关键词: 固定化微生物;载体;水产养殖废水;脱氮;污染物降解

        当前，我国水产养殖业呈现出规模化、集约化的趋势。高密度的水产养殖增加了水产品产量，然而，水环境受到了明显的污染。水产养殖水污染物过多排放已成为限制我国水产养殖业可持续发展的一个关键问题。

在水产养殖废水处理技术中，微生物降解技术具有资源广泛、经济高效和环境友好等优点，已普遍应用于循环水养殖业［3-4］。影响微生物对污染物降解净化效果的关键因素有微生物数量、菌群种类和环境条件等。增加微生物数量的传统方法是向养殖水体直接接种微生物，但其受到不适宜生长的环境条件影响，且易随水体流失，处理效果往往不理想。

        此外，投加降解功能微生物后的微生物数量及活性保持时间长短也影响水处理效率［5］。微生物固定化（MIM）技术是一种采用物理或化学方法将特选的游离微生物限制或定位在有限的空间区域内，使其保持高度密集及较好的生物活性的一项生物技术［6-7］。通过 MIM 技术，生物反应器中生物量和浓度均大幅提高，处理能力增强，微生物保持活性的时间增加并能重复使用，可更高效地去除水产养殖废水中的污染物［8-9］。

近年来关于MIM技术的研究不断涌现［10-12］，应用于水产养殖废水处理的研究也较多，然而鲜有文章系统地进行评述。本文根据近年来国内外的MIM 技术最新研究成果，从固定化微生物选育、固定化方法、固定化载体选择等几个方面详细综述了目前MIM技术在水产养殖废水处理中的研究进展，以期为 MIM 技术在水产养殖废水处理中的研究和应用提供参考依据。 

       1 固定化微生物选育

        MIM 技术主要通过其固定的微生物来降解水产养殖废水的污染物，筛选耐受能力强高效且对特定污染物去除效率高的微生物对水产养殖废水调控起关键作用。MIM 用于净化水产养殖废水须满足本身安全、产物安全、无毒无害和可快速降解污染物等特点［13-14］，以下几种微生物常应用于 MIM 技术中。

         1.1 氮循环细菌

        包括厌氧氨氧化细菌、硝化细菌和反硝化细菌等。厌氧氨氧化细菌由于生长条件要求苛刻、生长速度较为迟缓等因素，在养殖废水脱氮中的应用受到限制。水产养殖废水处理环节中硝化细菌和反硝化 细 菌 应 用 广 泛［15］。 硝 化 细 菌 可 以 去 除 氨 氮（NH4+-N），对养殖生物非常重要。硝化细菌生长速度较为迟缓，容易被外界环境所干扰，在低温条件下非常敏感。固定化能显著提升硝化细菌受干扰和受低 温 的 能 力 ，对 去 除 NH4+-N 有 更 好 的 效 果 。

        MANJU等［16］利用木屑颗粒作为载体材料固定化硝化菌降解对虾养殖废水中的 NH4+-N，7 d 后可将NH4+-N从 15 mg/L降解为 0。陈坦林［17］等利用硅藻土和羧甲基纤维素钠作为载体材料复合固定化硝化细菌解决养殖水体中 NH4+-N 积累问题，12 h 的NH4+-N去除率可高达92.7%。硝化作用产生的硝酸盐氮经常出现累积，强化反硝化作用将改善这一现象。反硝化细菌将硝酸盐氮（NO3--N）进行生物还原，产生一系列中间产物，最终还原产物为氮气。一般认为这种反硝化发生在厌氧或缺氧环境，而近年来筛选出诸多性能优异的好氧反硝化细菌，如假单胞 菌 属（Pseudomonas sp.）、芽 孢 杆 菌 属（Bacillus sp.）和 产 碱 杆 菌 属（Alaligenes sp.）等 受 到 了 关注［18-19］。DENG 等［20］以海藻酸钠（SA）-高岭土载体固定假单胞菌 DM02 进行多循环水产养殖废水处理，NO3--N 在所有循环处理中都得到显著去除（>88.2%）。由于水产养殖废水中控制氮浓度的重要性，今后应重点加强除氮功能菌的研究，例如根据菌种之间协同作用，将硝化细菌与反硝化细菌制备复合菌剂经固定后应用于提高水产养殖废水的脱氮效率，优化复合菌剂制备条件、最佳固定化工艺等值得进一步研究。 

       1.2 光合细菌

       光合细菌是一类能够在厌氧条件下利用光能将无机物转换为有机物促进自身生长的原核微生物。

光合细菌有较强的环境适应能力耐污耐酸碱［21］，能降解亚硝酸盐氮（NO2--N）、NH4+-N和硫化物等而改善水体环境，并且可以作为饵料添加剂促进鱼类生长，在水产养殖业中已受到较多关注和研究［22］。易力等［23］以 SA 作为载体固定光合细菌修复养殖环境，水体中化学需氧量（COD）和NH4+-N浓度分别下降 54% 和 80%，溶解氧（DO）浓度大幅提高。陈颖等［24］以 SA-CaCl2固定光合细菌，15 d后与游离细菌相比，NH4+-N 去除率从 47.8% 提高到了 74.6%。光合细菌通过固定化增加比重改善了游离菌体沉降性能差的问题，使其在污水中可以保持良好的净水效果。近年来，采用固定化菌、藻协同处理水产养殖废水的技术也逐渐出现。刘娥等［25］利用 SA-CaCl2包埋固定化光合细菌及蛋白核小球藻处理养殖废水，其中藻球组、菌球组和菌藻球组对磷酸盐（PO43--P）去除率分别为57%、25%和76%。菌藻球组在24 ℃ 时对NH4+-N的去除率明显高于藻球组和菌球组，7 d去除率达 84.5%，但在 20 ℃及 28 ℃时效果不显著。

       菌藻球组优良的去除效率可能体现了藻、菌协同作用，但菌、藻之间的作用机制仍需进一步研究。由于水产养殖环境间差异大，养殖废水中的污染物不同，今后应用固定化菌藻处理水产养殖废水的研究重点应是复合微生物的筛选复配、以及固定化菌藻球的最佳应用条件等方面。 

        2 MIM方法

        典型的 MIM 方法主要有吸附法、包埋法、交联法。吸附固定化是通过载体与微生物之间的范德华力等物理吸附、或利用静电引力、离子吸附等，使微生物附着在载体表面及其孔隙中［26］，从而实现固定微生物（图1A）。该方法常选择活性炭、沸石和硅藻土等无机材料用作吸附载体，具有条件温和、操作简单、无毒和成本低廉等优点。包埋固定化是通过物理或化学作用将微生物限定在高分子凝胶聚合物的孔隙空间内［27］，从而完成固定化（图1B）。该方法常选择海藻酸盐、聚乙烯醇（PVA）和琼脂等高分子材料用作包埋载体［28］，微生物高度密集，制备的固定化小球机械强度高。该方法对水产养殖废水水质调控的机理是通过载体的立体网状结构固定微生物，保护微生物不受外界冲击，水中污染物扩散到载体内部实现水质净化。交联固定化不利用载体材料，通过交联试剂与细胞表面反应基团形成共价键，以共价键为结合力达到固定微生物的目的（图 1C）。

交联固定法的微生物与载体结合强度高、稳定性好。

        在吸附固定化中，由于微生物和载体材料之间结合力弱，被固定的微生物容易外泄和流失［29］，这是该方法目前存在的问题。在包埋固定化法中，高分子载体材料对基质运输有一定阻力，克服传质阻力是包埋法需要研究解决的主要问题［30-31］。在交联固定化中，交联剂价格昂贵，化学反应强烈，影响微生物的活性以及存在毒性问题［32］。
综上所述，常见MIM 方法的原理、载体和优缺点均有所区别（见表1），交联法在水产养殖废水处理应用中受到一定限制，常用的是吸附法和包埋法。 

       3 MIM载体选择

       MIM 载体材料的选择是影响 MIM 过程的重要因素之一。理想的固定化载体一般应有以下特点［33-36］：对微生物无毒无害，不影响微生物活性；固定化后微生物细胞密度大；孔隙度、比表面积大；有较高的细胞容量，传质性能好；固定化操作方便，材料便宜易得；性能稳定，长久使用；载体材料对养殖动物安全。 MIM载体材料按照属性可以分无机载体、天然有机载体、有机合成高分子载体和新型复合载体等，其性能优劣主要从机械强度、生化稳定性、传质性能、与细胞结合力和可重复使用性等方面进行比较（见表2）。

       3.1 无机载体

        常用的天然无机载体有沸石、硅藻土、膨润土和沙粒等；常见的合成无机载体有活性炭（AC）、陶粒、石英砂、泡沫金属和多孔玻璃等。无机载体相对价格低廉容易获得并且一般为多孔结构，载体表面积较大，适合微生物附着生长；其传质性较好，气体可以快速扩散，提高氧气浓度；材料价格低廉、且使用寿命较长。利用无机载体吸附微生物强化生物反应器可以提高系统对污染物的去除率，例如车鉴等［37］采 用 序 批 式 活 性 污 泥（Sequencing batch reactor，SBR）工艺的生物反应器利用硅藻土为载体吸附固定好氧活性污泥处理 NH4+-N 浓度约为 50 mg/L 的养殖废水，34 d 稳定期后，NH4+-N 浓度和 COD 分别降低 98.9% 和 76.6%，NO2--N 质量浓度低于 0.028mg/L。SHAO 等［38］用制备的玉米秸秆生物炭固定鞘氨醇单胞菌和不动杆菌吸附中华绒螯蟹循环养殖中污染物，发现与游离菌株相比，生物炭固定菌株对NH4+-N、NO2--N、NO3--N 和总磷（TP）的去除率分别提高了 16%、14%、17% 和 19%。并且无机载体固定微生物可以实现重复利用，例如杨萌等［39］利用沸石为 载 体 ，吸 附 固 定 耐 盐 脱 氮 菌 卓 贝 尔 氏 菌（Zobellella sp.）来控制海水养殖系统中NH4+-N的浓度。在第 24 h 时可去除最高为 90 mg/L 的 NH4+-N。

        固定化脱氮菌在重复使用5次后沸石没有表现出明显变化。无机载体使用寿命长，然而结合微生物细胞的能力较弱，改善微生物易脱落流失问题实现更高的使用时效需进一步研究。 

       3.2 天然有机载体

       常用的天然有机载体有琼脂、海藻酸盐（例如SA）、壳聚糖、稻壳、甘蔗渣等。它们传质性能良好，固定化操作简单，对微生物无毒。以 SA 为例，它还具有成本低廉和生物相容性好等优点，在水产养殖废水处理技术研究中受到广泛关注。陈文宾等［40］使用SA包埋固定鞘氨醇单胞菌，制备固定化小球控制海水养殖废水中的 COD，在设定条件下 COD 降解率可达到80%。但SA属于天然高分子多糖类，稳定性能较差易溶解问题需要改进［41］。此外，稻壳、甘蔗渣等天然生物质载体常见易得、价格低廉、无毒害，并具有一定的孔隙率为微生物提供生长空间，近年来应用广泛。且在生物脱氮过程中，天然生物质载体也可作为缓释碳源被微生物分解利用，生物质的清洁来源也是其利用的主要优势。王贤丰等［42］在海水曝气生物滤池中利用甘蔗渣为载体填料固定芽孢杆菌，并且以此为基础构建水处理系统降解NH4+-N和NO2--N。该系统26 d即挂膜成功，生物滤池中水体 NH4+-N 和 NO2--N 质量浓度分别控制在0.2、0.05 mg/L 以下。然而，天然有机载体存在机械性能较低、稳定性较差、微生物易流化等缺陷，需加强这方面的研究。 

       3.3 合成有机高分子载体

       合成有机高分子载体主要有聚乙二醇（PEG）、聚氨酯泡沫（PU）、PVA、聚丙烯酰胺（PAM）和海绵等。它们大部分对微生物少有毒害，化学稳定性能较好，机械强度高。耿佳等［43］通过使用经壳聚糖改性后的聚氨酯泡沫为载体材料固定微生物，处理曝气生物滤池中的浓度为460 mg/L的NH4+-N，改性后的聚氨酯泡沫孔隙率可达到 99%，微生物负载量可达 279.4 mg/g，NH4+-N 浓度和 COD 分别降低 83.4% 和90.9%。

目前 PVA载体在水产养殖中的研究比较广泛，其具有机械性能好、稳定性高、对细胞无毒和成本低廉等优点。PVA 载体由于传质性能问题，应用受到限制，可与天然有机载体搭配使用改善性能，PVA-SA固 定 菌 球 的 脱 氮 率 均 优 于 单 载 体 固 定［44］。

        PEIRONG 等［45］发现利用 PVA 和 SA 包埋固定的沼泽红假单胞菌，有助于在闭式循环水养殖系统中维持鱼类健康，虹鳟鱼、鲤鱼鱼负荷可达到（45±3）kg/m3，耗水量减少 80%～90%。系统中 NH4+-N浓度降低 80%～95%，NO2--N 浓度降低 80% 以上。ZHAO等［46］以 PVA、SA 为载体包埋固定从养殖环境底泥中富集的去除硫化物的原生微生物群，利用固定化小球去除底泥和水体中的硫化物，在硫化物初始浓度为 600 mg/L 时，经过 5 次循环后固定化小球对硫化物的去除率仍能达到 85% 以上。更多研究表明［47-49］，合成高分子载体材料在稳定性、耐生物降解性具有明显优势，但是存在固定化过程较为复杂及传质性能问题，仍需要进一步改进以提高应用的实用性。

        3.4 新型复合载体

       新型复合载体包括改性优化的新型载体和将多种传统载体材料结合的复合载体。新型载体是通过在载体研制的过程中添加改性物质，或通过对载体的表面基团或孔结构做出改性优化。杨平等［50］利用经NaOH处理的改性后的稻壳为载体材料固定活性污泥，处理模拟养殖废水达到脱氮目的；改性稻壳载体同时可作为碳源，且与蔗糖和淀粉相比改性稻壳表现出了更好的提供碳源性能；在硝化-反硝化系统中，NH4+-N 质量浓度降低了 90% 以上，NO3--N 和NO2--N含量接近于0，并解决了有机物残留的问题。

改性后制得的载体能够提升微生物负载量及与微生物的结合力以强化微生物的处理效果。目前改性材料的研究均处于实验室阶段，对实际水产养殖废水的处理有待进一步研究。

        复合载体通常是无机载体与有机载体的复合汇集各载体的优点，改善原载体的性能，具有更好的应用前景［51］。SHAN等［52］利用溶藻弧菌以 SA和甘蔗渣作为载体，去除NH4+-N和NO2--N。固定化微珠后降解 NH4+-N 和 NO2--N 质量浓度分别低于 1.5 mg/L和 1.6 mg/L。 NO2--N 质 量 浓 度 经 过 2 d 降 低 了87.1%，4 d后降为0。李华等［53］选用荔枝核、PVA和SA 为载体材料同时作为复合固体碳源接种反硝化细菌，脱氮过程中，3 d时复合碳源处理的 NO3--N去除率约为 100%，且 NO2--N 含量约为 0；发现粒径为75 μm 和 150 μm 的荔枝核复合碳源能高效地去除NO3--N，具有良好的孔隙结构，在水产养殖废水处理中具有应用潜力。目前单一载体的应用均存在局限性，复合载体的利用在脱氮过程中表现优异，适合水产养殖业载体材料的开发是微生物固定化研究的重点。

陈进斌等［54］选用 PVA、SA 及硅藻土为载体材料，将某海水养殖场底泥中分离得到的 3 株好氧反硝化细菌制备复合菌剂后，制备固定化小球强化循环式活性污泥（CAST）系统；投加固定化小球的CAST 反应器中对海水养殖废水中 COD 降解能力显著提高，去除率达到83%，无机氮和磷酸盐的去除率可分别维持在 99% 和 96% 以上。魏大鹏等［55］选择二氧化硅为吸附材料，以PVA-SA为包埋材料，氯化钙硼酸溶液为交联剂，对复合菌株进行吸附-包 埋-交联复合固定后，降解养殖水体中 NH4+-N 和NO2--N。固定化小球比表面积大，载菌量达到6×108CFU/个，水体 24 h 的 NH4+-N 和 NO2--N 浓度分别下降96%和98%。通过该复合方法制备的固定化小球载菌量高，脱氮性能优异具有良好的应用潜能。根据处理实际养殖废水条件，选择合适的吸附、包埋材料结合使用，采用吸附-包埋-交联法固定优势微生物，对微生物、固定化载体、固定化方法协同优化应成为今后的研究热点。

       4 结语与展望

        MIM 技术能有效调控水产养殖废水处理中的优势微生物，提高污染降解效率，在水产养殖废水处理领域发展迅速并有良好的应用潜力。然而，一些关键技术及机制仍然面临挑战，需继续深化研究。

此外，还需将材料科学、生物技术以及水处理技术等学科结合加大其研究力度。未来的研究需要关注以下几个方面：

 1）筛选与构建高效复合菌种。对于拥有多种污染物的水体环境，如使用单一菌种进行处理，很难达到预期对水体的净化效果，今后如何构建高效复合菌种、确定复合菌种的最佳固定化条件应深入研究。 

2）寻找并研制新型价格低廉、具有多孔结构的材料制备可重复使用的载体。目前新型复合载体的研究大多处于实验室阶段，因此在集约化养殖过程中，先进载体材料的开发将成为今后的重点研究方向。

3）协同优化微生物和固定化载体、固定化方法。

通过研究选取最合适的固定化载体，采用最佳的固定化技术，使处理养殖废水时的微生物活性能够处于最佳状态，从而达到最优的处理效果

 

原标题：微生物固定化技术处理水产养殖废水研究进展

原作者：马洪婧　　刘 鹰　吴英海　　韩 蕊