水環(huán)境微生物制劑的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

葉 欣，易春龍，李泰來，楊 琳，莊旭超

(1.中工武大設(shè)計集團有限公司，武漢 430223；2.杭州科運環(huán)境技術(shù)有限公司，杭州 310000)

前 言

在20世紀初期人們開始意識到水域的富營養(yǎng)化現(xiàn)象，至今，不同程度的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象已在全球范圍內(nèi)普遍存在[1-2]。就我國而言，封閉性水體的富營養(yǎng)化現(xiàn)象屢見不鮮，擁有的2000多個天然湖泊也因經(jīng)濟的快速發(fā)展，人口密度的逐步增加，水資源的不合理調(diào)度使用，而逐步朝向富營養(yǎng)化狀態(tài)轉(zhuǎn)變[3]。富營養(yǎng)化水體中藻類的大量繁殖不僅會向水環(huán)境中釋放有害的藻毒素直接或間接影響動植物及人類健康，由此造成的水體變綠變臭也嚴重影響水體自然生態(tài)景觀[4～6]。

當富含各類有機物、營養(yǎng)鹽的工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水和生活污水排入河流湖泊、海洋后一方面會使水域環(huán)境中的懸浮物增多，水體透明度降低，進而影響到水生生物，尤其是水生植物、光合細菌等的生長繁殖，逐漸打破水生態(tài)系統(tǒng)的平衡，使水體易于朝向黑臭和富營養(yǎng)化狀態(tài)演變[7～9]。另一方面其中的營養(yǎng)鹽直接在上覆水和沉積物中富集，當水溫、陽光、水利條件等自然因素適宜時，藻華生物極易在短期內(nèi)快速繁殖形成水域藻華[10-11]。藻華的發(fā)生不僅影響水體的感官效應(yīng)，由單細胞藻類如銅綠微囊藻等在生長代謝過程中向水體釋放的藻毒素還會直接或間接對生物體產(chǎn)生毒害作用[12-13]。而無論是水體黑臭還是以藻華為主要表象的水體富營養(yǎng)化都是水環(huán)境惡化的信號，其治理的關(guān)鍵要素在于營養(yǎng)鹽的控制、藻華的控制和水體透明度的維持。面對不同時期發(fā)生的水環(huán)境問題采用科學(xué)的技術(shù)手段去有效防控成為了水體生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域需要長期探索的前言科學(xué)和研究熱點。

已經(jīng)產(chǎn)生富營養(yǎng)化的水體生態(tài)功能通常遭到破壞，無法通過自身的凈化作用恢復(fù)水體生態(tài)健康，需要外界干預(yù)力來加速污染物的削減過程[14]。針對淡水水體如：養(yǎng)殖水體和天然湖泊水體常采用的技術(shù)有物理、化學(xué)和生物修復(fù)技術(shù)。物理技術(shù)治理效果好，但往往需要投入大量的人力物力，工程耗資大；化學(xué)技術(shù)見效快，但易對環(huán)境產(chǎn)生二次污染；生物修復(fù)技術(shù)是利用動植物或微生物的代謝作用來實現(xiàn)水中營養(yǎng)鹽及其它污染物的遷移轉(zhuǎn)化[15-16]。然而在富營養(yǎng)化或藻華水體中，大多動植物無法存活，因此工程上投加微生物制劑是一種常用的有效方法。目前，對微生物制劑的論述報道多為對營養(yǎng)鹽降解微生物的分析，而闡述不同類型微生物制劑的報道較少見，因此本文將對工程上常用的三類微生物制劑進行詳細論述，以期為水體修復(fù)工程提供理論和實際參考。

1 微生物控藻

1.1 微生物控藻技術(shù)

微生物控藻技術(shù)中的微生物類別主要包括細菌、真菌、病毒和原生動物。各類微生物

控藻作用方式見表1[17～20]。不同微生物其抑藻作用機理不同，抑藻效果也不盡相同，目前水環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域使用頻率最高的微生物為細菌類。

表1 微生物控藻作用方式和限制性

1.2 控藻細菌分類與特性

1.2.1 控藻細菌分類

對藻細胞生長具有顯著抑制作用或能促使藻細胞裂解死亡的細菌稱為溶藻細菌。溶藻細菌廣泛存在于水體環(huán)境中，是水生生態(tài)系統(tǒng)微生物種群結(jié)構(gòu)的重要組成部分。國內(nèi)外研究者普遍認為，溶藻細菌的大面積感染是水華自動消失的一種可能誘因[21]。溶藻細菌可以通過分泌殺藻化合物與目標藻種直接接觸或間接相互作用來控制有害藻華[22]。例如，溶藻細菌LY03可以附著在假微型海鏈藻上并產(chǎn)生幾丁質(zhì)酶以降解藻類細胞壁，從而導(dǎo)致細胞裂解和死亡[23]。其他細菌無需直接接觸即可分泌殺藻化合物來控制HAB[24]。例如，芽孢桿菌SY-1分泌的噻唑生物堿可以有效地抵抗多環(huán)旋溝藻[25]。從異常球菌屬Y35分離出的色素去黃嘌呤，對塔瑪亞歷山大藻具有很強的殺傷作用[26]。從這個角度來分析，溶藻細菌能夠維持水體藻類生物量的平衡。

溶藻細菌大多數(shù)為革蘭氏陰性菌，且其種類分布較為廣泛。世界上首次報道的具有溶藻作用的細菌是在剛毛藻中發(fā)現(xiàn)的，自此之后各類抑藻微生物陸續(xù)被成功分離。鄭寧寧等人整理到的抑藻細菌多達四十幾種，主要分布的門類包括：變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinomycetes)、厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)及棲熱菌門(Thermus)(圖1)[27]。

圖1 抑藻細菌的分布情況

1.2.2 控藻微生物制劑

市面上宣傳能直接用于殺藻除藻的微生物制劑相對較少，絕大部分菌劑的控藻機制均是通過間接方式控藻，按照菌種組成可分為單一菌種制劑和復(fù)合菌種制劑。

單一菌種除藻微生物類別主要為：芽孢桿菌(地衣芽孢桿菌、側(cè)孢芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌)、放線菌、噬菌蛭弧菌、乳酸菌(粉狀)，這類制劑常見的配方一般有幾類：某菌種；某菌種、保護劑；某菌種、菌種代謝產(chǎn)物。其市場價格在每千克幾元至幾十元不等。

用于控藻的復(fù)合菌種制劑多常見于由多種微生物或多種微生物、酶、氨基酸、維生素、促生因子、載體等復(fù)合而成，主要包括：以芽孢桿菌為主的復(fù)合菌種制劑、以乳酸菌為主的復(fù)合菌種制劑(粉狀、液體狀)、其它類型復(fù)合菌種制劑。其市場價格普遍高于上述單一菌種制劑，為每千克幾元到上百元不等。工程實際中由于大多數(shù)控藻微生物制劑不能直接起到快速殺藻的作用，在治理水體藻類水華時還得配合使用氧化劑、絮凝劑等處理措施綜合運用才能達到較好的除藻效果。

1.2.3 控藻微生物的使用

水體中藻細胞密度達到一定時，往往會形成穩(wěn)定的帶負電荷的藻膠團，此時若僅往水中投加控藻微生物制劑很難將其快速去除，研究表明微生物除藻技術(shù)中聯(lián)合投加預(yù)氧化劑和絮凝劑對藻類去除有較好的協(xié)助作用[28]。

工程實踐表明，氧化性除藻劑確實能夠較好地破壞藻細胞壁，使藻膠團分解，可作為藻華水體應(yīng)急處理的第一步措施。而藻細胞被氧化劑破壞后，破碎細胞及其代謝產(chǎn)物在水中往往呈懸浮狀態(tài)，導(dǎo)致水體變渾，透明度降低；另外，由于細胞裂解，一些藻毒素類物質(zhì)會被釋放進入水體，若不采取后續(xù)處理則會帶來更大的生態(tài)問題[7]。為解決這個問題，工程應(yīng)用中，投加除藻劑后會及時投加絮凝劑(微生物絮凝劑是未來的選擇趨勢)，使水中懸浮物絮凝沉淀至水體底部。一段時間后再選擇合適的控藻微生物制劑，如微生物溶藻劑、營養(yǎng)鹽分解型微生物制劑等，定期投加，使其快速分解水體中的有機質(zhì)，調(diào)控水體pH，逐漸改善水體的富營養(yǎng)化狀態(tài)，達到抑制水體中藻類的過度繁殖，打造良好的水域生態(tài)環(huán)境的長遠目的。

2 微生物絮凝

2.1 微生物絮凝劑

除了藻華能讓河湖水體呈現(xiàn)不好的景觀效果外，由淀粉、腐殖質(zhì)、纖維素等形成的穩(wěn)定膠體物質(zhì)也常常會帶來水體透明度降低、溶氧下降等問題，絮凝技術(shù)可用以解決此類問題，絮凝劑的選擇決定了處理效果的好壞[29]。目前水處理中應(yīng)用較多的絮凝劑為化學(xué)絮凝劑，眾所周知，環(huán)境中化學(xué)品的使用往往會引發(fā)二次生態(tài)環(huán)境問題，而微生物絮凝劑易被生物降解，被認為是化學(xué)絮凝劑的潛在安全替代品[30]。

微生物絮凝劑是一類由微生物在生長過程中分泌到細胞外具有絮凝作用的混合高分子化合物，按照成分可將其分為3大類：微生物細胞絮凝劑，這類微生物菌絲長、成串，菌體本身可產(chǎn)生絮凝效應(yīng)；微生物細胞提取物絮凝劑，如酵母細胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白質(zhì)和N-乙酞葡萄糖胺等；微生物的胞外代謝產(chǎn)物絮凝劑，如多糖、多肽、脂類等[31]。目前已經(jīng)篩選出的產(chǎn)絮微生物有50多種，主要來源于活性污泥、沉積物、滲濾液、土壤等環(huán)境介質(zhì)中，菌種包含細菌、真菌、放線菌、藻類等[32]。

2.2 絮凝機理

微生物絮凝劑具有處理效率高，生物降解性好，無毒的優(yōu)點。絮凝的過程基本包括凝聚、絮凝、沉淀幾個階段(圖2)。而關(guān)于微生物絮凝劑的深層次絮凝機理，國內(nèi)外研究者對此進行了廣泛研究，提出了不同的絮凝理論。

圖2 微生物絮凝劑絮凝過程

Wang Tao等人將氨基，銨基和酰氧基官能團接枝到微生物絮凝劑上制備功能性微生物絮凝劑，以聚硅酸鋁為對照，比較兩種絮凝劑處理工業(yè)偶氮染料廢水。結(jié)果表明，該兩種絮凝劑在剛果紅偶氮染料廢水處理中起著不同的作用。聚硅酸鋁有較強的電荷中和作用，但產(chǎn)生的絮體很小。微生物絮凝劑的電荷中和作用較弱而橋接作用較強，由此產(chǎn)生的絮體較大，絮凝沉淀過程中既有化學(xué)吸附也有物理吸附[33]。

Zhou Yan等人聯(lián)合使用堿性試劑和微生物絮凝劑以去除水中的Ni(II)。根據(jù)生物吸附行為、傅里葉變換紅外光譜和掃描電子顯微鏡分析，吸附橋接與沉淀網(wǎng)捕是絮凝過程中最有可能的機制[34]。

由此可見，絮體的形成并不是由單一機理作用形成的，需要根據(jù)絮凝劑的組成結(jié)構(gòu)、水體中的膠體性質(zhì)及水體環(huán)境進行綜合分析判斷。

2.3 微生物絮凝劑的應(yīng)用

目前，實驗層面關(guān)于微生物絮凝劑的研究多關(guān)注于產(chǎn)絮菌種的篩選、發(fā)酵工藝探索、絮凝機理、微生物絮凝劑改性及微生物絮凝劑與其它藥劑的聯(lián)合使用效果等。如有研究表明：對產(chǎn)絮菌和纖維素降解菌進行分段式發(fā)酵產(chǎn)絮，該工藝最終絮凝劑產(chǎn)生量較單一菌種發(fā)酵產(chǎn)絮量有一定幅度提升，且絮凝效果較好[35]；微生物絮凝劑接枝官能團后其對染料廢水的脫色絮凝能力顯著提升[33]；將微生物與化學(xué)絮凝劑聯(lián)合使用可以顯著提升絮凝效果，且藥劑使用量低于兩種絮凝劑的單獨使用量[34]。關(guān)于微生物絮凝劑的工業(yè)化生產(chǎn)，目前該發(fā)酵工藝尚未完全成熟，存在產(chǎn)絮率普遍偏低及絮凝效果不能保持穩(wěn)定的問題，因而微生物絮凝劑產(chǎn)品還未能實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)與廣泛應(yīng)用。

3 微生物降解營養(yǎng)鹽

3.1 營養(yǎng)鹽去除微生物種類及作用方式

自然環(huán)境中營養(yǎng)鹽的削減轉(zhuǎn)化主要靠的是微生物分解代謝作用，而當水環(huán)境受到破壞時，水體中的微生物群落也會因此而改變，要想恢復(fù)利用微生物的作用去除營養(yǎng)鹽，通常會向水環(huán)境中投加一定量的微生物制劑。工程上應(yīng)用較多的營養(yǎng)鹽去除微生物種類有芽孢桿菌、硝化細菌、反硝化細菌和光合細菌。

芽孢桿菌是一類好氧細菌，多存在于土壤中，有較強的環(huán)境適應(yīng)能力，能夠分解水體中的淀粉、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等有機物和硝酸鹽、亞硝酸鹽等無機鹽，繁殖速度快，在生長過程中

產(chǎn)生的酶類物質(zhì)可供其它水生生物利用，由此也能促進水生態(tài)群落的恢復(fù)；硝化細菌是一類自養(yǎng)好氧型細菌，按照硝化作用不同階段參與作用的菌群可分為氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化細菌，可分步將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，因而對于水中氨氮和亞硝態(tài)氮的去除有獨特的效果；反硝化細菌是一類異養(yǎng)兼性厭氧細菌，可將硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮還原成氧化亞氮和氮氣，在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，該過程主要發(fā)生在底泥厭氧層中，能夠減輕水體內(nèi)源的氮負荷，抑制藻類繁殖；光合細菌是一類原核生物，細胞內(nèi)含有葉綠素，能以有機物和硫化物等為氫供體，在有光照和缺氧的條件下進行光合作用，分解有機物同時產(chǎn)生氫氣，對亞硝酸鹽及其它有害污染物也有較好的降解效果[5,36-37]。

3.2 營養(yǎng)鹽去除微生物制劑

關(guān)于湖泊水體修復(fù)菌劑，最受關(guān)注的方面在于其對水體COD、總氮、總磷和氨氮的去除效果，不同微生物種類或不同微生物群落組成對污染物的降解效果均具有特異性，在實際應(yīng)用上需根據(jù)污染水體的性質(zhì)合理選擇。表2列舉了市面上常見的一些微生物菌劑種類，對其產(chǎn)品組成和主要功效做了簡要說明，以期為工程應(yīng)用微生物菌劑的選擇提供一定的參考。

表2 市面上常見營養(yǎng)鹽去除菌劑舉例

4 結(jié)語與展望

微生物菌劑是一種安全有效的水體修復(fù)制劑，常用于污染水體的應(yīng)急處理，能對水體污染物進行分解與轉(zhuǎn)化，從根源上解決水體的富營養(yǎng)化、黑臭等問題。在水體生態(tài)修復(fù)工程前期階段通常會選擇底泥分解型微生物菌劑如芽孢桿菌和反硝化細菌類制劑，用以有效削減底泥污染物，減輕水生態(tài)系統(tǒng)整體的污染負荷，有助于后期水生生物的生長繁殖；在工程中期，面對突然爆發(fā)的藻華或其它水體問題，會選擇藻類抑制性菌劑、COD或氮磷降解菌劑來應(yīng)急處理。在針對這些問題時，使用微生物制劑往往能取得較好的效果，且不會給環(huán)境增加額外的風(fēng)險負擔。目前國內(nèi)對于功能菌種的篩選技術(shù)相比國外仍有一定差距[38-39]，在微生物菌劑的使用這一塊也還未形成成熟的使用技術(shù)，但根據(jù)各項發(fā)展數(shù)據(jù)綜合分析來看微生物修復(fù)菌劑在國內(nèi)的市場非常可觀[40～42]，隨著研究的深入和經(jīng)驗的積累，微生物菌劑在水環(huán)境領(lǐng)域的將具有廣闊的發(fā)展前景。