微生物菌劑在污染水體治理中的研究進展

馬興冠，董 暢，唐玉蘭，馬 悅，何亞婷，李亞峰

（沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，沈陽 110168）

隨著人類在生產(chǎn)生活過程中產(chǎn)生的大部分污染物被排放到了水體中，對人類健康及生態(tài)平衡造成了威脅。當(dāng)水體被污染到喪失水體功能和自凈能力時，需采取必要的人工修復(fù)措施來恢復(fù)水體功能和自凈能力[1]。目前常用的水體修復(fù)法有物理、化學(xué)和生態(tài)法，其中物理和化學(xué)法是直接打澇清理或者投入凈化水體的化合物，而生態(tài)法是通過某些工程手段以強化環(huán)境中的微生物、植物、動物等的生物凈化作用，使水體中的污染物得到降解的方法。微生物修復(fù)屬于生態(tài)法的一種，主要是向水體中投加微生物菌劑或能夠激發(fā)土著微生物活性的物質(zhì)。微生物菌劑是利用菌群構(gòu)建等方法將一種或幾種有益菌株以適當(dāng)比例組合配制成的生物制劑[2-3]，能夠高效降解特定污染物，改善水質(zhì)和恢復(fù)水體生物多樣性[4]。微生物是微生物菌劑的主要功能成分，在地球上普遍存在，具有即使在無氧或極端條件下也能發(fā)揮作用的能力[5]，且對環(huán)境無二次污染，可直接投加到污染水體中。微生物菌劑修復(fù)污染水體還具有成本低、操作簡單等特點，近年來在污染水體修復(fù)中取得了良好的效果，成為水體微生物修復(fù)技術(shù)的研究熱點之一。

本文從常用菌種、微生物菌劑配方研制、微生物菌劑固定化技術(shù)研發(fā)和微生物菌劑應(yīng)用等方面對微生物修復(fù)技術(shù)進行了系統(tǒng)的綜述，同時介紹了微生物菌劑在水體修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用和存在的問題，并對此提出了建議。

1 微生物菌劑

1.1 作用原理

微生物是水體生態(tài)系統(tǒng)中的分解者之一，通過一系列由酶催化的生化反應(yīng)完成對污染物的分解和轉(zhuǎn)化[6]。水體中的污染物為微生物細胞生長繁殖提供營養(yǎng)物質(zhì)，從而促進微生物分泌活性酶用于污染物的降解[7]。微生物對污染物的降解離不開酶的誘導(dǎo)及酶活性的維持，水體被污染后pH、溫度、氧化還原電位等發(fā)生的變化會影響酶活性，使微生物對污染物的降解進程變緩。微生物菌劑在投加到污染水體后，可在局部成為優(yōu)勢菌群，引導(dǎo)土著微生物向良性方向活動，加快對污染物的降解[8]。

1.2 常用菌種

國內(nèi)外研制成功的微生物菌劑及有關(guān)微生物菌劑的研究報道中使用較多的菌種有芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、放線菌、乳酸菌、酵母菌和紅螺菌屬等（見表1），其中前三者在生長繁殖過程中大量分泌蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶、脂肪酶等多種胞外酶，使水體中有機污染物被快速分解，如蛋白質(zhì)、淀粉和脂肪等大分子有機物[9]。Verbaendert等[10]研究發(fā)現(xiàn)反硝化作用是芽孢桿菌屬成員的一個共性；對污染物的去除集中在有機物、氮及重金屬離子上。紅螺菌屬是光合細菌中應(yīng)用較為廣泛的一個菌種，在光照缺氧條件下將不同有機物作為供氫體和碳源來合成自身物質(zhì)，因此能夠降解多種有機物；在無光照有氧條件下能進行有氧呼吸，分解小分子有機物[11]。

2 微生物菌劑的研制

早在20世紀70年代美國、日本、歐洲等發(fā)達國家或地區(qū)就開始研制微生物菌劑，并形成了系列化的產(chǎn)品，如丹麥諾維信的BI-CHEM、日本的EM菌、美國碧沃豐的BZT系列及美國艾爾克蒙的Clear-Flo等[8]。國外產(chǎn)品中較為成功的是日本琉球大學(xué)比嘉照夫教授研制的EM菌，它主要由以光合細菌、酵母菌、乳酸菌和放線菌為主的10個屬80余種微生物混合發(fā)酵制成，已廣泛應(yīng)用于養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)及環(huán)境凈化等不同領(lǐng)域[27]。我國對微生物菌劑的研究起步較晚，國內(nèi)市場的微生物菌劑多為從日本引進的EM菌或由多種功能微生物復(fù)配的菌劑[28]。目前我國一些高校、科研院所對微生物菌劑的基礎(chǔ)研究也較為深入，除了研究直接使用商業(yè)化微生物菌劑對污染水體的修復(fù)效果外，還針對應(yīng)用過程中不同的需求開展了微生物菌劑配方研制、微生物菌劑固定化技術(shù)、微生物與其他方法聯(lián)合使用等方面的研究，并獲得了一些成果。

2.1 微生物菌劑配方研制

2.1.1 菌種的獲取

高效降解菌的獲取渠道主要有三種：一是從被污染的環(huán)境中分離純化；二是利用特定培養(yǎng)基或長時間特殊馴化培養(yǎng)獲得；三是利用基因工程技術(shù)構(gòu)建基因工程菌。采用從土著環(huán)境中分離純化的微生物進行水體修復(fù)能夠避免微生物與土著菌之間存在競爭關(guān)系、無法適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境等導(dǎo)致其活性低的問題。Guo等[29]從太湖中分離出一株施氏假單菌T1（Pseudomonas stutzeriT1），研究發(fā)現(xiàn)其具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化能力，在最佳培養(yǎng)條件下投加該菌株到太湖水樣中，氨氮（NH4+-N）和硝酸氮（NO3--N）的去除率分別達到60%和75%，水質(zhì)由Ⅴ級到Ⅱ級。研究者通過選擇不同培養(yǎng)基或改變培養(yǎng)基成分來獲得能夠降解特定污染物的菌株，如馮愛娟等[30]以高濃度（NH4）2SO4為唯一氮源，從市售腐乳中篩選出了一株高效氨氮降解菌；鞏彧玄等[31]利用能夠觀察到顏色變化的培養(yǎng)基，從腐熟好的秸稈、糞便等周邊土壤中富集分離出一株蘇云金芽孢桿菌，能夠有效降解養(yǎng)豬污水中的污染物。自然界中一些具有特殊降解功能的微生物并不能通過傳統(tǒng)的培養(yǎng)技術(shù)分離得到，因此基因工程菌的構(gòu)建逐漸得到研究者們的關(guān)注?；蚬こ叹抢没蚬こ碳夹g(shù)將不同微生物的降解基因重組獲得的功能微生物，這類微生物的降解性能得到顯著提高或獲得了新的降解性能。

2.1.2 菌劑復(fù)配

配方的確定是對菌劑中微生物組合方式及配比的研究，目前研究者們已通過各種方法進行了微生物復(fù)配，常見的方法如表2所示。

表2 常見配方確定方法Table 2 Examples of common formula determination methods

除表中所列常見方法外，郭靜波等[40]結(jié)合生態(tài)原理研究了微生物的復(fù)配方法，首先分析制約處理系統(tǒng)中微生物效能的限制性生態(tài)因子，再針對限制性生態(tài)因子構(gòu)建菌劑。如低溫城市污水處理廠限制性生態(tài)因子為溫度，構(gòu)建菌劑時需對耐冷微生物的數(shù)量和活性進行強化；石化廢水中含有大量難降解有機物，其限制性生態(tài)因子是難降解有機污染物的種類和濃度，構(gòu)建菌劑時需要提高該類微生物的數(shù)量和活性。朱勝杰等[41]依據(jù)生長曲線、未馴化單菌的處理效果和馴化后單菌的處理效果分別構(gòu)建了菌劑COD-01、COD-02和COD-03，對比3種菌劑對印染廢水的化學(xué)需氧量（COD）去除效果，結(jié)果表明，菌劑COD-03是處理效果最優(yōu)的復(fù)合方式。

2.2 菌劑固定化

微生物在生長過程中能夠分泌黏性物質(zhì)自絮凝成團，但有些微生物少量產(chǎn)生或不產(chǎn)生該種物質(zhì)，因此，菌劑在使用過程中菌體有可能流失[42]，降低菌劑的耐受性和處理效果。微生物固定化技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一問題，目前該技術(shù)的研究方向主要有兩方面：固定化方法的研究和固定化載體的研究，其中固定化方法的研究依附于載體的研究。

根據(jù)微生物與載體材料之間的相互作用，常用的固定化方法有吸附法、包埋法和交聯(lián)法，近年來還出現(xiàn)了一些新型固定化方法，如無載體固定化法、聯(lián)合固定法等。吸附法是固定化方法中最傳統(tǒng)的方法，微生物通過結(jié)合作用力吸附到載體表面。常用于吸附法中的載體材料多為天然存在的多孔性無機材料，如活性炭、沸石、生物炭、膨潤土、粉煤灰等。由于結(jié)合作用力較弱，選擇合適有效的載體材料成為該方法的關(guān)鍵。為增強微生物與載體的結(jié)合強度、提高載體的生物負載量，學(xué)者們研發(fā)了一些改性載體材料，如鑭/鋁改性沸石、磁性納米材料、酸堿改性吸附材料等。包埋法是固定化方法中應(yīng)用最廣泛的方法，利用聚合物能形成凝膠的特性將微生物包埋在凝膠內(nèi)部[43]。常用于包埋法的載體材料具有多孔結(jié)構(gòu)，如海藻酸鹽（SA）、卡拉膠、瓊脂、聚丙烯酰胺（PAM）、聚乙烯醇（PVA）等，污染物和代謝產(chǎn)物容易進入載體內(nèi)部，并且這些材料耐生物降解，可以長期保存和反復(fù)利用[44]。包埋法的載體材料強度高、微生物穩(wěn)定性好，但傳質(zhì)阻力較大，影響微生物細胞代謝過程，一般只適用于底物是小分子的處理系統(tǒng)。交聯(lián)法屬于無載體固定法的一種，主要通過交聯(lián)劑產(chǎn)生的共價鍵使微生物細胞相互結(jié)合。該方法微生物之間的結(jié)合強度高，但交聯(lián)過程反應(yīng)劇烈，對微生物細胞的活性影響較大[45]。另一種無載體固定法是利用微生物自身絮凝成團的特性達到固定化目的，形成的絮團適宜微生物生存，菌藻固定化技術(shù)是這種方法的代表[44]。聯(lián)合固定法是使用兩種或兩種以上的固定方法對微生物固定，該方法彌補了單一方法的不足，更好地保留了微生物的活性，提高了微生物菌劑的處理性能。

3 微生物菌劑的應(yīng)用

3.1 微污染水體

微污染水體是指受到工農(nóng)業(yè)和生活污水污染，其中部分指標(biāo)超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中Ⅲ類水規(guī)定的飲用水源水[46]。微污染水體主要受有機物的污染，其來源主要有兩部分，一部分是生活性有機污染，主要是天然有機化合物，污染指標(biāo)以高錳酸鹽指數(shù)和氨氮為主；另一部分是工業(yè)性有機污染，主要是人工合成有機物[47]。微污染水體中污染物種類較多，但污染濃度較低，常規(guī)水處理工藝不能有效去除這些污染物，投加微生物菌劑可有效改善微污染水體水質(zhì)。

黃廷林等[48]在中試條件下投加貧營養(yǎng)好氧反硝化菌劑修復(fù)西安市某水庫水源水，實驗結(jié)果表明投加菌劑對高錳酸鉀指數(shù)（CODMn）、總氮（TN）和NO3--N均有較好的去除效果，濃度分別從5.50 mg/L、2.25 mg/L和1.68 mg/L降到3.03 mg/L、0.95 mg/L和0.75 mg/L，說明該菌劑可有效地改善微污染水體水質(zhì)；投加菌劑對氮、磷也有較好的去除效果，能夠有效抑制藻類生長，控制水體向富營養(yǎng)化方向發(fā)展。何秀秀[49]從水庫沉積物中篩選出6株優(yōu)勢貧營養(yǎng)好氧反硝化細菌，并組合構(gòu)建出功能菌劑GNY，中試試驗研究結(jié)果表明投加菌劑后對硝態(tài)氮及總氮去除率分別維持在43.57%和51.32%左右，對總有機碳（TOC）的去除率為74.47%，說明該菌群可應(yīng)用于微污染水體治理中。王春燕[50]采用曝氣-投菌組合的技術(shù)改善微污染水源水質(zhì)，中試試驗結(jié)果表明微生物菌劑對CODMn、TN和NO3--N的去除率分別為51.9%、70.0%和100%，說明菌劑具有高效反硝化特性，可有效去除有機污染物。

3.2 養(yǎng)殖水體

池塘高密度養(yǎng)殖是我國在水產(chǎn)養(yǎng)殖中普遍采用的養(yǎng)殖方式，這種方式在提高產(chǎn)量的同時也帶來了許多問題，如未被同化的養(yǎng)殖排泄物、殘餌腐敗物等沉積于底泥中，水體中氮磷營養(yǎng)鹽含量超標(biāo)，水質(zhì)惡化，病原體增加，若調(diào)控不當(dāng)會影響?zhàn)B殖生物的生長和發(fā)育，造成養(yǎng)殖產(chǎn)量下降。采用微生物制劑改善水質(zhì)符合當(dāng)今養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展方向，微生物能夠分解、轉(zhuǎn)化污染物，降低污染負荷，恢復(fù)養(yǎng)殖水體自凈能力，同時能夠促進養(yǎng)殖生物的生長發(fā)育。

微生物生長代謝過程中產(chǎn)生的酶能夠分解污染物，凈化水質(zhì)，維持微生態(tài)系統(tǒng)平衡。劉小燕等[51]在草魚養(yǎng)殖飼料中添加適量沼澤紅假單胞菌劑，投喂60 d后發(fā)現(xiàn)與對照組相比添加菌劑組草魚的成活率明顯提高，水體pH無明顯影響，并且水體中氨氮、亞硝態(tài)氮含量分別降低了39%、32%左右，水質(zhì)得到顯著改善。水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中有機物積累及缺氧條件導(dǎo)致產(chǎn)生大量硫化物，硫化物會破壞蛋白質(zhì)功能，有強烈的毒性，影響?zhàn)B殖生物的生長。楊萌等[52]以改性沸石固定硫氧化菌劑并包被于土工布布袋中，定位放置布袋于沉積物-水界面，研究其對海水養(yǎng)殖環(huán)境中硫化物的去除效果。結(jié)果表明在缺氧條件下，固定化布袋菌劑7 d內(nèi)對硫化物的去除率達99%，說明該菌劑對水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中硫化物的控制十分有效。

3.3 黑臭水體

黑臭水體是指視覺上呈現(xiàn)黑色，嗅覺上有刺激性氣味的水體，是水體污染的極端狀態(tài)。一般認為，黑臭水體形成的直接原因是污染物在分解時消耗大量氧氣，使水體呈現(xiàn)缺氧甚至厭氧狀態(tài)。長期的缺氧環(huán)境使得好氧微生物失去生存條件進入休眠狀態(tài)或消亡，此時厭氧微生物成為水體中的優(yōu)勢菌群。厭氧微生物在降解污染物過程中會產(chǎn)生硫化氫（H2S）、氨氣（NH3）等惡臭氣體，同時鐵（Fe）、錳（Mn）等金屬離子被還原為Fe2+、Mn2+等還原態(tài)離子，與S2-結(jié)合生成金屬硫化物導(dǎo)致水體變黑。微生物菌劑的投加可增加黑臭水體中的好氧生物量，同時也能激活土著微生物，使水體逐漸恢復(fù)微生態(tài)系統(tǒng)。

在無曝氣、無截污、未清除內(nèi)源的情況下，Gao等[53]直接向重污染水體和底泥中潑灑HP-RPe-3微生物制劑（專門降解氨氮的微生物制劑），修復(fù)一個月后，黑臭現(xiàn)象初步消除，水質(zhì)得到改善。為達到更好的治理效果，微生物菌劑常結(jié)合曝氣增氧、生物填料、水生植物等輔助手段進行黑臭水體的實際治理。蘇南某鄉(xiāng)鎮(zhèn)黑臭河道綜合利用曝氣、投加復(fù)合菌劑（按去除COD量投加）、懸掛生物填料等技術(shù)進行治理，宋曉蘭等[54]對其5年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，分析結(jié)果表明水COD前3年處于Ⅴ類或劣Ⅴ類狀態(tài)，后2年提升至Ⅲ～Ⅳ類，說明該工藝長期修復(fù)黑臭河道效果較好。肖羽堂等[55]在間歇曝氣的基礎(chǔ)上投灑復(fù)合菌劑修復(fù)廣東南海某黑臭河道，修復(fù)實驗進行至10個月時，水體水質(zhì)明顯轉(zhuǎn)好，“黑水”變?yōu)椤熬G水”；在微生物的作用下，水體中有機物得到較好的去除。揚州官河、響水河及老人溝均為黑臭水體，采用“生態(tài)活水”的方式進行治理，即活水增氧設(shè)備搭配微生態(tài)制劑，2 d內(nèi)黑臭現(xiàn)象消除，3～5 d NH4+-N、TN、TP和COD等指標(biāo)均明顯下降，2～10 d出現(xiàn)枝角類動物，說明微生物菌劑的使用能夠幫助恢復(fù)水體的“微生態(tài)系統(tǒng)”[9]。

4 存在的問題與建議

雖然微生物菌劑在治理污染水體中取得較大進展，但為提高微生物菌劑的處理效果及實際應(yīng)用價值，還需從以下幾個方面進行完善：

（1）目前對微生物菌劑中菌種的篩選過程多在實驗室條件下完成，而微生物活性易受自然環(huán)境如氣候變化、污染物的匯入、光照、pH等影響，因此在微生物篩選條件中需要考慮環(huán)境條件，以提高微生物菌劑的實際應(yīng)用價值。

（2）目前對菌種的復(fù)配研究大部分還停留在何種組合方式及比例對污染物去除效果好的層面，而菌種之間的相互作用關(guān)系研究較少，應(yīng)增強關(guān)于菌種之間的協(xié)同、競爭等關(guān)系及去除污染物機理的研究，從理論上指導(dǎo)菌種的復(fù)配，制備出高效的微生物菌劑。

（3）目前對微生物菌劑的開發(fā)已有大量研究文獻及專利，且在小試或中試試驗中大多獲得理想的結(jié)果，但研發(fā)成果實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用并不多。因此，需要整合研發(fā)資源，建立微生物菌劑資源庫，使研發(fā)成果得到推廣與應(yīng)用。