固定化微生物技术及其载体的研究进展

摘要：文章就现有的固定化微生物技术进行了分类，介绍了各种固定化微生物技术所常用的载体在污水处理中的研究与应用，对各种固定化微生物技术的优劣性和适用范围进行了比较与总结，最后对该方法在污水处理中的实际应用进行了展望。
论文关键词：固定化微生物技术,污水处理,方法分类,载体

　　由于固定化微生物技术可固定经筛选出的能降解特定物质的优势菌属，因此该技术的应用能使污水处理系统专一性、耐受性增强，处理效果稳定，运行管理简单，降解效率明显优于传统。因此，近年来固定化微生物技术已成为各国学者研究的热点课题，并且已有部分研究成果由实验室走向实际应用阶段。本文就现有的固定化微生物技术进行了分类，介绍了各种固定化微生物技术所常用的载体在污水处理中的研究与应用，对各种固定化微生物技术的优劣性和适用范围进行了比较与总结，最后对该方法在污水处理中的实际应用进行了展望。

　　1 固定化微生物技术及分类

　　作者简介：夏冰，(1985-)，男，江西南丰，青岛大学在读硕士研究生,主要研究方向为环境生物技术。

　　固定化微生物技术是从60年代开始发展起来的新型技术。固定化微生物技术是指用物理或化学方法将游离微生物细胞、动植物细胞、细胞器或酶限制或定位在某一特定空间范围内，保留其固有的催化活性，并能被重复和连续使用技术。采用固定化微生物技术有以下优点：有利于提高生物反应器内微生物浓度和纯度，缩短反应所需的时间，降低处理设施的工程投资和造价；有利于反应器的固液分离，反应易于控制，污泥产生量少；有利于除氮和除去高浓度有机物或其他难降解的有毒有害物质，可免除污泥处理的二次污染等。由于其在废水处理方面的独特优势，在近十几年获得了迅速的发展。它已由原来的单一固定化酶、固定化微生物细胞发展到固定化动植物细胞、固定化细胞器、固定化原生质体、固定化微生物分生孢子以及酶与微生物细胞、好氧微生物与厌氧微生物的联合固定化[1]等。

　　目前固定化微生物技术的方法分类多种多样，根据微生物细胞与载体的作用力及作用形式、微生物细胞被固定的状态以及载体的性质将固定化微生物技术分为以下五类：吸附法、包埋法、交联法、自固定化法和介质截留法。

　　1.1吸附法

　　吸附法在固定化微生物技术处理污水中是研究最早、应用较广泛、技术也较成熟的方法。在大多数生物膜反应器启动的早期，所应用的都是吸附法的原理。吸附法包括物理吸附和离子吸附两类。物理吸附是使用高度吸附能力的硅胶、活性炭等吸附剂将微生物吸附到表面使之固定化；离子吸附则是根据微生物在解离状态下因静电引力的作用而固着于带有相异电荷的离子交换剂上。该方法操作简单,微生物固定过程对细胞活性的影响小,条件温和。但这种方法结合的细胞数量有限,反应稳定性和重复性差,所固定的微生物数目受所用载体的种类及其表面积的限制[2]，所以需要进行改进。同时微生物与载体间的吸附强度也不够牢固,故载体的选择是关键。

　　1.2包埋法

　　包埋法是将微生物细胞截留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,或通过离子网络形成,或通过沉淀作用,或改变溶剂、温度、pH值使细胞截留。凝胶聚合物的网络可以阻止细胞的泄漏,同时能让底物渗入和产物扩散出来。包埋法又可分为高分子合成包埋、离子网络包埋及沉淀包埋。该法操作简单，对微生物活性影响小，可将微生物锁定在特定的高分子网络中，因此制作的固定化微生物小球的强度高。包埋法是目前制备固定化微生物最常用、研究最广泛的方法。

　　1.3交联法

　　交联法是利用两个或两个以上的功能基团，使微生物菌体相互连接成网状结构，即使功能基团直接与微生物细胞表面的反应基团如氨基、羟基等进行互联，形成共价键而达到固定化的目的。使用该方法,微生物细胞间的结合强度高,稳定性好,经得起温度和pH 值等的剧烈变化。但是由于在形成共价键的过程中反应条件过于剧烈，往往会对微生物细胞的活性造成较大的影响，而且适用于此类固定化的交联剂大多比较昂贵，因而其在实际应用中受到一定的限制。

　　1.4自固定化法

　　自固定化法又称为无载体固定化法，这种方法是一种全新的概念:在自絮凝颗粒形成过程中,同时形成了微生物的适宜生态环境,使之有利于微生物代谢之间的协调或者说有利于微生物之间生物信息的传递[3]。这种方法与其他的固定化方法相比，具有传质扩散阻力小，细胞颗粒整体活性高，固定化方法简单等优势，将在环境工程中的污水处理领域得到广泛的应用[4]。

　　1.5 介质截留法

　　介质截留法是通过特殊的孔网状结构将酶、微生物或动植物细胞等固定截留在具有特定功能的载体内，或将酶、微生物或动植物细胞限制在一定的空间范围内，微生物细胞不能透过此孔网结构，但底物和产物可以通过，从而实现废水的生化反应和分离同时进行。介质截留法可以通过控制介质的孔径选择性的控制底物和产物的扩散，防止微生物细胞的泄露，可以使基质与微生物细胞充分接触，从而有效的反应。所以介质截留法是一项很有发展前景的工艺。

　　2 载体的特点

　　要完成微生物的固定化，关键是要选择一种合适的微生物载体。不同的固定化微生物技术方法需要不同种类的载体。虽然随着材料学与生物学的不断发展与结合，关于各种固定化微生物方法的最适载体有待进一步的研究与讨论，但所有载体都应具备如下特点：（1）具有抗物理降解、抗化学降解、抗生物降解的稳定性，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）固定化方法简单、易行，固定化条件尽可能温和。（3）能够控制固定化微生物颗粒的大小和孔隙度。（4）载体所使用的材料价廉易得，固定化成本低。（5)固定化系统使底物、产物和其他代谢产物能够自由扩散。（6)载体对微生物来说是惰性的，不会损伤细胞。（7)单位体积的固定化系统拥有尽可能多的微生物，以便更好地起到生物催化作用。

　　3 固定化微生物技术的展望

　　各种固定化方面都有自身的优缺点，没有一种在所有污水处理中都适用的方法，在实际应用中要根据污水水质、水力负荷、操作条件等情况选择合适的方法。表一列举了各种固定化方法的比较。

　　表1 各种固定化方法的比较

　　Table 1 the comparison of immobilized microorganisms manner

　　

性能 吸附法 包埋法 交联法 自固定化法 介质截留法

固化成本 低 低 适中 低 适中 制备难度 易 适中 适中 易 适中 稳定性能 低 高 高 低 高 结合能力 弱 适中 强 适中 高 存活能力 高 高 低 适中 高 活性保留 高 适中 低 高 高 适用性能 适中 大 小 大 适中 空间位阻 小 大 大 小 大 载体再生 能 不能 不能 无 能

　　目前对固定化微生物技术虽然研究得很多,但是其在实际应用中尚存在许多问题，要将微生物固定化技术应用于废水处理的实际工程领域,还需要加强以下几方面的研究:

　　（1）目前的载体价格高,使用寿命短,耐用且廉价的新型微生物固定化载体或包埋材料的研究与开发将是促进微生物固定化技术推广应用、实现此技术工业化的关键问题。

　　（2）固定化材料、固定化方式、固定化条件等都对微生物细胞的活性有影响,对固定化细胞的稳定性也缺乏足够的研究。如何能得到固定化细胞的最佳活性,提高固定化细胞的稳定性、改善固定化技术处理效果是今后的一个研究重点。

　　（3）在废水处理过程中固定化微生物细胞可能对某些悬浮物质或高分子物质处理效果欠佳，还可能出现发胀上浮或堵塞粘结等现象，所以需对废水采取何种适当的物理、化学预处理，或与何种工艺组合使用有待进一步研究。

　　（4）废水中含有的污染物是一个十分复杂的混合体系,单一菌种无法达到较满意的效果,因此应该进一步加强混合微生物固定化体系的研究与开发,筛选、构建高效、廉价、抗逆性强的高性能微生物,在反应器中建立混合菌群组成的微生态环境，使各种固定化微生物发挥协同作用，拓宽可处理污染物的种类,提高处理效率。
参考文献：
[1]王建龙.生物固定化技术与水污染控制[M].北京:科学出版社,2002,2.
[2]沈耀良,黄勇,赵丹等.固定化微生物污水处理技术[M].北京:化学工业出版社,2002.265-266.
[3]白凤武.无载体固定化细胞的研究进展.生物工程进展,2000,20(2):32-36.