葉 欣，易春龍，李泰來(lái)，楊 琳，莊旭超

(1.中工武大設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，武漢 430223；2.杭州科運(yùn)環(huán)境技術(shù)有限公司，杭州 310000)

前 言

在20世紀(jì)初期人們開(kāi)始意識(shí)到水域的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，至今，不同程度的水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象已在全球范圍內(nèi)普遍存在[1-2]。就我國(guó)而言，封閉性水體的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，擁有的2000多個(gè)天然湖泊也因經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口密度的逐步增加，水資源的不合理調(diào)度使用，而逐步朝向富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)轉(zhuǎn)變[3]。富營(yíng)養(yǎng)化水體中藻類(lèi)的大量繁殖不僅會(huì)向水環(huán)境中釋放有害的藻毒素直接或間接影響動(dòng)植物及人類(lèi)健康，由此造成的水體變綠變臭也嚴(yán)重影響水體自然生態(tài)景觀[4～6]。

當(dāng)富含各類(lèi)有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)鹽的工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水和生活污水排入河流湖泊、海洋后一方面會(huì)使水域環(huán)境中的懸浮物增多，水體透明度降低，進(jìn)而影響到水生生物，尤其是水生植物、光合細(xì)菌等的生長(zhǎng)繁殖，逐漸打破水生態(tài)系統(tǒng)的平衡，使水體易于朝向黑臭和富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)演變[7～9]。另一方面其中的營(yíng)養(yǎng)鹽直接在上覆水和沉積物中富集，當(dāng)水溫、陽(yáng)光、水利條件等自然因素適宜時(shí)，藻華生物極易在短期內(nèi)快速繁殖形成水域藻華[10-11]。藻華的發(fā)生不僅影響水體的感官效應(yīng)，由單細(xì)胞藻類(lèi)如銅綠微囊藻等在生長(zhǎng)代謝過(guò)程中向水體釋放的藻毒素還會(huì)直接或間接對(duì)生物體產(chǎn)生毒害作用[12-13]。而無(wú)論是水體黑臭還是以藻華為主要表象的水體富營(yíng)養(yǎng)化都是水環(huán)境惡化的信號(hào)，其治理的關(guān)鍵要素在于營(yíng)養(yǎng)鹽的控制、藻華的控制和水體透明度的維持。面對(duì)不同時(shí)期發(fā)生的水環(huán)境問(wèn)題采用科學(xué)的技術(shù)手段去有效防控成為了水體生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域需要長(zhǎng)期探索的前言科學(xué)和研究熱點(diǎn)。

已經(jīng)產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化的水體生態(tài)功能通常遭到破壞，無(wú)法通過(guò)自身的凈化作用恢復(fù)水體生態(tài)健康，需要外界干預(yù)力來(lái)加速污染物的削減過(guò)程[14]。針對(duì)淡水水體如：養(yǎng)殖水體和天然湖泊水體常采用的技術(shù)有物理、化學(xué)和生物修復(fù)技術(shù)。物理技術(shù)治理效果好，但往往需要投入大量的人力物力，工程耗資大；化學(xué)技術(shù)見(jiàn)效快，但易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染；生物修復(fù)技術(shù)是利用動(dòng)植物或微生物的代謝作用來(lái)實(shí)現(xiàn)水中營(yíng)養(yǎng)鹽及其它污染物的遷移轉(zhuǎn)化[15-16]。然而在富營(yíng)養(yǎng)化或藻華水體中，大多動(dòng)植物無(wú)法存活，因此工程上投加微生物制劑是一種常用的有效方法。目前，對(duì)微生物制劑的論述報(bào)道多為對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽降解微生物的分析，而闡述不同類(lèi)型微生物制劑的報(bào)道較少見(jiàn)，因此本文將對(duì)工程上常用的三類(lèi)微生物制劑進(jìn)行詳細(xì)論述，以期為水體修復(fù)工程提供理論和實(shí)際參考。

1 微生物控藻

1.1 微生物控藻技術(shù)

微生物控藻技術(shù)中的微生物類(lèi)別主要包括細(xì)菌、真菌、病毒和原生動(dòng)物。各類(lèi)微生物

控藻作用方式見(jiàn)表1[17～20]。不同微生物其抑藻作用機(jī)理不同，抑藻效果也不盡相同，目前水環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域使用頻率最高的微生物為細(xì)菌類(lèi)。

表1 微生物控藻作用方式和限制性

1.2 控藻細(xì)菌分類(lèi)與特性

1.2.1 控藻細(xì)菌分類(lèi)

對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)具有顯著抑制作用或能促使藻細(xì)胞裂解死亡的細(xì)菌稱(chēng)為溶藻細(xì)菌。溶藻細(xì)菌廣泛存在于水體環(huán)境中，是水生生態(tài)系統(tǒng)微生物種群結(jié)構(gòu)的重要組成部分。國(guó)內(nèi)外研究者普遍認(rèn)為，溶藻細(xì)菌的大面積感染是水華自動(dòng)消失的一種可能誘因[21]。溶藻細(xì)菌可以通過(guò)分泌殺藻化合物與目標(biāo)藻種直接接觸或間接相互作用來(lái)控制有害藻華[22]。例如，溶藻細(xì)菌LY03可以附著在假微型海鏈藻上并產(chǎn)生幾丁質(zhì)酶以降解藻類(lèi)細(xì)胞壁，從而導(dǎo)致細(xì)胞裂解和死亡[23]。其他細(xì)菌無(wú)需直接接觸即可分泌殺藻化合物來(lái)控制HAB[24]。例如，芽孢桿菌SY-1分泌的噻唑生物堿可以有效地抵抗多環(huán)旋溝藻[25]。從異常球菌屬Y35分離出的色素去黃嘌呤，對(duì)塔瑪亞歷山大藻具有很強(qiáng)的殺傷作用[26]。從這個(gè)角度來(lái)分析，溶藻細(xì)菌能夠維持水體藻類(lèi)生物量的平衡。

溶藻細(xì)菌大多數(shù)為革蘭氏陰性菌，且其種類(lèi)分布較為廣泛。世界上首次報(bào)道的具有溶藻作用的細(xì)菌是在剛毛藻中發(fā)現(xiàn)的，自此之后各類(lèi)抑藻微生物陸續(xù)被成功分離。鄭寧寧等人整理到的抑藻細(xì)菌多達(dá)四十幾種，主要分布的門(mén)類(lèi)包括：變形菌門(mén)(Proteobacteria)、放線菌門(mén)(Actinomycetes)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)及棲熱菌門(mén)(Thermus)(圖1)[27]。

圖1 抑藻細(xì)菌的分布情況

1.2.2 控藻微生物制劑

市面上宣傳能直接用于殺藻除藻的微生物制劑相對(duì)較少，絕大部分菌劑的控藻機(jī)制均是通過(guò)間接方式控藻，按照菌種組成可分為單一菌種制劑和復(fù)合菌種制劑。

單一菌種除藻微生物類(lèi)別主要為：芽孢桿菌(地衣芽孢桿菌、側(cè)孢芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌)、放線菌、噬菌蛭弧菌、乳酸菌(粉狀)，這類(lèi)制劑常見(jiàn)的配方一般有幾類(lèi)：某菌種；某菌種、保護(hù)劑；某菌種、菌種代謝產(chǎn)物。其市場(chǎng)價(jià)格在每千克幾元至幾十元不等。

用于控藻的復(fù)合菌種制劑多常見(jiàn)于由多種微生物或多種微生物、酶、氨基酸、維生素、促生因子、載體等復(fù)合而成，主要包括：以芽孢桿菌為主的復(fù)合菌種制劑、以乳酸菌為主的復(fù)合菌種制劑(粉狀、液體狀)、其它類(lèi)型復(fù)合菌種制劑。其市場(chǎng)價(jià)格普遍高于上述單一菌種制劑，為每千克幾元到上百元不等。工程實(shí)際中由于大多數(shù)控藻微生物制劑不能直接起到快速殺藻的作用，在治理水體藻類(lèi)水華時(shí)還得配合使用氧化劑、絮凝劑等處理措施綜合運(yùn)用才能達(dá)到較好的除藻效果。

1.2.3 控藻微生物的使用

水體中藻細(xì)胞密度達(dá)到一定時(shí)，往往會(huì)形成穩(wěn)定的帶負(fù)電荷的藻膠團(tuán)，此時(shí)若僅往水中投加控藻微生物制劑很難將其快速去除，研究表明微生物除藻技術(shù)中聯(lián)合投加預(yù)氧化劑和絮凝劑對(duì)藻類(lèi)去除有較好的協(xié)助作用[28]。

工程實(shí)踐表明，氧化性除藻劑確實(shí)能夠較好地破壞藻細(xì)胞壁，使藻膠團(tuán)分解，可作為藻華水體應(yīng)急處理的第一步措施。而藻細(xì)胞被氧化劑破壞后，破碎細(xì)胞及其代謝產(chǎn)物在水中往往呈懸浮狀態(tài)，導(dǎo)致水體變渾，透明度降低；另外，由于細(xì)胞裂解，一些藻毒素類(lèi)物質(zhì)會(huì)被釋放進(jìn)入水體，若不采取后續(xù)處理則會(huì)帶來(lái)更大的生態(tài)問(wèn)題[7]。為解決這個(gè)問(wèn)題，工程應(yīng)用中，投加除藻劑后會(huì)及時(shí)投加絮凝劑(微生物絮凝劑是未來(lái)的選擇趨勢(shì))，使水中懸浮物絮凝沉淀至水體底部。一段時(shí)間后再選擇合適的控藻微生物制劑，如微生物溶藻劑、營(yíng)養(yǎng)鹽分解型微生物制劑等，定期投加，使其快速分解水體中的有機(jī)質(zhì)，調(diào)控水體pH，逐漸改善水體的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，達(dá)到抑制水體中藻類(lèi)的過(guò)度繁殖，打造良好的水域生態(tài)環(huán)境的長(zhǎng)遠(yuǎn)目的。

2 微生物絮凝

2.1 微生物絮凝劑

除了藻華能讓河湖水體呈現(xiàn)不好的景觀效果外，由淀粉、腐殖質(zhì)、纖維素等形成的穩(wěn)定膠體物質(zhì)也常常會(huì)帶來(lái)水體透明度降低、溶氧下降等問(wèn)題，絮凝技術(shù)可用以解決此類(lèi)問(wèn)題，絮凝劑的選擇決定了處理效果的好壞[29]。目前水處理中應(yīng)用較多的絮凝劑為化學(xué)絮凝劑，眾所周知，環(huán)境中化學(xué)品的使用往往會(huì)引發(fā)二次生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，而微生物絮凝劑易被生物降解，被認(rèn)為是化學(xué)絮凝劑的潛在安全替代品[30]。

微生物絮凝劑是一類(lèi)由微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中分泌到細(xì)胞外具有絮凝作用的混合高分子化合物，按照成分可將其分為3大類(lèi)：微生物細(xì)胞絮凝劑，這類(lèi)微生物菌絲長(zhǎng)、成串，菌體本身可產(chǎn)生絮凝效應(yīng)；微生物細(xì)胞提取物絮凝劑，如酵母細(xì)胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白質(zhì)和N-乙酞葡萄糖胺等；微生物的胞外代謝產(chǎn)物絮凝劑，如多糖、多肽、脂類(lèi)等[31]。目前已經(jīng)篩選出的產(chǎn)絮微生物有50多種，主要來(lái)源于活性污泥、沉積物、滲濾液、土壤等環(huán)境介質(zhì)中，菌種包含細(xì)菌、真菌、放線菌、藻類(lèi)等[32]。

2.2 絮凝機(jī)理

微生物絮凝劑具有處理效率高，生物降解性好，無(wú)毒的優(yōu)點(diǎn)。絮凝的過(guò)程基本包括凝聚、絮凝、沉淀幾個(gè)階段(圖2)。而關(guān)于微生物絮凝劑的深層次絮凝機(jī)理，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)此進(jìn)行了廣泛研究，提出了不同的絮凝理論。

圖2 微生物絮凝劑絮凝過(guò)程

Wang Tao等人將氨基，銨基和酰氧基官能團(tuán)接枝到微生物絮凝劑上制備功能性微生物絮凝劑，以聚硅酸鋁為對(duì)照，比較兩種絮凝劑處理工業(yè)偶氮染料廢水。結(jié)果表明，該兩種絮凝劑在剛果紅偶氮染料廢水處理中起著不同的作用。聚硅酸鋁有較強(qiáng)的電荷中和作用，但產(chǎn)生的絮體很小。微生物絮凝劑的電荷中和作用較弱而橋接作用較強(qiáng)，由此產(chǎn)生的絮體較大，絮凝沉淀過(guò)程中既有化學(xué)吸附也有物理吸附[33]。

Zhou Yan等人聯(lián)合使用堿性試劑和微生物絮凝劑以去除水中的Ni(II)。根據(jù)生物吸附行為、傅里葉變換紅外光譜和掃描電子顯微鏡分析，吸附橋接與沉淀網(wǎng)捕是絮凝過(guò)程中最有可能的機(jī)制[34]。

由此可見(jiàn)，絮體的形成并不是由單一機(jī)理作用形成的，需要根據(jù)絮凝劑的組成結(jié)構(gòu)、水體中的膠體性質(zhì)及水體環(huán)境進(jìn)行綜合分析判斷。

2.3 微生物絮凝劑的應(yīng)用

目前，實(shí)驗(yàn)層面關(guān)于微生物絮凝劑的研究多關(guān)注于產(chǎn)絮菌種的篩選、發(fā)酵工藝探索、絮凝機(jī)理、微生物絮凝劑改性及微生物絮凝劑與其它藥劑的聯(lián)合使用效果等。如有研究表明：對(duì)產(chǎn)絮菌和纖維素降解菌進(jìn)行分段式發(fā)酵產(chǎn)絮，該工藝最終絮凝劑產(chǎn)生量較單一菌種發(fā)酵產(chǎn)絮量有一定幅度提升，且絮凝效果較好[35]；微生物絮凝劑接枝官能團(tuán)后其對(duì)染料廢水的脫色絮凝能力顯著提升[33]；將微生物與化學(xué)絮凝劑聯(lián)合使用可以顯著提升絮凝效果，且藥劑使用量低于兩種絮凝劑的單獨(dú)使用量[34]。關(guān)于微生物絮凝劑的工業(yè)化生產(chǎn)，目前該發(fā)酵工藝尚未完全成熟，存在產(chǎn)絮率普遍偏低及絮凝效果不能保持穩(wěn)定的問(wèn)題，因而微生物絮凝劑產(chǎn)品還未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)與廣泛應(yīng)用。

3 微生物降解營(yíng)養(yǎng)鹽

3.1 營(yíng)養(yǎng)鹽去除微生物種類(lèi)及作用方式

自然環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)鹽的削減轉(zhuǎn)化主要靠的是微生物分解代謝作用，而當(dāng)水環(huán)境受到破壞時(shí)，水體中的微生物群落也會(huì)因此而改變，要想恢復(fù)利用微生物的作用去除營(yíng)養(yǎng)鹽，通常會(huì)向水環(huán)境中投加一定量的微生物制劑。工程上應(yīng)用較多的營(yíng)養(yǎng)鹽去除微生物種類(lèi)有芽孢桿菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌和光合細(xì)菌。

芽孢桿菌是一類(lèi)好氧細(xì)菌，多存在于土壤中，有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，能夠分解水體中的淀粉、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等有機(jī)物和硝酸鹽、亞硝酸鹽等無(wú)機(jī)鹽，繁殖速度快，在生長(zhǎng)過(guò)程中

產(chǎn)生的酶類(lèi)物質(zhì)可供其它水生生物利用，由此也能促進(jìn)水生態(tài)群落的恢復(fù)；硝化細(xì)菌是一類(lèi)自養(yǎng)好氧型細(xì)菌，按照硝化作用不同階段參與作用的菌群可分為氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌，可分步將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，因而對(duì)于水中氨氮和亞硝態(tài)氮的去除有獨(dú)特的效果；反硝化細(xì)菌是一類(lèi)異養(yǎng)兼性厭氧細(xì)菌，可將硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮還原成氧化亞氮和氮?dú)?，在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，該過(guò)程主要發(fā)生在底泥厭氧層中，能夠減輕水體內(nèi)源的氮負(fù)荷，抑制藻類(lèi)繁殖；光合細(xì)菌是一類(lèi)原核生物，細(xì)胞內(nèi)含有葉綠素，能以有機(jī)物和硫化物等為氫供體，在有光照和缺氧的條件下進(jìn)行光合作用，分解有機(jī)物同時(shí)產(chǎn)生氫氣，對(duì)亞硝酸鹽及其它有害污染物也有較好的降解效果[5,36-37]。

3.2 營(yíng)養(yǎng)鹽去除微生物制劑

關(guān)于湖泊水體修復(fù)菌劑，最受關(guān)注的方面在于其對(duì)水體COD、總氮、總磷和氨氮的去除效果，不同微生物種類(lèi)或不同微生物群落組成對(duì)污染物的降解效果均具有特異性，在實(shí)際應(yīng)用上需根據(jù)污染水體的性質(zhì)合理選擇。表2列舉了市面上常見(jiàn)的一些微生物菌劑種類(lèi)，對(duì)其產(chǎn)品組成和主要功效做了簡(jiǎn)要說(shuō)明，以期為工程應(yīng)用微生物菌劑的選擇提供一定的參考。

表2 市面上常見(jiàn)營(yíng)養(yǎng)鹽去除菌劑舉例

4 結(jié)語(yǔ)與展望

微生物菌劑是一種安全有效的水體修復(fù)制劑，常用于污染水體的應(yīng)急處理，能對(duì)水體污染物進(jìn)行分解與轉(zhuǎn)化，從根源上解決水體的富營(yíng)養(yǎng)化、黑臭等問(wèn)題。在水體生態(tài)修復(fù)工程前期階段通常會(huì)選擇底泥分解型微生物菌劑如芽孢桿菌和反硝化細(xì)菌類(lèi)制劑，用以有效削減底泥污染物，減輕水生態(tài)系統(tǒng)整體的污染負(fù)荷，有助于后期水生生物的生長(zhǎng)繁殖；在工程中期，面對(duì)突然爆發(fā)的藻華或其它水體問(wèn)題，會(huì)選擇藻類(lèi)抑制性菌劑、COD或氮磷降解菌劑來(lái)應(yīng)急處理。在針對(duì)這些問(wèn)題時(shí)，使用微生物制劑往往能取得較好的效果，且不會(huì)給環(huán)境增加額外的風(fēng)險(xiǎn)負(fù)擔(dān)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于功能菌種的篩選技術(shù)相比國(guó)外仍有一定差距[38-39]，在微生物菌劑的使用這一塊也還未形成成熟的使用技術(shù)，但根據(jù)各項(xiàng)發(fā)展數(shù)據(jù)綜合分析來(lái)看微生物修復(fù)菌劑在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)非?？捎^[40～42]，隨著研究的深入和經(jīng)驗(yàn)的積累，微生物菌劑在水環(huán)境領(lǐng)域的將具有廣闊的發(fā)展前景。