新技術為微生物在水中“安家落戶”

2023-08-18 21:59:01 來源：光明網(wǎng)

中國是世界上最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖國家，為世界糧食安全以及營養(yǎng)供給做出了重要貢獻。我國傳統(tǒng)的海水水產(chǎn)養(yǎng)殖以近岸養(yǎng)殖為主，隨著人民生活水平日益提高，我國對水產(chǎn)品的需求量不斷上升，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)也從產(chǎn)量較低的近岸放養(yǎng)型向著高密度、集約化的循環(huán)水養(yǎng)殖轉(zhuǎn)變。在高密度、集約化的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，殘餌糞便易于轉(zhuǎn)化為氨氮、亞硝態(tài)氮等可溶性無機污染物存在于養(yǎng)殖水體中，會對養(yǎng)殖產(chǎn)品的生長及繁殖造成嚴重的負面影響。因此，利用高效的廢水處理技術去除水中過多的含氮無機污染物對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)至關重要。

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目前，應用于養(yǎng)殖廢水處理的工藝可主要分為物理法、化學法和生物法三種。物理法適用于處理水中顆粒污染物，對水中溶解性污染物去除效果較差；化學法可去除水中溶解性污染物，但需要實時添加化學試劑，不僅增加了運行成本，還引入了外來物質(zhì)。

因此，利用微生物降解的生物法因其去除效果好，運行成本低等優(yōu)點被廣泛應用于養(yǎng)殖廢水處理中。在生物法廢水處理工藝中，去除污染物的作業(yè)主體是微生物，因此微生物的數(shù)量、活性以及種群類別對工藝的去除效果有直接影響。

傳統(tǒng)方法是通過向廢水處理系統(tǒng)中投加游離菌增加系統(tǒng)中功能微生物數(shù)量以達到強化廢水處理效果的目的，但這種方式接種的微生物對不宜環(huán)境抗性較差，且易隨水體流失，常達不到理想的處理效果。因此，利用固定化材料為功能微生物提供附著載體，以保持微生物較高種群密度和生物活性的微生物固定化技術得到了越來越多的關注，并被廣泛應用于生物法廢水處理工藝中(石廣輝等, 2015)。

微生物包埋固定化是利用孔隙率較高的高分子凝膠聚合物材料，將微生物吸附截留于孔隙之中進行固定的工藝。包埋法小球具有機械強度高，抗沖擊負荷強，微生物不易脫落等特點，在水處理領域有獨特優(yōu)勢。作為供微生物附著生長的載體，所選材料的物理化學性質(zhì)會直接影響到系統(tǒng)的傳質(zhì)性能和微生物活性。固定化使用的載體材料需要有充足的孔隙以保證底物的流入以及經(jīng)微生物去除后產(chǎn)物的流出，還需限制所固定微生物的流失，且對微生物的活性影響較小。此外，還需要對固定化操作難易程度、載體穩(wěn)定性、重復利用性及經(jīng)濟成本等多方進行考量。因此，尋找合適有效的載體是影響系統(tǒng)去除性能的關鍵因素之一。

目前載體可分為無機類載體以及有機類載體兩大類。

無機類載體主要包括陶瓷、沸石、石英砂、沙粒、活性炭、泡沫金屬、無機玻璃等。無機載體機械強度高、傳質(zhì)性能好、化學性質(zhì)穩(wěn)定、材料相對便宜，但細胞結合力較差，容易造成微生物的脫落流失。

有機載體又可分為包括瓊脂、海藻酸鹽、殼聚糖、稻殼等載體在內(nèi)的天然有機載體以及包括以及聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)等高分子材料在內(nèi)的合成有機載體(朱剛利, 2010)。天然有機載體傳質(zhì)性能良好、固定化操作簡單、對生物無毒，但機械強度低，穩(wěn)定性較差，易造成微生物的流失。合成有機載體機械強度高、穩(wěn)定性好、耐生物降解，但傳質(zhì)性能較差，固定化過程較為復雜，且部分載體存在少量毒性。

僅使用單一載體難以勝任多種需求，近年來專家學者對載體進行改性和結合，并對交聯(lián)方式等做出改進，均達到較理想的效果。但生產(chǎn)環(huán)境存在多樣性，在實際應用時應根據(jù)需求，改變載體類型或組合，以保證系統(tǒng)最佳的去除性能。

微生物是生物法去除污染物的作業(yè)主體。因此，微生物的種類及特性也是影響系統(tǒng)去除性能的關鍵因素之一。應用于養(yǎng)殖廢水處理的微生物應具備本身安全、產(chǎn)物無毒無害、污染物降解迅速等特點，應用于海水養(yǎng)殖的微生物還需要有耐鹽的特點。目前常利用的微生物主要有利用光能的光合細菌以及利用化學能的氮循環(huán)細菌。

光合細菌是一類在厭氧環(huán)境下利用光能和二氧化碳等無機碳源合成有機物維持自身生長發(fā)育的原核微生物。光合細菌有較強的環(huán)境耐受能力，可降解水中的無機含氮、硫等污染物，并且還可以作為養(yǎng)殖魚類的飼料添加劑進行培養(yǎng)，在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)受到了較多的關注和研究。

氮循環(huán)細菌是利用化學能且對氨氮、硝氮、亞硝氮等含氮無機物具有去除作用的一類原核微生物。主要包括厭氧氨氧化菌、硝化菌和反硝化菌三類。厭氧氨氧化菌不需碳源、不需曝氣，去除效果好、運行成本低，但其生長緩慢，系統(tǒng)啟動時間長，生長條件苛刻。硝化菌可去除水中的氨氮、亞硝氮，對水產(chǎn)養(yǎng)殖有重要意義。而反硝化菌則可以去除水中的硝氮，最終產(chǎn)物為氮氣。可降低水中的TN，減少后續(xù)處理程序。傳統(tǒng)的反硝化理論認為反硝化只能在厭氧環(huán)境下進行。而隨著好氧反硝化菌的發(fā)現(xiàn)，證明了反硝化過程也可以發(fā)生在好氧環(huán)境下。在此基礎上，硝化菌和反硝化菌可接種于同一反應器中，不僅減少了占地面積，也降低了運行成本。因此，將硝化菌與反硝化菌制備復合菌劑經(jīng)固定后應用于提高水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的去除效率值得進一步研究(Zhang, 2022)。

包埋固定化技術可有效提高微生物豐度，增強微生物活性，改善出水水質(zhì)，且對養(yǎng)殖生物無毒無害，在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理中具有巨大的應用空間。但由于養(yǎng)殖系統(tǒng)的復雜性，微生物群落的多樣性，水中污染物種類的廣泛性以及系統(tǒng)運行環(huán)境多變等因素，包埋固定化技術多以模擬養(yǎng)殖廢水作為研究對象，未被大規(guī)模應用于實際環(huán)境。因此，可在篩選高效復合菌種，研制高性能、低價格的載體以及優(yōu)化固定方式等方面進行進一步的研究，以實現(xiàn)包埋固定化技術在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理的廣泛應用。

參考文獻：

[1] 馬洪婧, 2022. 包埋固定化好氧反硝化菌強化處理海水養(yǎng)殖廢水研究[D]. 大連海洋大學.

[2] 石廣輝, 劉青松, 張旭豐, 等, 2015. 包埋固定化微生物技術在水產(chǎn)養(yǎng)殖水處理領域的研究進展[J]. 水處理技術.

[3] 朱剛利, 2010. 厭氧氨氧化混培物包埋固定化特性的研究[D]. 華南理工大學.

[4] Shuai Zhang, Amjad Ali, Junfeng Su, et al., 2022. Performance and enhancement mechanism of redox mediator for nitrate removal in immobilized bioreactor with preponderant microbes[J]. Water Research, 209, 117899.

作者：劉佩武、蘇鑫（大連海洋大學水產(chǎn)設施養(yǎng)殖與裝備工程研究中心研究生）

科學性審核：劉鷹（浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院博士生導師）、韓蕊（大連海洋大學水產(chǎn)設施養(yǎng)殖與裝備工程研究中心副教授、研究生導師）

策劃：劉雅丹（研究員、全國首席科學傳播專家、中國水產(chǎn)學會原秘書長助理）

編輯：武玥彤

來源：光明網(wǎng)-科普中國

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