微藻固定化技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測和污水處理中的應(yīng)用

于光輝等

摘 要 通過從固定化藻類所用材料和方法上介紹了微藻固定化技術(shù)，闡釋了固定化對藻類生理的影響，綜述了固定化微藻在環(huán)境監(jiān)測和污水處理方面的應(yīng)用，并對微藻固定化技術(shù)的應(yīng)用前景進行了展望。

關(guān)鍵詞 微藻；固定化；藻類生理；環(huán)境監(jiān)測；污水處理

中圖分類號：X703 文獻標志碼：B 文章編號：1673-890X（2014）21--02

微藻是地球上分布最廣、最原始的一類營光自養(yǎng)、異養(yǎng)或兼養(yǎng)的低等生物。微藻具有生長周期短、光合作用效率高、油脂含量高及產(chǎn)品附加值高等諸多優(yōu)點。固定化細胞技術(shù)，是指將具有一定生理功能的生物細胞，如微生物細胞、植物細胞或動物細胞等，用一定的方法將其固定，作為固體生物催化劑而加以利用的一門技術(shù)。固定化能夠顯著提高細胞的穩(wěn)定性、壽命等，且便于自動化操作。微藻的固定化技術(shù)類似于固定化細胞技術(shù)，不同的是光能營養(yǎng)型微藻的生長需要提供光照條件。當前，微藻固定化作為一種重要的技術(shù)手段，已成為研究熱點，其應(yīng)用研究主要集中在種質(zhì)保藏、能源生產(chǎn)、重金屬污染物去除及毒性檢測等方面，而在環(huán)境檢測、污水處理和水質(zhì)凈化等方面的綜述報道有限。由此，綜述了微藻固定化技術(shù)及其在環(huán)境檢測和污水處理等方面的應(yīng)用進展。

1 微藻的固定化技術(shù)

微藻的固定化技術(shù)主要有3種：包埋法、侵入吸附法和偶聯(lián)法。包埋法的原理是將微藻細胞截留在水不溶性的凝膠聚合物的網(wǎng)絡(luò)空間中，通過聚合作用或通過離子網(wǎng)絡(luò)形成，或通過沉淀作用，或改變?nèi)軇囟?、pH使微藻細胞截留。該法操作簡單，且具有高的保留容量，對細胞無毒性，從理論上說細胞和載體間沒有束縛，對微生物活性影響小，顆粒強度高，適合大多數(shù)藻類的固定化，因此包埋法成為目前應(yīng)用最廣泛的微藻固定化方法。包埋法常用的載體有：瓊脂、藻酸鹽、交叉菜糖、骨膠原和果膠等。侵入吸附法主要是利用微藻細胞的侵入和集落的特性，微藻細胞可通過靜電吸附結(jié)合在固相載體表面，固相載體表面可形成單層和多層的微藻細胞層，纖絲狀藻類在固定化基質(zhì)上具有侵入和集落的能力，利用藻類的這一特性可將其固定在基質(zhì)上。這種固定化技術(shù)操作簡便，成本低廉，但吸附法可固定細胞量有限，固定的細胞易脫落。吸附法常用的固相載體包括纖維素載體和無機載體，這些固相載體往往還需進行表面修飾以增強對微藻的吸附力。偶聯(lián)法主要是通過具有多個相同功能基團的偶聯(lián)劑與微藻細胞表面的基團反應(yīng)，從而使微藻細胞相互連接呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而達到固定的目的。此方法操作簡單，固定的微藻細胞穩(wěn)定，但固定過程中的劇烈反應(yīng)對微藻細胞會產(chǎn)生一定傷害，影響微藻細胞活力。

就目前的研究進展而言，微藻固定的3種方法中，吸附法和包埋法具有操作相對簡便、成本較低、對細胞傷害較小等優(yōu)點而被廣泛采用。但因為吸附法具有細胞保留量較小的弱點，固包埋法成為目前最為廣泛應(yīng)用的固定方法。

2 固定化對微藻的影響

微藻經(jīng)固定化處理后，由于生活環(huán)境的改變，微藻細胞會受到一定的影響。有研究表明，藻類細胞的形狀受固定化影響不大，但其細胞大小會受到一定影響，海藻酸鈉固定的叢粒藻平均直徑增大約2倍，而海藻酸鈣固定的小球藻形成直徑略小的細胞。有學(xué)者認為，微藻細胞大小的改變是由于固定微藻細胞生理活動的改變和CO2在載體中的擴散受到限制等因素造成。藻類固定后，微環(huán)境發(fā)生改變，有一段“傷害期”或“適應(yīng)期”，生長率通常比自由細胞略低，但最終產(chǎn)量高于自由細胞。

微藻經(jīng)固定之后，其生長和生理特性發(fā)生了變化，其對氮、磷和重金屬等物質(zhì)的吸收和富集能力得到了提高。但目前這方面的機理研究還不系統(tǒng)，有研究學(xué)者認為固定化能一定程度上提高微藻的合成代謝活性，并在一定程度上降低微藻的分解代謝活性，延遲衰老。但另有研究表明固定化會對某些藻類細胞的正常新陳代謝產(chǎn)生一定的負面影響，會使微藻細胞與載體間產(chǎn)生一定壓力，限制了微藻的活動范圍。微藻細胞受到固定化載體的束縛，細胞代謝過程受到影響，細胞的生長分裂被抑制，一定程度上減緩了微藻的生長速度?？傊壳搬槍潭ɑ夹g(shù)對微藻影響的研究還不夠系統(tǒng)，許多影響機理還需進一步深化研究，很多影響因素還需進一步系統(tǒng)研究。

3 微藻固定化技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測和污水處理中的應(yīng)用

微藻是水相環(huán)境中的第一營養(yǎng)水平，微藻細胞的比表面積高，其對環(huán)境中不同的污染物具有較高的敏感性，因此在水環(huán)境監(jiān)測中，微藻可作為一種重要的檢測工具。微藻對抑制光合作用的化合物非常敏感，如某些除草劑、重金屬等，其對污染物的敏感度比大多數(shù)魚類和脊椎類動物都高。固定化微藻應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測也得到了美國環(huán)保署、國際經(jīng)合與發(fā)展組織、國際標準化組織等的認可。

固定化微藻在廢水處理中的應(yīng)用包括脫氮除磷、吸收污水中重金屬、去除污染水體中的烴類化合物等。

微藻固定化后，藻細胞密度高，抗性提高，反應(yīng)速度快，運行穩(wěn)定可靠。固定化微藻能在生物處理裝置內(nèi)維持高濃度的生物量，在處理裝置體積相對減少的同時，處理負荷得到顯著提高。另外，根據(jù)需要選擇固定優(yōu)勢藻種，可針對性地解決不同水體污染問題。例如，處理含氮、磷豐富的生活污水，可選擇小球藻和柵藻等藻種；處理含酚類的印染廢水，以選擇顫藻為主，這樣可提高對廢水中的污染物的轉(zhuǎn)化率或降解效率。De Bashan等的研究表明，將小球藻固定到多聚糖凝膠中對生活污水具有較高的處理效果，3 d內(nèi)對NH4+和PO43-的去除率分別高達95%和99%，而在同等條件下，直接用懸浮態(tài)的藻細胞進行污水處理，氮、磷的去除率僅為50%。Akhtar Nasreen等的研究表明固定化小球藻可以高效去除水溶液中的Cr3+，吸附處理效率高達98%。

此外，將藻和菌混合固定培養(yǎng)，對水體中氮、磷的去除有顯著效果。薛嶸等的研究表明，將藻與菌用改進的硫酸鹽PVA固定化法混合固定，并用于廢水中脫氮除磷，結(jié)果表明在不同藻菌比的情況下，固定化系統(tǒng)對氮去除率均可達100%。

4 展望

微藻固定化技術(shù)在國外已被廣泛研究和應(yīng)用，但我國微藻固定化技術(shù)研究工作還處于起步階段，而微藻固定化方法大多因藻而異，某種固定化方法只適應(yīng)一定種類的微藻，這對微藻固定化技術(shù)的應(yīng)用推廣帶來一定的困難。因此，尋找一種具有普遍性且成本較低的微藻固定化方法，是微藻固定化技術(shù)及應(yīng)用研究的當務(wù)之急。

固定化微藻技術(shù)在廢水處理方面有廣闊的應(yīng)用前景，但因固定化材料昂貴、未開發(fā)出成型的固定化微藻傳感器等因素限制，還無法適用于大規(guī)模的廢水處理，其在污水處理和環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用還處于試驗室研究階段，有待于今后從固定化對象選取、載體材料優(yōu)化和高效反應(yīng)器制備等方面加大研發(fā)力度，推動技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

參考文獻

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（責(zé)任編輯：劉昀）endprint