固定化微生物制劑應用于水產養(yǎng)殖的研究進展

郭麗蕓 ，王慶 ，姜偉 ，茆健強 ，周國勤

（1.江蘇省水域生態(tài)環(huán)境微生物修復技術研究中心，南京市水產科學研究所，江蘇 南京 210036；2.南京坤泰農業(yè)發(fā)展有限公司，江蘇 南京 210036）

近年來集約化水產養(yǎng)殖在國內外迅速發(fā)展，大量餌料以魚類代謝產物及剩餌形式進入環(huán)境，造成水體、池塘底泥等的污染[1]。養(yǎng)殖水域生態(tài)功能退化，病害日趨嚴重，給水產養(yǎng)殖業(yè)造成巨大經(jīng)濟損失。微生態(tài)制劑中的活體微生物利用有害物質實現(xiàn)自身生長的同時，修復退化養(yǎng)殖水體生態(tài)系統(tǒng)[2]、減少水生環(huán)境致病菌[3]、提高水產品產量和質量[4-5]，且費用低、無二次污染。隨著固定化技術的深入研究，近年來，固定化高效微生物菌劑在凈化養(yǎng)殖水體中的應用得到了廣泛關注。研究固定化微生物菌劑的技術方法、尋找新型固定化材料及高效微生物菌劑，對其在養(yǎng)殖廢水處理中的推廣應用具有重要意義。

1 固定化微生物菌劑在水產養(yǎng)殖中的作用

微生物菌劑也叫微生態(tài)調節(jié)劑（Microecological modulator）、益生菌（probiotics）[6]。1986 年活體微生物首次用于降低愛德華菌引起的魚類病死率，此后在水產養(yǎng)殖中的研究應用得到迅速發(fā)展，成為水產品養(yǎng)殖用藥中的首選藥物。但液態(tài)微生物制劑中的游離菌體極易失活[7-8]，導致很多微生物制劑產品達不到出廠時標注的活體微生物數(shù)量。而微生物制劑處理養(yǎng)殖廢水的效果主要取決于菌種投放后活性的保留時間[9]，因此如何提高菌體存活率已成為微生物制劑的一項重要研究[10]。此外，游離微生物在池塘換水時易隨水流失，需要重新添加，增加了養(yǎng)殖成本。

固定化技術有效解決了以上不足，將游離微生物利用化學或物理手段定位于限定空間區(qū)域，提高了細胞負荷能力[11]、處理效率[12]及生物穩(wěn)定性[13]，并可反復利用，降低養(yǎng)殖成本。微生物被固定化后由于沉降性增加，有效減少了換水過程中的流失[14]，并相對增加了微生物在池塘底部的濃度，對底泥中有機物的分解效果大大提升。固定化微生物對不利環(huán)境如pH、溫度、鹽度等的耐受力比游離菌明顯增強[15-16]。綜上所述，固定化微生物技術具有微生物密度高、反應快、穩(wěn)定性強、易于操作等優(yōu)點，在養(yǎng)殖廢水處理方面具有良好的應用前景。

2 固定化方法

固定化方法分為包埋法、吸附法、交聯(lián)法和共價法。包埋法是將微生物細胞包裹于載體格子或聚合物微膠囊中[17]，阻止了微生物的泄露，同時保證基質的滲入和產物的擴散。吸附法是通過物理吸附或靜電吸引將微生物細胞直接吸附在水不溶性載體上的一種固定化方法[18]，分為物理吸附法和離子吸附法。物理吸附法通過靜電、表面張力將微生物吸附在載體上，彼此之間不發(fā)生任何化學作用。離子吸附法是將微生物與載體通過離子因子或化學鍵吸附在一起，因此，離子吸附法較物理吸附法更為牢固。交聯(lián)法是指利用雙功能基團試劑或多功能基團試劑使微生物發(fā)生分子間交聯(lián)而被固定[19]。共價法則是通過化學試劑在微生物細胞與載體之間形成化學鍵而將其固定[20]。

對于固定化方法的選擇，首先要求該方法操作簡單、材料價廉；其次固定化后要充分保留微生物的催化活性；最后，固定化后需具備良好的物理強度、化學穩(wěn)定性和基質通透性[21]。總體而言，交聯(lián)法和共價法由于化學反應強烈，限制了微生物的某些活性，因此未能得到廣泛應用。目前較為理想的固定化方法是包埋法和吸附法。這兩種方法操作簡單、對微生物活性影響小，因此在養(yǎng)殖水體凈化處理中較為常用。

3 微生物固定化技術在水產養(yǎng)殖中的應用

3.1 固定化載體

理想的固定化載體要：①無毒無害、不干擾微生物功能、基質通透性好、固定化后微生物細胞密度大；②性質穩(wěn)定、抗分解、機械強度高、壽命長；③固定化過程簡單、成本低廉，才能夠降低生產成本，在養(yǎng)殖廢水處理過程中得到廣泛應用。

海藻酸鈉是目前研究應用最廣的包埋載體之一[22-23]。采用海藻酸鈉制備的小球穩(wěn)定性強、生產成本低廉、反應條件溫和，增強了微生物抗環(huán)境因子影響的能力。Lone等[24]將菌粉采用真空壓縮技術放入海藻酸鈉和醋酸羥丙基甲基纖維素琥珀酸酯（HPMCAS）微膠囊中，能有效提高菌體存活率。但也有研究認為由于海藻酸鈉強度較低，易被生物分解，不利于重復利用[25]。武玉強等[26]發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉小球在養(yǎng)殖廢水中極易溶解，造成水體渾濁，并為原生動物提供營養(yǎng)而大量繁殖，導致水體缺氧，化學需氧量、氨氮等濃度不降反升，固定化微生物凈水作用難以顯現(xiàn)。聚乙烯醇（PVA）具有機械強度大、生物毒性小、化學穩(wěn)定性好、抗微生物分解、價格低廉的特點，被認為是最有效的固定化載體之一[27-29]。吳偉等[30]將PVA固定化的微生物用于養(yǎng)殖水體中氨氮和亞硝氮的去除，發(fā)現(xiàn)PVA凝膠顆粒機械強度好，經(jīng)久耐用，脫氮效率明顯優(yōu)于游離細胞。目前微生物凈化養(yǎng)殖水體的實驗室研究多采用海藻酸鈉和PVA進行固定化，但大規(guī)模制備凝膠小球還較為困難。因此，尋求價格便宜、固定化簡單且適合大規(guī)模制備的新型固定化材料十分必要。

3.2 固定化菌種

固定化微生物用于養(yǎng)殖水體的凈化必須選擇合適的微生物菌種[31]。這些菌種須安全可靠、無毒無害、可快速降解有機污染物[32]，通常適合固定化的該類微生物有以下幾種。

3.2.1 氮循環(huán)細菌 包括硝化菌、反硝化菌、厭氧氨氧化菌等。硝化菌生長緩慢，易受外界環(huán)境干擾，對低溫異常敏感。固定化能明顯提高硝化細菌耐受廢水中有機質干擾能力及耐受低溫的能力，可更好的去除氨氮，尤其對冬季生物處理十分有益。Kim等[33]報道固定化硝化菌對氨氮的每天最高去除率達82 g/m3。傳統(tǒng)生物脫氮一般包括好氧硝化和厭氧反硝化兩個階段，空間上難統(tǒng)一。采用固定化技術后，利用固定化材料的傳質性由內而外形成厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)，實現(xiàn)了硝化和反硝化的統(tǒng)一，提高了脫氮效率[34]。厭氧氨氧化菌由于生長緩慢、生物量低，制約了其在廢水脫氮中的應用。聚乙二醇（PEG）包埋固定可使其在較低溫度時仍維持較高活性，從而擴大了應用范圍[35]。

3.2.2 光合細菌 光合細菌是一類在厭氧條件下進行光合作用的細菌，是目前水產養(yǎng)殖業(yè)中應用最多的一種微生物水質調制劑[36-37]。但光合細菌菌體較小，沉降性能差，難以到達缺氧的池塘底層。固定化技術提高了光合細菌的沉降性能，凈水效果穩(wěn)定持久。易力等[38]采用海藻酸鈉固定濃縮光合細菌用于養(yǎng)殖水環(huán)境的生物修復，養(yǎng)殖水體COD值降低54%，氨氮濃度降低80%，pH值和溶氧量顯著上升，有利于養(yǎng)殖水環(huán)境的改善和養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展。

3.2.3 EM菌 20世紀90年代以來，日本比嘉照夫教授研發(fā)的有效微生物菌群（EM菌）在我國被廣泛應用，為養(yǎng)殖水體的凈化提供了新途徑。該菌劑能降低養(yǎng)殖塘中的氨氮、亞硝氮濃度，降解有機污染物，有效改善水質，調節(jié)水體生態(tài)平衡。固定化處理增強了EM菌活性，進一步縮短了凈化時間[39]。

3.2.4 其他有益菌 其他有益菌如芽孢桿菌[40-41]、假單胞菌等也可用作固定化微生物制劑。不同有益菌按一定比例制成混合菌劑后凈水效果比單一菌種更佳[30]。王敏等[42]將放線菌、枯草芽孢桿菌、光合細菌等混合固定化后，在大水面網(wǎng)箱養(yǎng)殖中用于水質改良，能增加溶氧、穩(wěn)定水體pH、降低氨氮濃度，對水質改良效果較好。張楚等[43]選用放線菌、歐洲亞硝化單胞菌、維氏硝化桿菌、泛養(yǎng)副球菌和巨大芽孢桿菌與多孔鈉型活化沸石顆粒吸附固定化，對河道氨氮、總磷和硫化物的去除效果明顯，水質改善顯著。

4 總結與展望

固定化微生物技術處理養(yǎng)殖廢水的研究日益成熟，有利于水產養(yǎng)殖業(yè)建立高密度循環(huán)水養(yǎng)殖模式，緩解養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境的退化，適合在水產養(yǎng)殖中推廣使用，具有廣闊的發(fā)展前景。今后的研究重點主要有：①價格低廉、固定化簡單、可重復利用的優(yōu)質載體的開發(fā)；②固定化方法的改進；③高效微生物菌劑的篩選、培育；④與其他水體修復技術方法如高等水生植物凈化法的聯(lián)用。總之，隨著固定化技術的不斷深入研究和發(fā)展，固定化微生物在養(yǎng)殖廢水處理中將發(fā)揮巨大潛力。