应用微生物专题.doc

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1545，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+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: 191199.8 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 ecosystemsJ.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