固定化微生物技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用

文/馮東岳 季相山

養(yǎng)殖水體的環(huán)境修復(fù)更傾向于采用生物方法，尤其是微生物。微生物修復(fù)技術(shù)具有費(fèi)用低、耗時(shí)短、不影響?zhàn)B殖功能、不易帶入二次污染、不破壞生態(tài)平衡等優(yōu)點(diǎn)，在養(yǎng)殖水體修復(fù)中得到廣泛應(yīng)用。

近年來，隨著我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，高密度集約化養(yǎng)殖模式的迅速普及，雖然帶來了較高的養(yǎng)殖效益，卻給養(yǎng)殖水體帶來了大量的殘留飼料和排泄物，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，養(yǎng)殖環(huán)境惡化，對(duì)養(yǎng)殖水域的生態(tài)平衡造成了嚴(yán)重的破壞，阻礙了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展。黨的十九大提出了“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略，2018年中央一號(hào)文件《中共中央、國務(wù)院關(guān)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》，對(duì)實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略進(jìn)行了全面部署，要求提升農(nóng)業(yè)發(fā)展質(zhì)量，推進(jìn)鄉(xiāng)村綠色發(fā)展。因此，為推進(jìn)現(xiàn)代漁業(yè)建設(shè)，養(yǎng)殖水域環(huán)境修復(fù)就顯得尤為重要，這也是加強(qiáng)水產(chǎn)養(yǎng)殖面源污染，實(shí)現(xiàn)漁業(yè)綠色發(fā)展的重要措施。

一、水產(chǎn)養(yǎng)殖水體修復(fù)常用微生物及固定化技術(shù)

目前，我國應(yīng)用于污染水體的常規(guī)修復(fù)方法包括物理修復(fù)法、化學(xué)修復(fù)法和微生物修復(fù)法，其中物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)往往會(huì)引入新的物質(zhì)，而以微生物修復(fù)為主的生物修復(fù)方式具有良好的生態(tài)安全性，越來越受到學(xué)者們的關(guān)注。微生物修復(fù)指利用天然存在的或經(jīng)過特殊培養(yǎng)的微生物，在可調(diào)控環(huán)境條件下，通過微生物的降解或生物轉(zhuǎn)化作用，把有毒有害污染物轉(zhuǎn)化為無毒無害物質(zhì)的環(huán)境污染處理技術(shù)。與傳統(tǒng)的物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)技術(shù)相比，微生物修復(fù)技術(shù)具有費(fèi)用低、耗時(shí)短、不影響?zhàn)B殖功能、不易帶入二次污染、不破壞生態(tài)平衡等優(yōu)點(diǎn)，所以在養(yǎng)殖水體修復(fù)中得到廣泛應(yīng)用。

（一）固定化微生物技術(shù)及優(yōu)點(diǎn)

固定化微生物技術(shù)是指應(yīng)用物理或化學(xué)的手段將游離的微生物定位于限定的空間區(qū)域內(nèi)，并使之成為不懸浮于水中仍保持生物活性、可反復(fù)利用的技術(shù)方法。該技術(shù)起始于1959年，最早應(yīng)用于大腸桿菌的固定化，而后被廣泛應(yīng)用于工業(yè)發(fā)酵和廢水處理，目前已經(jīng)形成了較為完備的理論體系和技術(shù)方法。與利用非固定化狀態(tài)的微生物進(jìn)行生態(tài)修復(fù)相比，采用固定化載體既為微生物菌體提供了必要的附著和保護(hù)的空間，又隔離了菌體與周圍環(huán)境的直接接觸，避免引入微生物進(jìn)行修復(fù)而可能產(chǎn)生的新的生態(tài)危害。由此可見，對(duì)具有高效降解污染物質(zhì)能力的微生物進(jìn)行固定化并制成產(chǎn)品，投加到出現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖污染的水體中，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)污染水體的有效修復(fù)，又能避免產(chǎn)生新的生態(tài)危害，微生物固定化技術(shù)在水體修復(fù)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

微生物水體修復(fù)技術(shù)傳統(tǒng)上采用的是噴灑、混合飼料投喂等，對(duì)水體的凈化效果不是非常理想，其弊端主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是游離微生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力差，易發(fā)生大量死亡；二是游離微生物易隨養(yǎng)殖水體的流動(dòng)而流失；三是游離微生物易被水中高等微生物捕食，數(shù)量減少。使用固定化微生物不僅可以克服上述缺點(diǎn)，還有如下優(yōu)點(diǎn)：固定化顆粒里面微生物的生物量濃度高，能使微生物穩(wěn)定高效的發(fā)揮作用；固定化微生物可以長時(shí)間多次利用；固定化微生物抗毒性能和耐受力比游離微生物明顯增強(qiáng)。

（二）微生物菌種

被固定化的微生物主要是人為選定的對(duì)環(huán)境污染物具有特效降解能力的菌種，具有以下特點(diǎn)：一是投加的微生物活性高；二是微生物可快速降解目標(biāo)污染物；三是在水體環(huán)境中不僅能競爭生存，而且可維持相當(dāng)數(shù)量。

1.硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌

硝化細(xì)菌（Nitrifyingbacteria）屬于自養(yǎng)型細(xì)菌，由亞硝酸細(xì)菌（Nitritebacteria）和硝酸細(xì)菌（Nitratebacteria）的生理亞群組成。硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌是養(yǎng)殖水體氮轉(zhuǎn)化方面最為有效的微生物。亞硝酸細(xì)菌可以完成NH4+-N到NO2

--N的轉(zhuǎn)化，硝酸細(xì)菌完成NO2--N到NO3

--N的轉(zhuǎn)化，從而把對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物有害的氨態(tài)氮和亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物基本無害的硝酸鹽氮。

反硝化細(xì)菌（Denitrifyingbacteria）是引起反硝化作用的細(xì)菌。多為異養(yǎng)、兼性厭氧細(xì)菌，如螢光極毛桿菌（Pseudomonasfluorescens）、假單胞菌屬（Pseudomonas）和氣單胞菌屬（Aeromonas）等。它們通過反硝化作用產(chǎn)生氧，再利用產(chǎn)生的氧來氧化有機(jī)物質(zhì)而獲得自身生命活動(dòng)所需的能量。反硝化作用即脫氮作用，是指反硝化細(xì)菌在缺氧條件下，還原硝酸鹽，進(jìn)而釋放出分子態(tài)氮或一氧化二氮的過程。

2.光合細(xì)菌

光合細(xì)菌是地球上最早出現(xiàn)的，具有利用原始光能合成體系的原核生物，在厭氧條件下進(jìn)行不放氧光合作用的細(xì)菌總稱。光合細(xì)菌能以光為能源，在厭氧環(huán)境下以水產(chǎn)動(dòng)物殘餌及排泄物為碳源進(jìn)行不產(chǎn)生氧的光合作用，其增氧機(jī)制是通過同化水中有機(jī)物，減少有機(jī)物的耗氧來實(shí)現(xiàn)的。它能有效地將硫化氫等有害物質(zhì)吸收，作為基礎(chǔ)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物細(xì)胞。因此光合細(xì)菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有良好的水質(zhì)調(diào)控作用，既能增加水中溶解氧，又可以降解對(duì)魚蝦有害的物質(zhì)，還能調(diào)節(jié)水體pH在適宜的范圍，使其適合水產(chǎn)動(dòng)物生長。

3.芽孢桿菌

芽孢桿菌為革蘭氏陽性菌，好氧，能產(chǎn)生孢子，是具有耐高溫、抗應(yīng)激性的異養(yǎng)菌。芽孢桿菌具有強(qiáng)力分解有機(jī)污物的能力，可分解池底的殘餌、糞便等有機(jī)物，并可轉(zhuǎn)化成單細(xì)胞藻類能利用的有機(jī)物；降解氨氮、亞硝酸鹽、硫化氫等有害物質(zhì)，促進(jìn)硅藻、綠藻等優(yōu)良單細(xì)胞藻類生長，營造適宜的養(yǎng)殖水質(zhì)，保持良好的養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境。此外，芽孢桿菌為活性微生物，它可以促進(jìn)水產(chǎn)動(dòng)物提高免疫功能，增強(qiáng)抵抗力和抗應(yīng)激力，減少病害的發(fā)生。

（三）固定化載體

載體是固定化微生物技術(shù)的重要組成部分，它為微生物創(chuàng)造了不易解體的生存環(huán)境，所以一個(gè)理想的固定化載體應(yīng)具有以下性能：一是對(duì)微生物無毒害，生物滯留量高；二是傳質(zhì)性能好；三是性質(zhì)穩(wěn)定，不易被生物降解；四是機(jī)械強(qiáng)度高，使用壽命長；五是要求固定化技術(shù)操作簡單。

常用的載體可分為無機(jī)載體、有機(jī)高分子載體和復(fù)合載體三種類型。無機(jī)載體如多孔玻璃、硅藻土、活性炭、石英砂等。有機(jī)載體還可分為兩類：一類是高分子凝膠載體，如瓊脂、角叉萊膠和海藻酸鈣等；另一類是有機(jī)合成高分子凝膠載體，如聚丙烯酰胺凝膠、聚乙烯醇凝膠、聚丙烯酸凝膠等。復(fù)合載體是由無機(jī)載體和有機(jī)載體材料結(jié)合而成，互補(bǔ)兩類材料的性能而開發(fā)的載體。

（四）固定化微生物方法

1.包埋法

包埋法是將微生物菌體包埋在半透性的聚合物凝膠或膜內(nèi)，小分子的底物和產(chǎn)物可以自由出入，而微生物菌體卻不會(huì)漏出，是目前研究最廣泛的固定化方法。包埋法可分為高分子合成包埋法、離子網(wǎng)絡(luò)包埋法及沉淀包埋法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)操作簡單，固定過程對(duì)微生物細(xì)胞的活性影響較小，高分子載體密度較低，易于流動(dòng)，制備成形的固定化小球機(jī)械強(qiáng)度較高。但包埋材料對(duì)進(jìn)出的底物和溶氧的擴(kuò)散具有阻礙作用，不適用于對(duì)大分子污染物的處理，實(shí)際應(yīng)用中常用于小分子污染物的降解。常用的載體材料有天然高分子多糖類的海藻酸鈣凝膠和卡拉膠、聚乙烯醇、聚烯酰胺等。天然高分子凝膠對(duì)微生物無毒，傳質(zhì)阻力小，但結(jié)合強(qiáng)度??；而有機(jī)合成高分子凝膠強(qiáng)度高，影響微生物的生物活性，同時(shí)傳質(zhì)阻力大。

2.吸附法

吸附法是利用微生物所具有的可吸附到固體物質(zhì)表面或其他細(xì)胞表面的能力，將微生物吸附在附加劑表面的固定化方法。吸附法可分為物理吸附法和離子吸附法。物理吸附法是使用具有高吸附能力的物質(zhì)，如硅膠、活性炭、多孔玻璃、碎石、卵石、鉛炭、硅藻土、多孔磚等吸附劑，將微生物吸附在表面使其固定化的技術(shù)。離子吸附法是利用微生物在解離狀態(tài)下離子鍵合作用而固定于帶有相反電荷的離子交換劑上，常見的離子交換劑有DEAE-纖維素、CM-纖維素等。該方法對(duì)微生物無毒性，傳質(zhì)效果好，但由于載體與微生物的結(jié)合力較弱，可固定的生物量小，因此反應(yīng)體系的穩(wěn)定性較差，不利于長期反復(fù)使用，在實(shí)際應(yīng)用中主要用于對(duì)大分子污染物的應(yīng)急修復(fù)。

3.包絡(luò)法

包絡(luò)法是以人工合成生物相容性較好的聚丙烯酸酯共聚物作為載體，使載體表面成膜，內(nèi)部可以較好地聚集微生物菌體。該方法克服了包埋法的低傳質(zhì)效率和吸附法的低穩(wěn)定性。微生物菌體既可在該多孔載體外表面生成機(jī)械強(qiáng)度高的生物膜，又可在載體內(nèi)孔中聚集大量的微生物，增大了微生物的聚集密度，提高了利用效果。

4.共價(jià)結(jié)合法

共價(jià)結(jié)合法是細(xì)胞表面上官能團(tuán)和固相支持物表面的反應(yīng)基團(tuán)以化學(xué)共價(jià)鍵相連接，從而固定微生物菌體。該方法固定化微生物穩(wěn)定性好，不易脫落，缺點(diǎn)是限制了微生物的活性，同時(shí)反應(yīng)激烈，固定化技術(shù)操作控制復(fù)雜，條件要求高。

5.交聯(lián)法

交聯(lián)法是通過微生物與具有2 個(gè)或2 個(gè)以上官能基團(tuán)的試劑進(jìn)行反應(yīng)，使微生物菌體相互連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到固定化微生物目的。這種方法由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成獲得了良好的穩(wěn)定性，在長期的反應(yīng)體系中菌體不易脫落。但反應(yīng)過程中共價(jià)鍵的形成對(duì)微生物細(xì)胞的活性影響較大，與酶蛋白的交聯(lián)作用可能引起酶的失活，影響使用效果。

二、固定化微生物技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

固定化微生物技術(shù)由于具有高效、穩(wěn)定和生物濃度大的特點(diǎn)，成為了現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖水域污染的生物修復(fù)重要技術(shù)手段，在受污染水體的凈化處理方面，已經(jīng)成為重要的研究熱點(diǎn)。研究表明某些凈水微生物既能通過氧化、氨化、硝化、反硝化、解磷、硫化及固氮等作用將有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸肌⑾跛猁}、硫酸鹽等，同時(shí)又能分解池塘底部腐敗的沉積物，達(dá)到凈化水質(zhì)作用。

在降低氨氮等有害物質(zhì)濃度方面，為了對(duì)富營養(yǎng)化水體進(jìn)行原位脫氮處理，可以采用固定化微生物技術(shù)，使用硝化細(xì)菌能有效地去除富營養(yǎng)化水環(huán)境中的硝酸鹽氮，并部分降解水樣中的有機(jī)物。在高密度、閉合式鮭魚養(yǎng)殖池中，利用固定化反硝化細(xì)菌，可以有效地去除了養(yǎng)殖廢水中的NO3

--N。在降低硫化物方面，使用光合細(xì)菌可使池塘底泥中的硫化物含量下降，有機(jī)物含量下降，而水體中的溶氧量上升，有效改善了養(yǎng)殖水環(huán)境。在固定化載體研究方面，研究表明以碳酸鈣為成孔劑和環(huán)氧氯丙烷為化學(xué)交聯(lián)劑制備大孔聚乙烯醇載體（CPVAF）對(duì)硝化細(xì)菌進(jìn)行包埋，獲得了均一的孔徑和較高的理化穩(wěn)定性并使其表面積和擴(kuò)散系數(shù)增大，可以固定更多的菌體，達(dá)到更好的固定化效果。

三、固定化微生物存在問題與展望

（一）開發(fā)特定生物修復(fù)功能微生物資源

應(yīng)用固定化微生物技術(shù)修復(fù)養(yǎng)殖水體的核心是選擇具有特定生物修復(fù)功能的微生物，微生物的特性對(duì)養(yǎng)殖水體調(diào)控起著至關(guān)重要的作用，應(yīng)能充分利用污染水體中的污染物進(jìn)行自身增殖，實(shí)現(xiàn)污染物的吸附降解，使水體環(huán)境得以修復(fù)。目前，用于水質(zhì)修復(fù)的微生物種類主要是硝化細(xì)菌、芽孢桿菌、光合細(xì)菌等。因此，當(dāng)前有限的菌種資源便成為重要的制約因素，需要投入更多的人力和物力對(duì)具有特定功能的微生物進(jìn)行發(fā)掘。首先，確立明確的篩選目的，以特定污染物的降解或特定藻類的抑制作為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行微生物的定向篩選，獲得更多具有生物修復(fù)功能的微生物。按照來源來看，用于水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的微生物包括土著微生物和外源微生物。研究表明，相較于外源微生物，從養(yǎng)殖系統(tǒng)中分離出來的土著微生物對(duì)養(yǎng)殖系統(tǒng)有更好的適應(yīng)性和高效的去除能力。其次，在菌株的保存上，應(yīng)對(duì)相關(guān)特定生物修復(fù)功能微生物進(jìn)行分類，建立專業(yè)的菌種庫，結(jié)合信息技術(shù)建立完善的特定菌種數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)菌種的信息化管理，和其他菌種庫開展互相交換和補(bǔ)充菌株，充分利用各地資源。

（二）應(yīng)用高效廉價(jià)的固定微生物載體

理想的固定化載體能在生產(chǎn)中大量應(yīng)用并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，要求它必須價(jià)廉且高效。目前應(yīng)用的各種微生物吸附劑制備簡單，操作容易，反應(yīng)條件溫和，制備價(jià)格低廉，但微生物與載體的結(jié)合力較弱、穩(wěn)定性差，影響處理效果。如沸石和陶粒等價(jià)格相對(duì)低廉，但固定效果較差，且在自然水體的投加體積相對(duì)較大，可能影響到水體自身環(huán)境。而常用的高分子包埋載體制備工藝復(fù)雜，成本高，因此影響了這類載體的大量使用。如海藻酸鈉和殼聚糖等載體固定效果較好，但其加工成本較高，不利于實(shí)際應(yīng)用。總體上目前用于固定微生物的載體種類較少，且生產(chǎn)成本較高，形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)還有一定差距。因此，提高吸附劑的吸附能力，簡化包埋載體的制備工藝，使用和研究新型廉價(jià)的適合制備載體的高分子材料，有機(jī)高分子材料與無機(jī)多孔材料的結(jié)合等將是今后的研究熱點(diǎn)。同時(shí)，需要提高固定化載體的重復(fù)使用率，延長使用壽命，降低使用成本。

（三）研究開發(fā)新型高效的固定化微生物反應(yīng)體系

在傳統(tǒng)反應(yīng)器中應(yīng)用新型固定化微生物技術(shù)，無法充分發(fā)揮其效用。因此，原有生物反應(yīng)器的改進(jìn)以及適合固定化微生物的高效生化反應(yīng)器的研究，將是一個(gè)急需解決的問題。可以根據(jù)實(shí)際情況，開發(fā)出更適合于微生物固定化的高效生化反應(yīng)器，以此形成從微生物的篩選、馴化、固定化、實(shí)際應(yīng)用的完整系統(tǒng)。目前，生物膜法是國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，該方法主要是依靠固著于載體表面的微生物來去除水體中的有機(jī)物、氨氮和亞硝酸氮等，是循環(huán)水養(yǎng)殖模式的重要組成部分。從構(gòu)造物的形式分類，生物膜反應(yīng)器有4 種形式：生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、流化床和生物接觸氧化。

總體上，在我國由于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，養(yǎng)殖水體的污染程度越來越高，生物修復(fù)作為一種重要的手段受到越來越多的關(guān)注，這也是漁業(yè)綠色發(fā)展的必然需求，也是實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。固定化微生物技術(shù)能夠高效地使養(yǎng)殖水體凈化，通過建立高度凈化的廢水處理系統(tǒng)，有利于減少或避免養(yǎng)殖廢水的排出，降低環(huán)境污染，并有利于建立高密度循環(huán)式養(yǎng)殖系統(tǒng)，降低生產(chǎn)成本，從而促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)向環(huán)境友好、可持續(xù)的方向發(fā)展。因此，固定化微生物技術(shù)在養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用前景十分廣闊，通過技術(shù)方法的研究和不斷改進(jìn)，固定化微生物技術(shù)一定能在養(yǎng)殖廢水生物處理的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮巨大作用。