繆 佳，毛妙杰，李 菁，沈 崢，張亞雷

(1.浙江工業(yè)大學土木工程學院，浙江 杭州 310023； 2.上海同菁環(huán)境工程設備有限公司，上海 200092； 3.同濟大學新農村發(fā)展研究院，上海 200092)

隨著城市化的不斷發(fā)展，工業(yè)化的不斷提高，越來越多不易去除的污染物質進入自然環(huán)境中，對環(huán)境造成破壞，最終影響人類健康.傳統(tǒng)的污水處理方法已經很難滿足現(xiàn)有污染物的去除需求，因此研究和開發(fā)新型有效的處理技術是當前的主要任務.微生物固定化技術憑借其污染物治理效果好、優(yōu)勢菌種富集率高、微生物活性高、抗環(huán)境干擾能力強、經濟成本低以及可重復利用等優(yōu)勢得到了國內外眾多學者的關注[1-2]，并在生物制氫[3]、酒精發(fā)酵[4]、生物燃料電池[5]等領域都有著廣泛的應用.本文詳細介紹微生物固定化技術的固定化方法、固定化載體、優(yōu)勢菌種以及污水治理應用等內容，以期為該技術在環(huán)境治理領域的應用和發(fā)展提供參考.

1 微生物固定化方法

微生物固定化技術是通過物理、化學手段將水體中游離分散的微生物和酶等生物催化劑固定在載體中，使其高度富集同時保持較高活性的一種技術[6].載體上微生物的富集能夠有效地提高微生物的抗負荷、抗水流沖擊能力[7]，避免優(yōu)勢菌種的流失，實現(xiàn)各種微生物穩(wěn)定有效的增殖[8].微生物固定化方法主要分為吸附法、交聯(lián)法、包埋法和復合固定法[7]等4大類.

1.1 吸附法

吸附法是根據(jù)微生物對特定載體的親和性，直接吸附在其表面的一種方法，是固定化技術中最常見的一種方法[9].吸附機理包括物理吸附和離子吸附.物理吸附是指微生物通過物理作用吸附在載體表面.離子吸附則通過化學鍵或者離子引力作用將微生物細胞與載體緊密結合，包括離子選擇和離子交換兩種[10].吸附法流程和形式簡單，一些天然載體可直接應用于實際處理，不會造成二次污染[10].常見的吸附材料包括聚乙烯醇、明膠、海藻酸鈉和硅藻土[11]等.但該方法仍有一定局限性，如載體與污染物質之間作用力弱，使構成的污染物與載體體系結合不牢固，污染物再次釋放.

1.2 包埋法

包埋法也是最常用的一種微生物固定化方法，且常常與吸附法、交聯(lián)法等聯(lián)合使用[10].包埋法的主要作用機理是通過高分子材料，將微生物細胞截留在材料內部，使微生物細胞高度集中并且具有較高的活性，同時又能抵御一定外界沖擊[12].包埋法主要分為凝膠包埋和微囊包埋兩種方法[9].凝膠包埋是指在載體材料內部固定微生物，使其免受外界環(huán)境干擾，但存在微生物活性易受干擾和傳質阻力大等問題.微囊包埋是指通過半透膜組成的微膠囊固定微生物，在免受外界干擾情況下也可以有效防止微生物外溢[9].包埋法所用材料主要分為天然高分子材料和合成高分子材料.天然高分子材料包括瓊脂、明膠、海藻酸鈉[10]等.合成高分子材料包括聚乙烯醇、聚丙烯酰胺[7]等，但此類材料可降解性能差、機械強度低，容易對環(huán)境造成二次污染[7].

1.3 交聯(lián)法

交聯(lián)法也稱無載體固定法，即在無載體條件下投加交聯(lián)劑，根據(jù)微生物細胞自身特性聚集成團[9].該固定法結合強度高、穩(wěn)定性好，同時微生物聚集形成的微環(huán)境有利于微生物細胞的代謝作用.常見的交聯(lián)劑有戊二醛、殼聚糖和甲苯二異氰酸酯[13]等.但交聯(lián)劑的投加往往會發(fā)生強烈的化學反應，產生一定毒性，破壞微生物的活性.而且交聯(lián)法的使用還需要微生物自身具有自絮凝成團的特性，因此不適用于大多數(shù)微生物[11].

1.4 復合固定法

復合固定法是指將吸附法、包埋法以及交聯(lián)法聯(lián)合使用，對各個方法取長補短，構建出新型的微生物固定化方法，如包埋-交聯(lián)法、吸附-包埋法和吸附-包埋-交聯(lián)法等[11].多種方法的聯(lián)用，能夠解決單一固定方法在實際使用過程中的各種不足，如污染物去除率低、針對性差等問題.張小雄[9]發(fā)現(xiàn)在氨氮水體的處理中，通過包埋-吸附固定法，使基質的運輸和擴散變得更加高效，酸堿穩(wěn)定性和傳質性能分別提升55.5%和12.6%以上，氨氮的去除率也有了很大的提升.

2 微生物固定化載體

微生物固定化技術中的載體材料能夠為微生物細胞提供一個適宜的微環(huán)境,以促進微生物更好的生長繁殖.載體的選擇直接影響微生物固定效能，應具備易獲得、足夠環(huán)保能直接用于環(huán)境修復、機械強度大能夠抵抗一定水力沖擊、含氧官能團含量適宜、多孔且孔徑大小合適、有利于傳質以及傳輸氧氣[2, 14]等特點.載體可分為傳統(tǒng)載體和新型載體2大類.

2.1 傳統(tǒng)載體

傳統(tǒng)載體主要包括無機載體、天然有機載體和合成有機載體.無機載體主要包括陶粒、沸石和黏土[9]等.此類載體具有易獲得、成本低等優(yōu)點，但往往吸附量小，且生物膜容易脫落，使得無機載體的使用受到一定限制.天然有機載體是指取之于自然未經任何加工的載體，如植物秸稈、絲瓜瓤[15]等都是常用的天然有機載體.天然載體經濟、環(huán)保、能直接用于環(huán)境修復，但天然載體往往存在吸附性能弱、生物親和性弱以及機械強度低等不足[16].合成有機載體是指人工后期合成的材料，有聚氨酯、聚苯乙烯、碳纖維[8]等.此類載體在使用中具有更高的機械強度和穩(wěn)定性，但傳質能力較弱，有些合成有機載體更是難以分解，易造成二次污染[17].由于傳統(tǒng)的微生物固定化載體存在凈化效果差、吸附性能弱和機械強度低等不足，當今的研究熱點開始集中在新型載體的開發(fā)和應用上.

2.2 新型載體

目前研究的載體多為傳統(tǒng)的無機和有機載體，面對更難去除的污染物和更加嚴格的環(huán)保要求，迫切需要掛膜效果好、經濟環(huán)保且易生產的新型載體，如緩釋碳源載體[18]、磁性載體[19]、磁性納米載體[20]以及可生物降解多聚物載體[18]等.其中磁性納米載體具有極高的比表面積和表面能，既能為生物提供足夠的生長空間，又能對水中有毒物質進行篩選[20].陳道康等[21]將納米Fe3O4與海藻酸鈉聯(lián)用形成Fe3O4/SA體系，固定菌株PseudomonascitronellolisDK-3，降解三氟羧草醚.結果發(fā)現(xiàn)較單獨的SA體系，F(xiàn)e3O4/SA體系有著更強的降解能力、抗環(huán)境變化能力以及抗毒能力.Ahmad等[22]在功能性聚氨酯泡沫塑料表面涂覆氧化鐵納米粒子(IONPs)制備多孔立方載體，該載體能為假單胞菌、氨氧化菌和厭氧氨氧化菌組成的細菌群落提供結構化的微環(huán)境，并高效去除焦化廢水中的高濃度喹啉、COD和含氮化合物.但也有研究證明過量的納米Fe3O4會影響微生物的生長[21]，且通過靜電或吸附作用，影響細胞膜的正常生命活動.

針對傳統(tǒng)載體吸附能力弱、生物親和性低等問題，研究發(fā)現(xiàn)通過投加改性劑對原載體進行改性，能夠制備出針對性更強、性能更優(yōu)的新載體.常見的改性劑有殼聚糖、過氧化氫等[7].殼聚糖性質活潑，富含的氨基及羥基能通過配位作用高效去除氨氮等污染物[23].但殼聚糖單獨使用時容易流失，抗水力沖擊強度較低，而作為改性劑使用時，能夠有效提高載體性能，并賦予載體新的功能.陳誠等[24]采用包埋法，以海藻酸鈉-殼聚糖為載體，制作固定化菌小球，氨氮去除率高達93.9%.

同時更多學者開始研究將多種無機以及有機材料進行組合，制備成新型復合載體.Truong等[5]通過過硫酸銨(APS)和六氯化鐵將聚苯胺(PANI)聚合到細菌纖維素(BC)上，同時在表面涂上TiO2，形成BC/PANI/TiO2/APS體系，該體系導電率可達3.7 s·m-1.同時以BC/PANI/TiO2/APS體系為陽極固定化希瓦氏菌(Shewanellaxiamenensis)時，可以觀察到微生物燃料電池效率顯著提高.雖然復合載體綜合效果好，但其對污染物針對性較差，無法做到同時處理多種污染物[17].

3 微生物固定化菌種

3.1 固定化微生物的種類

用于微生物固定化的菌種主要有細菌、真菌以及藻類3大類.在一定條件下對優(yōu)勢菌種進行篩選后，通過微生物固定化技術將菌種固定于合適載體中進行富集.Ganesh等[25]從2 100 m深的海洋沉積物中分離出去除原油的烴類菌團.Isaka等[26]使用聚乙二醇(PEG)凝膠載體捕獲異養(yǎng)反硝化細菌.Li等[27]使用海藻酸鈉與玉米秸稈生物炭聯(lián)合固定化蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus).優(yōu)勢菌種能有效提高污染物的去除能力，在微生物固定化體系中起到至關重要的作用[28]，但也存在篩選難度大、富集率低和菌體易脫落等問題[29].

根據(jù)底物的不同，微生物固定化的優(yōu)勢菌種也不同.主要包括：去除多環(huán)芳烴類的銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)[30]、黃孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)[31]、紅球菌(Rhodococcus)[32]等；去除氨氮的皺褶念珠菌(Diutinarugosa)[33]、副球菌屬(ParacoccusDavis)[34]以及赤水黃桿菌(Flavobacteriumchishuiensis)等[35]；去除苯酚的不動桿菌(Acinetobacter)[36]、短桿菌屬(Brevibacillu)[37]以及皮氏羅爾斯通氏菌[38]等；去除重金屬的微生物主要有去除汞(Hg)的蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus)、去除砷(As)的硫酸鹽還原細菌(Sulphate-reducingbacteria)、去除鉻(Cr)的黑曲霉(Aspergillusniger)和銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)以及去除銅(Cu)的黃孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)等[39].

3.2 生物膜形成機理

載體-微生物體系的形成主要分為遷移運輸、可逆附著、不可逆附著、微生物繁殖、生物膜成熟以及生物膜老化6個過程[40].遷移運輸是指在生物膜形成初期，水體內微生物在重力作用、水力作用以及定向吸附等因素下，向載體表面移動的過程；可逆附著是指微生物的表面器官鞭毛、纖毛等通過物理作用附著在載體表面；不可逆附著是指通過物理作用吸附在載體表面的微生物分泌出胞外聚合物，載體與微生物之間的連接更加牢固；微生物繁殖是指附著在載體表面的微生物大量繁殖，同時分泌大量胞外聚合物；生物膜成熟是指載體-微生物體系形成穩(wěn)定的結構，生物量也趨于穩(wěn)定；生物膜老化是指微生物自然衰老從載體上脫落[40].

4 微生物固定化技術處理污水研究現(xiàn)狀

隨著微生物固定化技術的革新發(fā)展，以及新型載體的不斷出現(xiàn)，微生物固定化技術開始在各個方面有了更多的應用，尤其在水污染處理、氣體凈化以及土壤修復等方面都展現(xiàn)了顯著的成效[41].近年來水體中污染物種類變得愈加復雜，且對環(huán)保要求愈加重視，微生物固定化技術在污水處理中的應用成為國內外的研究熱點，主要集中在氮磷廢水處理、重金屬廢水處理、印染廢水處理及有機廢水處理等方面.

4.1 氮磷廢水

我國氮磷廢水主要來源于制藥、洗滌劑使用、化肥使用、食品加工、垃圾填埋以及生活廢水等[42].自然水體中氮磷含量超標，引起水體富營養(yǎng)化，水中藻類及微生物大量繁殖，造成水中溶解氧濃度下降，最終導致水中生物死亡.近年來，大量研究使用微生物固定化技術去除水體中的氮磷[43].

Chen等[44]在部分亞硝化-厭氧氨氧化(PN/A)工藝中以微型顆粒為微生物固定化載體，處理低濃度氨氮廢水,并在水力停留時間2 h下達到了61.9%～81.7%的處理效果.細菌群落結構分析發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化細菌和氨氧化細菌分別具有27.6%和10.5%的豐度.表明在部分亞硝化-厭氧氨氧化(PN/A)工藝中投加微型顆粒能夠有效處理低濃度氨氮廢水.

詹龍輝[45]使用微生物固定化技術深度處理垃圾滲濾液，研究表明，生物厭氧段最佳HRT為72 h，最佳DO為5 mg·L-1，最佳進水 pH為7.5～8.5；生物好氧段最佳HRT為84 h，最佳DO為5 mg·L-1，最佳進水pH為7.5～8.5時，厭氧段和好氧段出水氨氮平均去除率分別達到63.8%和92.6%.

鄭華楠等[46]將蘆葦生物炭、聚乙烯醇(PVA)和海藻酸鈉(SA)合成復合載體，與馴化后的消化污泥制成固定化顆粒，通過考察顆粒機械強度、傳質性能和酸堿穩(wěn)定性，探究了生物炭添加量及粒徑對氨氮去除性能的影響.結果表明生物炭粒徑越小越均勻，其對優(yōu)勢菌種的固定化效果越好，對氨氮廢水的處理效果也越好.

4.2 重金屬廢水

水體中的重金屬主要來源于采礦業(yè)及工業(yè)廢水、生活污水、化石燃燒等[47].當重金屬進入人體內會對人體造成嚴重的危害，例如汞能夠直接沉入肝臟，破壞大腦的視力神經；攝入鉛后，會對人體大腦造成直接傷害，如造成胎兒先天性大腦溝回淺，造成老年人癡呆，甚至直接死亡.微生物固定化技術去除水體中的重金屬離子也是近年的研究熱點.

Ma等[48]對微生物-磷礦物-海藻酸鹽(MPA)固定化顆粒處理含鉻(Cr)廢水的效果以及微生物群落特征進行分析.結果表明MPA固相顆粒在不同操作條件下均表現(xiàn)出Cr(Ⅵ)還原效率高、抗Cr(Ⅵ)毒性好、磷余量低等優(yōu)勢.同時不同的固定化方法也會對微生物群落結構產生很大的影響.該研究能夠很好地為含鉻(Cr)廢水的治理提供新的視角和理論依據(jù).

氨基化磁性納米Fe3O4顆粒具有比表面積大、吸附率高、選擇性強、擴散阻力小、易于磁分離、可再生利用以及能夠實現(xiàn)重金屬的回收和利用等特點.Ding等[49]總結分析了針對不同目標重金屬離子的氨基化磁性納米Fe3O4顆粒改性方法，并詳細闡述了氨基化磁性納米Fe3O4顆粒對各目標重金屬離子的去除效果.

余關龍等[50]從處理含Cd(Ⅱ)廢水的人工濕地基質層中篩選提取出對Cd(Ⅱ)有較好耐受性和吸附能力的菌群，并用包埋法固定微生物，制備成吸附性能良好的生物吸附劑，在pH為4～5，吸附時間48 h，吸附劑用量(濕重)50 g·L-1，Cd(Ⅱ)初始質量濃度100 mg·L-1時，對Cd(Ⅱ)的最大去除率可達91%±2%.

4.3 印染廢水

印染廢水具有水量大、色度高、毒性強、難降解有機物多以及COD和BOD5濃度高等特點[51]，是工業(yè)廢水處理中最難降解的廢水之一，也是造成環(huán)境污染的主要污染源之一.生物法是處理印染廢水的傳統(tǒng)方法，但傳統(tǒng)的生物法往往具有一定的局限性，如好氧生物法雖然對BOD5處理效果好，但對COD、色度等去除效果不理想.因此需要輔助使用微生物固定化技術等其他方法.

崔洪基等[52]制備出一種新型炭基生物增效材料，將其投入到活性污泥系統(tǒng)后，微生物能夠固定在其表面，當表面微生物生長至一定厚度后，在載體表面形成氧梯度，即表面的好氧區(qū)和內部的厭氧區(qū)，形成硝化/反硝化一體的綜合生態(tài)系統(tǒng).對COD、氨氮和TN去除率分別達到80%、96%和50%以上.

金軍等[28]從馴化采集好的活性污泥中培養(yǎng)出處理印染廢水的優(yōu)勢菌種，并固定于活性炭中，結果表明當溫度為25 ℃，pH為6～8，水力停留時間為12 h，進水質量濃度為200 mg·L-1時，模擬廢水COD的去除率達到86%，褪色率達到97%.對于印染廢水的處理，特定的優(yōu)勢菌種起著至關重要的作用，因此微生物固定化技術處理印染廢水的重點也將集中于培養(yǎng)出更加高效、廉價的優(yōu)勢菌種.

4.4 有機廢水

我國是工業(yè)大國，近年來對有機廢水的排放已有嚴格的控制，但在制藥、煉油、食品加工等方面，有機廢水的排放量仍十分巨大.而且難降解有機廢水來源廣泛，廢水成分復雜，含有多環(huán)芳烴、苯以及重金屬等污染物[53].同時這類廢水的可生化性非常低，BOD5/COD一般在0.4以下[54]，很難用傳統(tǒng)的生物法降解.當有機廢水進入到自然環(huán)境中，將會通過食物鏈最終危害人類自身安全.對于有機廢水的去除方法主要分成傳統(tǒng)生物法、物理法以及高級氧化法.而微生物固定化技術在有機廢水處理方面具有一定的抗毒性以及處理效率高等優(yōu)勢，成為近年的研究熱門[54].

Zhang等[55]以改性松皮和玉米秸稈為原料，制備了高效低成本的活性污泥固定化材料.通過對苯酚廢水和普通有機廢水的處理，考察了各種因素對處理效果的影響.結果表明，固定化生物載體對兩種廢水均有較好的處理效果.對苯酚廢水的去除率在24 h內達到100%，對普通有機廢水的去除率在96 h內達到95.5%.

Wang等[15]以高密度絲瓜海綿(HDLS)作為固定化載體，將微生物與零價鐵固定在載體上，以促進對1,1,1-三氯乙烷(1,1,1-TCA)的生物降解.Frankel等[56]用針葉樹皮(SB)和楊木(N3)兩種材料制作生物炭，并以其為載體，聯(lián)用生物膜的方法去除有機環(huán)烷酸和無機金屬.結果表明在金屬存在條件下，以針葉樹皮為材料的生物炭-生物膜體系，對環(huán)烷酸的降解效率可達87%，而在無微生物固定的條件下，針葉樹皮和楊木對環(huán)烷酸的降解率均大幅下降，僅>30%.

5 結論與展望

微生物固定化技術因其處理效率高、應用范圍廣且無二次污染等優(yōu)勢在污水治理領域得到了廣泛的應用，并已取得良好的處理效果.

微生物固定化技術的關鍵就是合適的固定化方法、高效的優(yōu)勢菌種和良好的固定化載體.單獨的固定化方法，例如吸附法、包埋法以及交聯(lián)法，存在固定化率低、傳質傳氧能力差以及含有一定毒性等問題，而復合固定法將多種固定化方法聯(lián)用，取長補短，比單獨的固定化方法有更高的固定化率和污染物去除率.優(yōu)勢菌種包括細菌、真菌和藻類3大類，能夠有效去除特定污染物，但存在難篩選、難富集和易脫落等問題.傳統(tǒng)載體已經無法滿足經濟環(huán)保、處理效果好、掛膜量大、機械強度高等要求，研究熱點開始轉移到新型載體、載體改性和復合載體等方面.固定化方法、優(yōu)勢菌種和固定化載體三者相輔相成，將滿足特定污染物質去除要求的優(yōu)勢菌種篩選分離，通過最優(yōu)的固定化方法富集在適合的固定化載體上，能夠更高效地去除污染物.今后微生物固定化技術將在以下3個方面開展更多的研究.

(1)在固定化方法方面，一方面聯(lián)合使用多種固定化方法，另一方面結合污染物的特性以及優(yōu)勢菌種的生長特點，設計研發(fā)特定的固定化方式，高效富集優(yōu)勢菌種以去除污染物.

(2)在優(yōu)勢菌種方面，尋找出更易培養(yǎng)、更高效的菌種，并提高菌種在復雜環(huán)境中的生存能力.除了從活性污泥等原始環(huán)境中固定微生物，還可以人為培養(yǎng)高效菌種，并進行固定化.

(3)在載體材料方面，可以對磁性納米材料、可生物降解多聚物材料、緩釋材料以及多種功能載體材料的復合使用進行更多的研究，從而提高載體的微生物固定性能和污染物去除效果.同時通過提高載體-微生物體系的穩(wěn)定性與經濟性，促進載體-微生物體系的規(guī)?；a，加快推進微生物固定化技術的實際應用.