稱。細菌在水生生態(tài)系統(tǒng)中起著重要作用，與藻類生物量平衡有很大聯(lián)系[19]。有相關(guān)研究表明水華和赤潮的突然消亡可能與溶藻微生物的感染有關(guān)[20～23]，面對水華問題,在物理、化學(xué)和其他生物方法除藻技術(shù)仍存在諸多局限，目前報道的溶藻微生物大多從自發(fā)生水華或赤潮的海洋或湖泊中分離[24]?，F(xiàn)今，溶藻細菌已經(jīng)成為微生物控藻研究的熱點。

目前報道的溶藻細菌主要歸屬于以下類群[12]:變形菌門 ( Proteobacteria)γ-變形菌綱(γ-proteobacteria)的假交替單胞菌屬(Pseudoalteromonas)和交替單胞菌屬 (Alteromonas)，擬桿菌門(Bacteroidetes)的噬纖維菌屬( Cytophaga)、腐螺旋菌屬(Saprospira)、黃桿菌屬( Flavobacterium)、γ-變形菌綱的弧菌屬(Vibrio)和希萬氏菌屬(Shewanella)，革蘭氏陽性菌厚壁菌門(Firmicutes)芽孢桿菌綱(Bacilli)的芽孢桿菌屬(Bacillus)和Planomicrobium屬，放線菌門(Actinobacteria)放線菌綱(Actinobacteria)的微球菌屬 (Micrococcus)。以上菌屬多為革蘭氏陰性菌，靶藻范圍涉及藍藻、綠藻、硅藻及甲藻等。通過前人文獻的研究還發(fā)現(xiàn)，隨著種群的發(fā)展，菌株分泌物可能通過降解光合色素，破壞藻細胞內(nèi)的pH梯度來阻斷光合作用，致光合電子產(chǎn)量下降[25]，從而阻礙藻細胞細胞壁合成，抑制孢子形成[26]，并且隨著菌株分泌物的增加，也會影響藻細胞正常生長，從而可以達到細菌對藻華的控制作用。目前，章登嵐等[27]研究發(fā)現(xiàn)假單胞菌是較容易篩選得到的溶藻細菌。

2.2 溶藻細菌的作用機理

溶藻細菌的作用機理一般可以分為兩部分：直接接觸溶藻和間接接觸溶藻。直接接觸溶藻是細菌通過與藻類細胞直接接觸從而產(chǎn)生的一種作用，而間接接觸溶藻是釋放特異性或者非特異性的胞外物質(zhì)抑制或者溶解藻細胞[28]。

直接接觸溶藻，在整個溶藻的過程中，溶藻菌通過直接作用于藻類，與藻細胞直接接觸，有的溶藻菌會直接侵入藻細胞使得藻細胞溶解。Furusawa等[11]研究出的一株腐生螺旋體屬海洋細菌，能夠殺死并且裂解角毛藻和硅藻細胞。粘細菌也是可以直接接觸溶解藍藻細胞的細菌[29]。短小的芽孢桿菌(DC-L5)可以溶解綠色的微囊藻，惠氏微囊藻、水華魚腥藻和水華束絲藻[30]。氣單胞菌屬(Aeromonas)、纖維單胞菌屬(Cellulomonas)和微球菌屬(Micrococcus Cohn)在處于對數(shù)期時溶藻能力最強[31]。

間接接觸溶藻，溶藻菌通過與藻類產(chǎn)生營養(yǎng)物質(zhì)的競爭，或者溶藻菌分泌某一種胞外產(chǎn)物從而抑制藻類的生長或溶解藻細胞。前人研究發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌能夠釋放一種耐熱性的小分子物質(zhì)，對實驗的綠藻和藍藻的生長有強烈抑制作用[32]。柄細菌屬能分離一種抗生素，這種物質(zhì)對中骨條藻和赤潮的異灣藻產(chǎn)生抑制作用[33]。革蘭氏陽性菌通過分泌具有溶藻特性的胞外活性物質(zhì)間接溶藻。該活性物質(zhì)會使藻細胞周期被阻滯到DNA復(fù)制前期，從而導(dǎo)致藻細胞不能正常進行DNA復(fù)制及分裂；并且還會對藻細胞產(chǎn)生氧化損傷,破壞藻細胞抗氧化酶系統(tǒng)；此外還能降低藻細胞光合電子傳遞效率，進而影響其正常的光合作用，從而降低藻細胞生物量[34]。

然而現(xiàn)今，僅通過溶藻菌直接對藻類處理，效率并不高。前人研究表明[35]，可以利用馴化的污泥，經(jīng)過海綿固定化，從而構(gòu)建一種對藻類、藻毒素等物質(zhì)去除率高的微生物處理系統(tǒng)。海綿固定化微生物處理系統(tǒng)中，微生物主要是細菌、原生動物纖毛蟲、肉足蟲以及后生動物輪蟲。當運用常規(guī)的活性污泥法，對活性污泥進行為期7 d及以上的馴化，利用海綿對其進行固定，當反應(yīng)器水力停留時間為5h時，微生物處理系統(tǒng)對于藻類物質(zhì)的去除率可高達90%。這種對于水體中的藻類以及藻類在水體中分泌的藻毒素有著良好去除效果的固定化微生物系統(tǒng)，在分離溶藻細菌時，所用的實驗時間相對較短，效率相對較高，針對性相對較強，并且避免目前溶藻細菌均分離自天然水體、水樣的濃縮量較大且耗時等系列缺陷。并且劉晶等[17]發(fā)現(xiàn)細菌溶藻需要一定的初始濃度,才可獲得理想的溶藻效果,當?shù)陀谌茉寮毦簼舛认孪?溶藻現(xiàn)象延遲或不明顯。而且，在實際應(yīng)用中，溶藻菌濃度會受到河水流速的影響，溶藻菌濃度降低，導(dǎo)致除藻效率減弱。

3 溶藻細菌固定化技術(shù)

微生物固定化是利用物理或化學(xué)法將游離或分散的微生物限制在特定區(qū)域內(nèi)，促使微生物濃度提高，并保持其生物活性且能循環(huán)再生的方法[36]。固定化技術(shù)與傳統(tǒng)的懸浮生物相比有著處理效果高、速度快，穩(wěn)定性強，產(chǎn)污泥量少，固液分離效果好等優(yōu)點[37]，在溶藻方面比較有效且可行。

固定溶藻菌除藻可以提高溶藻菌對藻類的生物降解作用。于光等[18]通過研究發(fā)現(xiàn)，聚己內(nèi)酯納米纖維膜(NMP)固定化溶藻菌可以顯著提高溶藻菌對銅綠微囊藻和微囊藻毒素LR(MC-LR)的生物降解作用，且在NMP上添加適量的溶藻菌營養(yǎng)物后，不僅可以提高溶藻率，還可以增加固定化溶藻菌的重復(fù)利用次數(shù)。

固定化細胞技術(shù)能夠為溶藻菌提供生長繁殖的基質(zhì)，確保溶藻細菌的穩(wěn)定生長。劉萍等[38]模擬動態(tài)生物膜反應(yīng)器(dynamic membrane bioreactor，DMBR)反應(yīng)器，利用反應(yīng)器的過濾系統(tǒng)，菌體在膜組件上自生成膜并穩(wěn)定增長，對水體中N、P、葉綠素a等有明顯的去除效果，還改善了水質(zhì)。

固定化技術(shù)將溶藻細菌控制在載體上，還為溶藻細菌的生長繁殖提供支持與保護[38]，并增加了溶藻菌的作用效果。Jung S W[16]等人研究一種熒光假單胞菌HYK0210-SK09除藻效果發(fā)現(xiàn)，藻細胞被溶解需要5×106cell/mL的閾值細胞密度，當SK09細胞在自然環(huán)境中擴散并低于此密度時，對藻華不再有控制作用。

Kang等[39]采用纖維素海綿對溶藻細菌熒光假單細胞(Pseudomonas fluorescens)進行了固定化處理，分析了固定化溶藻菌與懸浮細菌兩種方法處藻的效果，得出與懸浮細胞除藻相比，固定化溶藻菌除藻能夠有效降低冠盤藻(Stephanodiscus sp.)藻密度，還能明顯去除硝態(tài)氮及可溶性磷等物質(zhì)。

因此，在實際除藻應(yīng)用中，采用固定化溶藻菌除藻不僅能有效提高溶藻菌除藻效率，還能為溶藻細菌的生長繁殖提供支持與保護，確保溶藻細菌的穩(wěn)定生長，而且還能增大對其它污染物的去除率。

3.1 固定化載體種類

固定載體材料可以分為無機載體、有機載體和生物載體[40]。無機材料主要包括：沸石、硅藻土、活性炭、玻璃等，無機載體一般對生物無毒，傳質(zhì)性能良好，成形方便且固定密度高等優(yōu)點，但在厭氧條件下易被微生物降解。肖堯[41]等研究中發(fā)現(xiàn)用硅藻土固定細菌T1，并輔助曝氣系統(tǒng)，對水體以及底泥中氨氮有較好的去除效果。陳爽[42]等利用新型粉煤灰陶粒固定有效微生物群落時發(fā)現(xiàn)其對模擬水產(chǎn)養(yǎng)殖污水中氨氮、總氮、總磷的最大去除率可分別達99.14%、92.18%、44.35%。李云暉[43]等利用從太湖提取用氧化鐵納米材料固定的芽孢桿菌去除銅綠微囊藻發(fā)現(xiàn)溶藻率達53%，并且對微囊藻毒素降解率達到了33%對比未用氧化亞鐵顆粒固的芽孢桿菌作用銅綠微囊藻去除率44.3%和微囊藻毒素降解率20.5%。

有機載體包括一些天然的聚合物衍生物：海藻多糖(海藻酸鹽、卡拉膠、瓊脂、瓊脂糖)與一些人工合成的聚合物：丙烯酰胺、聚氨酯、聚乙烯醇、樹脂，以及從甲殼素中提取的氨基多糖殼聚糖已被用于實驗中[44]，有機合成材料有著抗微生物分解性能好，機械強度高等優(yōu)點，但聚合物網(wǎng)絡(luò)的形成條件較劇烈，對微生物細胞損害較大[40]。

Luz E.de-Bashan等[45]用海藻酸鈉固定小球藻和索氏囊藻兩種微生物，固定后對廢水處理效果優(yōu)于單獨使用的處理效果，其中，固定后對廢水中氨氮的去除達100%，對硝酸鹽去除率達15%和對磷的去除率達36%對比于未固定對氨氮的去除率為75%，硝酸鹽6%，磷19%。Zhang[46]等利用聚乙烯醇(PVA)凝膠固定活性污泥，經(jīng)活化后，活性污泥自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌生物穩(wěn)定性和生物活性均有較大提高。

生物材料是以活性污泥為載體，利用凝膠劑將微生物與活性污泥凝聚，利用交聯(lián)劑交聯(lián)，制成微生物復(fù)合體，微生物以活性污泥為載體，可為吸附的溶藻菌提供生長基質(zhì)[47]。

3.2 固定化方法

目前微生物的固定法主要有包埋法、吸附法、交聯(lián)法、系統(tǒng)截留法等符合固定化的方法[48]。也可分為6種固定化類型：共價偶聯(lián)、親和固定化、吸附、液-液乳化液中的限制、半透膜后的捕獲和包封。但這些方法分組并非絕對，因為在某些特定情況下，很難將某個方法劃分為某個特定的組別[49]。

包埋法是通過聚合作用、沉淀方式等將微生物與載體結(jié)合，制備成具有一定機械強度的小球，微生物位于載體材料的內(nèi)部。包埋法操作簡單，對微生物穩(wěn)定性較強、活性影響小[50]。Xin[51]等利用兩株菌株(JB1和JB2)對底泥中的苯并[a]芘進行降解，最終發(fā)現(xiàn)經(jīng)固定化細胞降解率達71.9%，遠高于游離細胞的47.7%。湯瑤[52]發(fā)現(xiàn)固定化復(fù)合菌和液態(tài)游離菌在的處理黑臭水體效果出現(xiàn)比較明顯的差異，是由于固定化復(fù)合菌載體的載體材料以及包埋添加的生物促生劑對固定化復(fù)合菌的生長速率、活性和穩(wěn)定性有顯著的加強。

吸附法利用固定化載體的物理性質(zhì)或與微生物之間的作用力將其吸附在載體上，以達到微生物固定化的目的。根據(jù)吸附原理可分為物理吸附、共價吸附、離子吸附[53]。張秀霞等[54]采用吸附法制備固定化微生物，發(fā)現(xiàn)固化微生物對原油的降解性可以通過表面吸附來實現(xiàn)對菌的固定,并且發(fā)現(xiàn)原油降解之后的材料結(jié)構(gòu)會變疏松,菌也易脫落，對實驗的最后效率會比未固定時效率高。喬鑫[55]分別篩選鑒定了一株異養(yǎng)硝化細菌和一株好氧反硝化細菌分別采用吸附法和包埋法制備微生物固定化體,進行微生物固定化對氨態(tài)氮及硝態(tài)氮的去除動力學(xué)，發(fā)現(xiàn)吸附法制得微生物固定化體對氨態(tài)氮的去除效果優(yōu)于包埋法，去除效率更高。郭吉[56]以聚乙內(nèi)酯作為人工介質(zhì)進行掛膜，富集溶藻細菌，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過36h后固定效果最佳并有較好的溶藻效果，并且適當增加營養(yǎng)物質(zhì)能使固定化溶藻細菌重復(fù)利用率增加，溶藻活性相對增強。

交聯(lián)法是不利用載體直接依靠物理或化學(xué)作用使細胞相互結(jié)合，又可根據(jù)細胞結(jié)合方式分為化學(xué)交聯(lián)法和物理交聯(lián)法[57]?；瘜W(xué)交聯(lián)劑是通過交聯(lián)劑使交聯(lián)劑上的官能團與微生物菌體表面電荷或位點形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)微生物的固定。物理交聯(lián)法是微生物培養(yǎng)過程中適當改變活性污泥的培養(yǎng)條件來使微生物細胞間直接吸附絡(luò)合作用，物理交聯(lián)法機械性較差，化學(xué)交聯(lián)法中化學(xué)試劑的毒性對細胞可能會有毒害作用，因此不適宜固定活細胞[58]。牛志卿等[59]采用聚集-交聯(lián)法固定化紫色非硫光合細菌用于處理活性艷紅X-3B染液，比較游離微生物和固定化微生物的某些性質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)固定化微生物的反應(yīng)適宜pH值范圍較寬。比較所得固定化微生物和由海藻酸鈉包埋固定化微生物的脫色能力時，前者的脫色活力較高、成本低，易于工業(yè)化應(yīng)用。劉巍等[60]利用PVA-Ca(NO3)2-凍融法、PVA-硼酸法、PVA-磷酸鹽法這三種物理交聯(lián)法固定化降解苯胺的混合菌種GA1，結(jié)果表明，PVA-Ca(NO3)2-凍融法膨脹系數(shù)更低，具有最好的強度和穩(wěn)定性，對高濃度苯胺溶液有優(yōu)異的降解效果。王杏佳等[61]通過實驗得出采用CaCl2做交聯(lián)劑制備的聚乙烯醇(PVA)固定化凝膠小球有利于固定化微生物的附著生長，將其用于水處理實驗，其15 h時氨氮去除率可達90%。

系統(tǒng)截留法是利用半透膜(如滲析膜、超濾膜、反滲透膜、中空纖維膜等)將酶、微生物或動植物細胞限制在一定的空間范圍內(nèi)，微生物細胞不能透過此網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但底物和產(chǎn)物可以通過[62]。系統(tǒng)截留法中孔網(wǎng)狀載體有著對微生物的截留與保護作用，有利于難降解有毒物質(zhì)的處理，并且可以承受沖擊負荷，對污染物的去除效率高，還可以去除細菌病毒；但是其載體介質(zhì)易受到污染和堵塞，還需要控制微生物細胞的過度生長，否則會因局部擴散阻力過大，對載體介質(zhì)結(jié)構(gòu)造成破壞[63]。

3.3 固定化技術(shù)的不足

傳統(tǒng)生物處理藻類由于成本花費高，處理效率低[64]，難以滿足我國工業(yè)社會的發(fā)展，而今溶藻菌固定技術(shù)已經(jīng)在處理藻類方面有著良好的效果而且有廣闊的應(yīng)用前景[65]，但是多數(shù)研究僅限于實驗室階段，要使其實際應(yīng)用到現(xiàn)實生活中對藻類的處理還有很多工作要做[66]。

(1) 溶藻菌固定化技術(shù)不夠成熟，固定化材料不夠理想，由于固定化載體顆粒在空間分布不均勻，導(dǎo)致傳導(dǎo)性能有所差異，造成溶藻菌對養(yǎng)分的吸收，代謝廢物的排放受到阻礙作用，降低了除藻效率。

(2)現(xiàn)今對固定化溶藻菌生長代謝的動力學(xué)研究參數(shù)較少，很難為大量工業(yè)化制備設(shè)施提供理論依據(jù)[67]。

4 展望

(1)在固定化載體方面進行創(chuàng)新。提高載體穩(wěn)定性，延長載體壽命，開發(fā)低成本、環(huán)保型載體材料，為固定溶藻菌除藻技術(shù)提供載體準備；同時提高固定化載體的重復(fù)使用率，降低使用成本；而且需要對固定化溶藻菌的顆粒相對密度進行適當?shù)母倪M和調(diào)整。

(2)改進固定化方法。開發(fā)新型固定化技術(shù)或者復(fù)合現(xiàn)有固定化技術(shù)，以減少固定對溶藻菌活性的影響，以達到最佳除藻效果。

(3)加大力度開發(fā)固定化溶藻菌工業(yè)化制備設(shè)施，以實現(xiàn)固定化溶藻菌在工程上的應(yīng)用。