微生物絮凝劑在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用展望

羅亮，趙志剛，都雪，徐奇友

（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，黑龍江 哈爾濱 150070）

微生物絮凝劑在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用展望

羅亮，趙志剛，都雪，徐奇友

（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，黑龍江 哈爾濱 150070）

微生物絮凝劑可降解、易分離，降解產(chǎn)物對環(huán)境無毒無害，不產(chǎn)生二次污染，廣泛應(yīng)用于水處理中。本文綜述微生物絮凝劑產(chǎn)生菌（絮凝菌）的種類與培養(yǎng)、絮凝機(jī)理及其在工農(nóng)業(yè)污水處理中的應(yīng)用，尤其是在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用，提出構(gòu)建以生物絮團(tuán)技術(shù)為基礎(chǔ)的我國節(jié)水減排型池塘養(yǎng)殖模式。

微生物絮凝劑；水產(chǎn)養(yǎng)殖；生物絮團(tuán)；節(jié)水減排

近年來，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)飛速發(fā)展。2014年我國水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量為4 748.41萬t，占我國水產(chǎn)品總產(chǎn)量的73.49%[1]。隨著養(yǎng)殖模式從傳統(tǒng)粗放型到高密度集約型發(fā)展，養(yǎng)殖水體自身污染問題日益凸顯[2]：高污染、高投入和低效益限制水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，負(fù)面效應(yīng)愈加顯現(xiàn)；養(yǎng)殖中飼料利用率較低，大量殘餌、生物代謝物以及動(dòng)植物尸體厭氧發(fā)酵等使養(yǎng)殖水體有機(jī)物、無機(jī)氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)超標(biāo)，養(yǎng)殖水體的理化和生態(tài)環(huán)境惡化；大量工業(yè)廢水、生活污水排入使養(yǎng)殖水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化[3]。因此，探求高效、安全的修復(fù)養(yǎng)殖池塘環(huán)境措施，構(gòu)建健康生態(tài)的養(yǎng)殖技術(shù)模式是我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。微生物絮凝劑是利用現(xiàn)代生物技術(shù)，在微生物或微生物的分泌物中通過發(fā)酵、抽提等過程制得的無毒、無二次污染的新型高效水處理劑。它廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水、城市生活污水及供給水處理等，而將其作為水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理劑的卻不多。本文綜述微生物絮凝劑產(chǎn)生菌種類與培養(yǎng)、絮凝機(jī)理、微生物絮凝劑在工農(nóng)業(yè)廢水處理過程中的應(yīng)用等最新進(jìn)展，重點(diǎn)展望微生物絮凝劑在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用前景。

1 微生物絮凝劑產(chǎn)生菌

1.1 絮凝劑產(chǎn)生菌的種類

微生物絮凝劑是微生物在生長代謝過程中所獲得的一類具有絮凝作用的大分子活性物質(zhì)。最早由Louis Pasteur發(fā)現(xiàn)，他觀察到發(fā)酵液中的酵母可以使細(xì)菌相互聚集并沉淀下來。美國學(xué)者Butterfield首先從活性污泥中篩選并分離到微生物絮凝菌。目前，至少發(fā)現(xiàn)了60種微生物絮凝菌，廣泛分布于土壤、水體中[4]。這些絮凝菌包括細(xì)菌、放線菌、真菌和藻類等[5]，其中研究較多的細(xì)菌有節(jié)桿菌屬[6]Arthrobactersp.、Kurane等[7]從旱田土壤篩選的紅平紅球菌Rhodococcus erythropolis，和Suh等[8]分離的芽胞桿菌屬Bacillus sp.；放線菌主要有Salehizadeh等[9]報(bào)道的諾卡氏菌屬Nocardiasp.和Nakamura等[10]報(bào)道的酒紅色鏈霉菌Streptomyces vinaceus；真菌主要有醬油曲霉[9]Aspergilus sojae、釀酒酵母[11]Saccharomyces cerevisiae和擬青霉屬[12]Paecilomyces sp.等；藻類中能作為產(chǎn)絮凝微生物的種類較少，已經(jīng)報(bào)道的主要是項(xiàng)圈藍(lán)細(xì)菌Anabaenposis circularis、沙漠眉藻Calothrix desertica和席藻屬Phormidium sp.[9]。由于它們的化學(xué)組成、活性、絮凝范圍、合成分泌條件各不相同，在實(shí)際應(yīng)用中具有較大的選擇空間。日本從20世紀(jì)70年代開始篩選絮凝劑產(chǎn)生菌，從活性污泥和土壤中篩選到大量不同類型的產(chǎn)絮凝劑微生物[7]，20世紀(jì)80年代開始研究絮凝劑的化學(xué)特性及其產(chǎn)生條件，向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。近十年來，人們開始探索絮凝劑的組成結(jié)構(gòu)和產(chǎn)絮凝劑的相關(guān)基因。我國對微生物絮凝菌的研究起步較晚，但也取得很大進(jìn)展。鄧述波等[13]、王鎮(zhèn)等[6]、劉紫娟等[14]分別篩選出不同的絮凝菌株，研究其絮凝特性；馬放等[15]首次提出復(fù)合型微生物絮凝劑的概念，研究實(shí)際應(yīng)用開發(fā)問題；李霞等[16]從活性污泥中獲得具有較高絮凝活性的混菌株MBFH，利用正交試驗(yàn)優(yōu)化培養(yǎng)條件，使其絮凝率提高到88%。

1.2 絮凝劑產(chǎn)生菌的培養(yǎng)條件

1.2.1 培養(yǎng)基的組成

培養(yǎng)基類型眾多，根據(jù)所選擇目標(biāo)菌的作用而選擇不同的篩選培養(yǎng)基。培養(yǎng)基的組成主要包括以下三種物質(zhì)：①碳源。它為微生物的生長繁殖提供能量，選擇適宜的碳源對微生物的生長及降低生產(chǎn)成本具有重要作用[17]。Kurane等[18]研究發(fā)現(xiàn)，用果糖為碳源培養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌，所獲得的絮凝劑數(shù)量要多于其他碳源；利用葡萄糖、半乳糖和果糖等作為碳源所產(chǎn)生的絮凝劑質(zhì)量也要優(yōu)于淀粉和麥芽糖。②氮源。它為微生物合成蛋白質(zhì)提供氮素，選擇適宜的氮源及組成比例對微生物的繁殖具有重要作用[19]。Kurane等[18]發(fā)現(xiàn)，以尿素和硫酸銨作為氮源可以促進(jìn)絮凝菌的繁殖，加快微生物產(chǎn)生絮凝劑。適宜的碳氮比也是培養(yǎng)基組成的關(guān)鍵。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，碳氮比為60～114時(shí)，絮凝活性較高，而碳氮比低于60或高于114時(shí)絮凝活性大幅降低[20]。③金屬離子。它影響絮凝菌的生長及絮凝劑的產(chǎn)生。連賓等[21]研究發(fā)現(xiàn)，不同金屬離子顯著影響硝酸鹽細(xì)菌GY03菌株的絮凝活性。顧美英等[22]從新疆荒漠土壤中篩選出一株絮凝菌新菌株，即歐文氏菌屬Erwinia sp.，鈣離子（Ca2+）具有良好的助凝效果。宮小燕等[23]研究表明：鈣離子（Ca2+）、鎂離子（Mg2+）、錳離子（Mn2+）和鐵離子（Fe3+）等二價(jià)、三價(jià)金屬離子能促進(jìn)絮凝菌Bacillus sp.B-2的絮凝作用，且促進(jìn)作用隨著Ca2+濃度的增加而加強(qiáng)。

1.2.2 培養(yǎng)基的pH

每種微生物絮凝菌均有其最適pH范圍。Kurane等[18]在堿性環(huán)境條件下篩選出Rhodococcus erythropolis，其最適pH為8.0～9.5。鄧述波等[24]從霉菌中篩選出曲霉屬Aspergillus sp.寄生菌株，在初始pH為3.0時(shí)對高嶺土有很強(qiáng)的絮凝性。

1.2.3 培養(yǎng)溫度

培養(yǎng)溫度影響微生物產(chǎn)生微生物絮凝劑。一般來說，多數(shù)產(chǎn)生絮凝劑的微生物的最佳溫度為25～35℃。高溫會(huì)改變絮凝劑的蛋白質(zhì)或肽鏈結(jié)構(gòu)，低溫也會(huì)使絮凝菌的生長變慢[25]。

1.2.4 通氣量

大部分微生物絮凝菌都是好氧菌，在早期培養(yǎng)階段要提高通氣量以促進(jìn)微生物的生長，中后期要根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整通氣量[25]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，過高的通氣量雖然對紅球菌屬Rhodococcus sp.的細(xì)胞生長繁殖沒有影響，但卻會(huì)顯著降低其絮凝劑的產(chǎn)生量。

1.2.5 培養(yǎng)條件的優(yōu)化

培養(yǎng)基成分、pH、溫度及通氣量等因素對微生物絮凝菌的繁殖及絮凝劑的產(chǎn)生具有重要的影響，通過正交試驗(yàn)等方法對培養(yǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化，得出各因素對產(chǎn)絮凝劑微生物影響顯著性的大小和各因素的最佳水平，確定最佳培養(yǎng)條件[26]。

1.3 研究方向

雖然人們對微生物絮凝劑及絮凝劑產(chǎn)生菌已有多年研究歷史，但是研究內(nèi)容及深度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，目前的研究主要集中在絮凝菌篩選、鑒定及培養(yǎng)條件優(yōu)化等方面，大規(guī)模絮凝劑生產(chǎn)及應(yīng)用的研究較少。今后微生物絮凝劑及絮凝劑產(chǎn)生菌的研究方向應(yīng)側(cè)重在以下幾點(diǎn)：①深入研究微生物合成條件、影響因素以及絮凝菌基因等，利用基因工程手段來改造并獲得具有高效絮凝活性的工程菌；②加強(qiáng)分析微生物絮凝劑本身組成特性，研究絮凝機(jī)理，從根本上掌握微生物絮凝劑的性質(zhì)；③增強(qiáng)對復(fù)合型微生物絮凝劑的應(yīng)用研究，摸索出其最適復(fù)合比例等；④選擇價(jià)格低廉、可替代的產(chǎn)微生物絮凝劑培養(yǎng)基，如利用制糖工業(yè)中所產(chǎn)生的糖蜜作有機(jī)碳源可以促進(jìn)微生物絮凝菌的生長。

2 絮凝機(jī)理的研究

微生物絮凝劑是由微生物細(xì)胞體或其代謝物獲得的具有一定絮凝性能的活性物質(zhì)。微生物絮凝劑種類不同，其絮凝劑性質(zhì)和絮凝機(jī)理也不相同。目前有關(guān)絮凝機(jī)理的學(xué)說主要有以下幾種，其中被廣泛接受的是架橋?qū)W說[27,28]，即絮凝劑利用化學(xué)鍵中的離子鍵、氫鍵結(jié)合一些顆粒物質(zhì)，在顆粒物質(zhì)之間起到“橋梁”作用，連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而沉淀。Levy等[29]在研究絮凝劑絮凝膨潤土的過程中測定等溫線和Zeta電位，得到絮凝劑是以“架橋方式”進(jìn)行絮凝。國內(nèi)也有很多學(xué)者試驗(yàn)驗(yàn)證了架橋?qū)W說。王志等[30]研究發(fā)現(xiàn)，微生物絮凝劑G5主要通過架橋絮凝來絮凝高嶺土；張媛媛等[31]測定微生物絮凝劑MBFGA1的有效成分，推測其主要為吸附架橋；鄧述波等[32]研究發(fā)現(xiàn)：從硅酸鹽芽孢桿菌得到的微生物絮凝劑MBFA9分子量較大，含有適宜的羧基，使絮凝劑分子充分伸展，較好地發(fā)揮吸附架橋作用。部分學(xué)者也提出其他的絮凝機(jī)理并進(jìn)行驗(yàn)證，如電性中和學(xué)說、卷掃作用及化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等。Takeda等[33]、Wang等[34]通過加入金屬離子或者調(diào)解pH等方法來改變絮凝劑的帶電性，進(jìn)而影響其絮凝效果，驗(yàn)證了電性中和學(xué)說；Hantula等[35]從溫度影響絮凝效果推測絮凝機(jī)理是通過化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。

3 微生物絮凝劑在水處理中的應(yīng)用

微生物絮凝劑因來源廣泛、環(huán)保、無二次污染等成為普遍采用的一種水處理劑，廣泛應(yīng)用于城市生活污水、工業(yè)廢水、燃料廢水、建材廢水處理中。①城市生活污水處理。國內(nèi)的河流和湖泊及其他水體均受到不同程度的城市生活污水污染，嚴(yán)重威脅生活飲用水、畜牧養(yǎng)殖用水。牛志卿等[36]從污水處理廠的回流污泥中分離并純化出微生物絮凝菌TJ3，通過改變微生物絮凝劑和助凝劑CaCl2溶液的添加量，最終發(fā)現(xiàn)TJ3菌株對果汁懸濁液、豆?jié){懸濁液絮凝率高達(dá)80%，對淘米廢水絮凝率達(dá)到78%。莊源益等[37]通過添加細(xì)菌、酵母等方式處理城市生活污水，有效降低水體中的CODCr和BOD5。②工業(yè)廢水處理。周本軍和林波[38]利用絮凝劑MNb-1處理靛藍(lán)廢水，發(fā)現(xiàn)在靛藍(lán)廢水pH12、助凝劑量為2.4mL、微生物絮凝劑量為0.3～0.4mL條件下去除率高達(dá)88.5%。劉彬彬等[39]用微生物絮凝劑處理造紙中段廢水，發(fā)現(xiàn)微生物絮凝劑M-2對廢水中CODCr去除率達(dá)70%左右，濁度去除率高達(dá)90%以上，其絮凝效果優(yōu)于傳統(tǒng)絮凝劑。③染料廢水脫色。染料廢水是一類色度和有機(jī)物含量高的難降解廢水。微生物絮凝劑可凝聚不易沉淀的懸浮顆粒物、膠體顆粒物等，在染料廢水處理中應(yīng)用較多。趙軍等[40]篩選出兩株菌株（ZJTL2、KJTD6）進(jìn)行復(fù)合培養(yǎng)，以處理印染廢水，在最優(yōu)條件下COD和色度去除率超過80%。在微生物絮凝菌液投入量為2mL、培養(yǎng)90h、pH5～7的條件下，染料廢水中CODCr的去除率達(dá)57.1%[41]。④建材廢水處理。利用微生物絮凝劑處理懸浮物含量高的建材廢水，濁度去除率也高。楊如柱等[42]從土壤中分離篩選出三種菌株A91、A92、A2處理涂料廢水，最高廢水絮凝率為78.1%。

4 微生物絮凝劑在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用前景

近年來，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展。然而，過低的飼料利用率導(dǎo)致大部分所投喂的飼料仍然以氮、磷等形式存在于養(yǎng)殖廢水中[43]。這些水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水大量排入河流、湖泊甚至海洋中，造成水體的富營養(yǎng)化甚至發(fā)生赤潮等災(zāi)害。建立一套適合我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的高效健康養(yǎng)殖技術(shù)模式[44]，改善養(yǎng)殖水環(huán)境成為我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。Hende等[45]利用微藻細(xì)菌絮凝技術(shù)規(guī)模化處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水。用益生菌等微生物制劑調(diào)控水產(chǎn)養(yǎng)殖水體[46]、生物浮床技術(shù)[47]、人工濕地凈化技術(shù)[48]等也廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理和凈化過程中。以色列養(yǎng)殖專家Avnimelech提倡的生物絮團(tuán)技術(shù)具有降低飼料消耗、減少養(yǎng)殖污水排放等優(yōu)點(diǎn)，是比較先進(jìn)的水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)之一[49]，目前在對蝦、羅非魚養(yǎng)殖中應(yīng)用較多。趙志剛等[50]也將其應(yīng)用于我國北方地區(qū)鯉池塘養(yǎng)殖中并取得較好的效果。

與工業(yè)廢水、城市生活污水相比，水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的特點(diǎn)是：①碳、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)含量較高，可以促進(jìn)微生物的生長繁殖；②CODCr、BOD5及固體懸浮物等相對含量較低，易于處理[51]。這些都是應(yīng)用微生物絮凝劑處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的重要基礎(chǔ)。生物絮團(tuán)技術(shù)在我國水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用尚處于起步階段。通過微生物富集、分離純化，篩選出適合養(yǎng)殖池塘應(yīng)用的高效微生物絮凝劑產(chǎn)生菌群，應(yīng)用到養(yǎng)殖池塘中，通過其分泌的微生物絮凝劑來促進(jìn)生物絮團(tuán)在池塘中的形成，以改善池塘水環(huán)境，降低飼料系數(shù)、促進(jìn)生長等作用，最終形成一套適合于我國水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘的高效、健康、節(jié)水養(yǎng)殖模式及生物修復(fù)工藝。

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Application and Prospect of Microbial Flocculants in Aquaculture Wastewater Treatment

LUO Liang,ZHAO Zhi-gang,DU Xue,XU Qi-you
（Heilongjiang River Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Harbin 150070,China）

Microbial flocculants have been widely applied in water treatment due to the advantage of biodegradability,easy separation, and nontoxic and harmless degradation products without generating secondary pollution.The current research on microbial flocculants-producing bacteria,their flocculating mechanism and the application of microbial flocculants in treating industrial and agricultural wastewater are reviewed,especially for aquaculture wastewater.Our studies suggest an immediate need to promote the development of water saving and less effluent mode in pond aquaculture based on bio-floc technology in China.

microbial flocculants;aquaculture;bio-floc;water saving and less effluent

X172

A

1005-3832（2016）05-0060-05

2016-04-05

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（HSY201407）；黑龍江省科技攻關(guān)（GZ13B016）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金（CARS-46-16）.

羅亮（1986-），男，助理研究員，從事池塘生態(tài)與微生物調(diào)控研究.E-mail:luoliang@hrfri.ac.cn