微生物菌劑的應(yīng)用及其研究進(jìn)展

祝虹鈺++劉闖++李蓬勃++逯凱琪++劉廣新++王新

摘要：通過分離、純化以及正交試驗(yàn)等一系列方法獲得優(yōu)勢菌，采用固定化技術(shù)將其與載體制備成微生物菌劑。相對(duì)傳統(tǒng)微生物處理，生物菌劑具有更強(qiáng)的降解能力、更廣闊的發(fā)展?jié)摿案玫氖袌銮熬?。目前，微生物菌劑在農(nóng)業(yè)、污染物降解、堆肥、水質(zhì)凈化等領(lǐng)域都得到了普遍的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：微生物菌劑；應(yīng)用；研究現(xiàn)狀；生物強(qiáng)化

中圖分類號(hào)：X506 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）05-0805-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.05.002

Application and Progress of Research of Microorganisms Agents

ZHU Hong-yu1，LIU Chuang1，LI Peng-bo1，LU Kai-qi1，LIU Guang-xin1，WANG Xin1，ZHANG Hui-wen2

（1.Shenyang University of Technology， Shenyang 110870，China；

2.Institute of Applied Ecology，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China）

Abstract： Through a series of methods such as separation， purification and orthogonal experiment， the dominant bacteria were obtained. The immobilized technology was used to prepare the microbial agent. Compared with the traditional microbial treatment， the ability of biological agents has a stronger， better development potential and broad market prospects. At present， microbial agents have been widely used in agriculture， ddegradation egradation of pollutants， compost， water purification.

Key words： microbial agent； application； research status； bioaugmentation

1 概述

1.1 微生物菌劑的概念

微生物在自然界中無處不在，小到單個(gè)細(xì)胞，大到地球生物圈。從陸地到海洋，從養(yǎng)殖業(yè)、畜牧業(yè)到農(nóng)業(yè)，從食品工業(yè)、制藥工業(yè)到印染、紡織、制革等，凡是涉及有機(jī)物各種工業(yè)的工藝流程都與微生物息息相關(guān)。其具有個(gè)體微小、代謝旺盛、分布廣、數(shù)量多的特點(diǎn)，還具有強(qiáng)大的分解能力，它們的活動(dòng)保障著生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)，凈化著生態(tài)系統(tǒng)，協(xié)調(diào)著生態(tài)平衡[1-4]。

目前，中國是世界上環(huán)境污染最為嚴(yán)重的國家之一，大氣、河流、湖泊、海洋和土壤等均受到不同程度的污染。當(dāng)前中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)保持著高度發(fā)展的態(tài)勢，社會(huì)進(jìn)步促進(jìn)了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力的提高，使人民生活得到進(jìn)一步改善，但是也隨之帶來不同程度的環(huán)境污染。由人類活動(dòng)所造成的環(huán)境污染和環(huán)境質(zhì)量的惡化已成為制約中國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的障礙。如何在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)控制環(huán)境污染，改善環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，是中國目前有待解決的重要問題之一。

微生物菌劑技術(shù)[5]已是環(huán)境保護(hù)中應(yīng)用最廣、最為重要的一項(xiàng)技術(shù)。其在水污染控制[6]、大氣污染治理，有毒有害物質(zhì)的降解、清潔可再生能源的開發(fā)、廢物資源化、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境污染的修復(fù)和污染嚴(yán)重的工業(yè)的清潔生產(chǎn)等環(huán)境保護(hù)的各個(gè)方面，發(fā)揮著極為重要的作用。應(yīng)用微生物菌劑技術(shù)處理污染物時(shí)，最終產(chǎn)物大都是無毒無害的、穩(wěn)定的物質(zhì)，如二氧化碳、水和氮?dú)獾?。并且利用微生物菌劑方法處理污染物通常能夠一步到位，避免了污染物的多次轉(zhuǎn)移，因此它是一種消除污染安全而徹底的方法。

在許多生化過程中如果僅靠一種微生物或自然菌群，處理的效果往往很難達(dá)到理想的程度，而向自然菌群中添加特定功能的復(fù)合微生物菌，復(fù)合微生物與自然界菌群協(xié)同作用，將會(huì)提高系統(tǒng)對(duì)特定污染物的降解能力，從而改善整個(gè)體系處理難降解物質(zhì)的能力。該技術(shù)具有高效、穩(wěn)定、節(jié)省投資的特點(diǎn)，這些添加的復(fù)合微生物菌群即可成為微生物菌劑[7]。

1.2 微生物菌劑的特性

在理想的生化處理系統(tǒng)中，微生物群落結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)行條件下保持高度的穩(wěn)定性，而當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，微生物群落結(jié)構(gòu)可以做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，從而維持微生物的生態(tài)平衡。所以，功能菌的獲取以功能菌群的富集方式進(jìn)行。在正常的環(huán)境條件下具有相同功能的物種只有一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)具有分解相應(yīng)污染物的能力，其余物種暫時(shí)顯得并不那么重要或者作用并不那么明顯，一旦環(huán)境條件發(fā)生變化影響原來發(fā)揮分解功能的物種，其余物種作為后備力量可起到替代作用，從而保證生化系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性[8]。

針對(duì)不同的污染物、處理目標(biāo)和現(xiàn)場操作條件，構(gòu)建簡單易行、行而有效的微生物菌劑，對(duì)于體系處理能力和微生物的適應(yīng)能力具有十分重大的意義。特別是在城市污水處理上，從廢水中分離純化得到的菌種[9，10]，對(duì)菌種進(jìn)行降解性能測定，并利用正交試驗(yàn)法等多種方法獲得降解優(yōu)勢菌，使用固定化技術(shù)[11-13]將其與載體制備成復(fù)合型微生物菌劑，同時(shí)找到菌劑使用的最優(yōu)化條件，并結(jié)合實(shí)際對(duì)復(fù)合型微生物菌劑的性能進(jìn)行研究[14，15]。不論是技術(shù)還是管理方面都比較成熟，絕大多數(shù)的污水處理廠都能實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

2 微生物菌劑應(yīng)用

2.1 用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

目前，中國微生物菌劑的發(fā)展十分迅速，隨著對(duì)其研究的日益深入，這種綠色環(huán)保、高效節(jié)能的產(chǎn)品也越來越多地應(yīng)用于人們的生活中。微生物菌劑最重要的應(yīng)用之一體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用[16，17]，而用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的微生物菌劑，一般需具有以下主要性能或作用。

2.1.1 預(yù)防病害 改善土壤微生物菌群、抑制土壤病原菌繁殖，有效預(yù)防作物的根腐、立枯等病害。

2.1.2 提高地力 活化土壤有機(jī)與無機(jī)養(yǎng)份，提高肥效率，促進(jìn)作物循環(huán)、長效吸收利用，增根壯苗果實(shí)飽滿。

2.1.3 改良土壤 改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，消除板結(jié)，提高保水保肥能力，抗旱、抗逆、抗寒、抗倒伏，中和酸堿度，降低土壤重金屬和鹽堿毒害。

2.1.4 增根、發(fā)苗、壯秧 有益微生物在繁殖代謝過程中，可分泌細(xì)胞分裂素、吲跺乙酸、維生素、本乙酸、赤霉素等植物生長素及氨基酸等活性物質(zhì)，強(qiáng)力促進(jìn)增根、生根，壯根等過程，使作物具備莖粗、苗壯、移栽緩苗快等特點(diǎn)。

邵秀麗[18]利用乳酸菌、酵母菌、放線菌、光合菌以及醋酸菌5種菌株制備了一種針對(duì)提高大蒜產(chǎn)量的復(fù)合菌劑，在該復(fù)合菌劑與肥料配施的情況下提高了大蒜株高、莖粗等農(nóng)藝性狀，同時(shí)改善了大蒜苗期的生長狀況，促進(jìn)了其根系發(fā)育，最終提高了作物的產(chǎn)量。龔方等[19]認(rèn)為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)快速發(fā)展導(dǎo)致一系列的污染問題，微生物資源和技術(shù)在現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，農(nóng)用微生物菌劑是由一種或多種從自然界分離純化的微生物菌種經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)擴(kuò)繁后加工制成的活菌制劑?？梢詫?shí)現(xiàn)綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)，以確保食品的優(yōu)質(zhì)性與安全性。

2.2 用于難降解污染物

針對(duì)微生物對(duì)環(huán)境修復(fù)的局限性，采用微生物菌劑技術(shù)，不僅避免了二次污染問題，而且污染物降解效果顯著提高。與此同時(shí)也解決了微生物對(duì)環(huán)境的嚴(yán)格要求這一問題，使微生物的適應(yīng)性與穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。

高鶴南等[20]通過菌株的篩選，得到可降解煙嘧磺隆等特定菌株，并將其制備成液態(tài)菌劑，通過對(duì)菌劑制備過程中的最佳工藝條件確定，最后得出該菌劑對(duì)煙嘧磺隆的降解率可達(dá)到88.6%左右，為農(nóng)藥污染土壤的生物修復(fù)提供了一條新的途徑。葉峰等[21]將馴化后具備高效降解三苯類物質(zhì)能力的活性污泥作為種泥，在特定載體上發(fā)酵擴(kuò)大培養(yǎng)，制成了復(fù)合微生物菌劑，通過對(duì)制備工藝條件的優(yōu)化，使得該菌劑具有了較好的穩(wěn)定性，同時(shí)保持了較高的污染物降解率。李旭東等[22]利用紅球菌屬、微小桿菌屬、芽孢桿菌、假絲酵母和短狀桿菌等菌株以一定的比例制得一種微生物菌劑，并將其用于處理煉油廢水，取得了較好的效果。

2.3 用于堆肥

微生物菌劑在堆肥中也取得了廣泛的應(yīng)用，其通過不同菌種之間的協(xié)同作用，不僅對(duì)廚余垃圾降解效果顯著，而且極大地縮短了堆肥的時(shí)間。這種微生物菌劑堆肥的方式，由于其較低的成本、較短的腐熟時(shí)間，具有廣闊的市場前景。

席北斗等[23]將康氏木霉、白腐菌、變色栓菌、EM菌、固氮菌、解磷菌、解鉀菌按15∶15∶15∶25∶10∶10∶10的比例制成復(fù)合的微生物菌劑，并將其用于垃圾堆肥中，試驗(yàn)結(jié)果顯示所制得的菌劑通過幾種菌株之間的共代謝作用有效地降解了堆肥中的各種物質(zhì)。徐銳[24]以廚余垃圾和一些環(huán)境樣品為菌源，從中分離出高效降解菌株，采用混合培養(yǎng)制備復(fù)合型微生物菌劑，并對(duì)培養(yǎng)條件與處理工藝進(jìn)行了最優(yōu)化，經(jīng)過篩選、優(yōu)化和組合，最終選取其中13株優(yōu)勢及高效微生物菌株作為菌劑的組成菌，其中包含5株常見的廚余垃圾高效降解菌和3株高效專一降解菌；經(jīng)過比較，自制的復(fù)合菌劑對(duì)廚余垃圾降解有較為明顯的效果，可以進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用。方亞曼[25]針對(duì)嘉興市的畜禽污染現(xiàn)狀，從當(dāng)?shù)囟逊手信囵B(yǎng)出液態(tài)復(fù)合微生物菌劑，目前該菌劑繼代培養(yǎng)能達(dá)到50倍，大大降低了菌劑的成本。將自制菌50倍繼代培養(yǎng)后所得液態(tài)復(fù)合微生物菌劑用于豬糞堆肥，并與市場上其他商用微生物菌劑進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果表明，自制微生物菌劑滿足堆肥要求，較商用菌劑使堆肥腐熟時(shí)間縮短5～8 d，并且其肥料成品含水率較低，更適合保存。若在發(fā)酵床上接種自制微生物菌劑，相對(duì)于普通水泥地面養(yǎng)殖，可以明顯改善養(yǎng)殖豬舍的環(huán)境，降低環(huán)境中的氨氣，同時(shí)豬只料肉比降低。

2.4 用于水質(zhì)凈化

在水質(zhì)凈化方面，不論是針對(duì)生活污水還是工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水，微生物菌劑均取得了突破性的進(jìn)展。在生活污水的處理中，與常規(guī)微生物相比較，其對(duì)COD、氨氮處理效果有明顯的提高，也解決了運(yùn)行成本高等問題。

鐘華[26]首先利用植物源培養(yǎng)液將動(dòng)物源微生物發(fā)酵馴化為植物源微生物，再將植物源微生物馴化為植物源趨磁性微生物，最后負(fù)載于沙狀礦物石粉上形成生物礦化物，生成凈化菌劑。該種菌劑解決了普通的微生物水質(zhì)凈化處理菌劑潑灑下去只浮于表面、易被水流沖走、需經(jīng)常投放、運(yùn)行成本高等問題。文婭等[27]利用從食材中篩選純化的特定微生物制成復(fù)合菌劑，添加不同比例的菌劑，并在供養(yǎng)條件不同的情況下處理生活污水，以COD與氨氮作為參考指標(biāo)，效果不同。試驗(yàn)結(jié)果表明，菌劑投加量在0.5%～1%時(shí)對(duì)污水中COD去除效果更顯著；而在自然、厭氧和曝氣3種情況下，COD去除率分別提高8.77%、11.22%、11.11%；對(duì)于污水中氨氮的去除，自然和曝氣條件下，菌劑對(duì)氨氮去除率更明顯，曝氣條件下該菌劑對(duì)氨氮去除率達(dá)52.28%；以0.5%的菌劑投加量，曝氣2 d，COD與氨氮去除率可分別提高11.11%和14.13%。所以該菌劑對(duì)生活污水有良好的凈化效果。

2.5 用于北方低溫環(huán)境

在中國北方高緯度地區(qū)，城市生化處理系統(tǒng)的水溫10～25 ℃之間，低于最佳生化反應(yīng)范圍（15～35 ℃）[28]。特別是在冬季，低溫會(huì)對(duì)微生物活性、底物的利用速率、活性污泥的吸附和沉降性能[29]等均會(huì)產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而影響生化系統(tǒng)的處理能力與穩(wěn)定性。另外，低溫還會(huì)延長運(yùn)行周期。因此，低溫是影響北方污水處理體系至關(guān)重要的非限制性生態(tài)因子，而構(gòu)建微生物菌劑是為了實(shí)現(xiàn)縮短運(yùn)行周期和穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于城市污水，構(gòu)建微生物菌劑主要是針對(duì)城市污水中脂類、糖類和蛋白質(zhì)三大底物對(duì)低溫菌進(jìn)行篩選和馴化。把城市污水作為菌源，不僅可以降低成本，還可以避免細(xì)菌之間的相互競爭，提高菌種間的適應(yīng)性與持效性，從其中分離篩選低溫菌，然后進(jìn)行馴化，對(duì)低溫微生物的數(shù)量與活性進(jìn)行加強(qiáng)，構(gòu)建高效的功能菌群，依靠微生物的協(xié)同降解作用來去除污染物。

中國北方一直由于低溫的原因?qū)е律幚碇形⑸飻?shù)量與活性不足，而使處理效果不理想，污水中有機(jī)物不能被迅速降解，出水水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)。運(yùn)用本方法構(gòu)建的微生物菌劑已經(jīng)成功進(jìn)行了多個(gè)不同工藝類型和規(guī)模的城市污水生化處理系統(tǒng)的低溫快速啟動(dòng)。城市污水處理廠A/O生化處理系統(tǒng)在啟動(dòng)調(diào)試期間的進(jìn)、出水水質(zhì)情況：該生化池進(jìn)水的COD、氨氮濃度分別在184.0～275.9 mg/L、34.4～50.7 mg/L范圍波動(dòng)，盡管出水水質(zhì)也隨之波動(dòng)，但出水COD、氨氮平均濃度分別低至55.1 mg/L和2.2 mg/L，達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。在生化池平均水溫為13 ℃的條件下，采用投加微生物菌劑的方式，僅僅用14 d就完成生化池的啟動(dòng)，而其他研究人員在水溫為12～23 ℃的條件下，需要近3個(gè)月的時(shí)間才完成生化系統(tǒng)中污泥的馴化過程[30]。另外，傳統(tǒng)微生物在冰封期時(shí)對(duì)有機(jī)污染物降解遠(yuǎn)不如流動(dòng)期，所以這種特定功能的微生物菌劑對(duì)寒冷地區(qū)河流水質(zhì)凈化處理具有重要作用。

3 總結(jié)

現(xiàn)如今，微生物菌劑已經(jīng)在污水處理、堆肥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。微生物菌劑的應(yīng)用相對(duì)一些化工產(chǎn)品等更具有經(jīng)濟(jì)效益，也更加符合綠色環(huán)保的理念。微生物菌劑不僅適用于南方氣候，也考慮到北方的低氣溫氣候，它比一般微生物處理廢水所需的運(yùn)行周期要縮短很多，運(yùn)行也更加穩(wěn)定，同時(shí)，出水水質(zhì)中COD與氨氮也有明顯的降低，這在中國南北大緯度差異的環(huán)境下具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

同時(shí)，科技的發(fā)展也充分證明微生物菌劑技術(shù)是環(huán)境保護(hù)的理想武器，這一技術(shù)在解決環(huán)境問題過程中所顯示的獨(dú)特功能和顯著優(yōu)越性充分體現(xiàn)在它是一個(gè)純生態(tài)過程，從根本上體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想。由于微生物菌劑具有的高效率、低成本和專一性的特點(diǎn)，為微生物菌劑技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用展示了更為廣闊的未來和前景。

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