微生物絮凝劑在凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水研究中的應(yīng)用

■ 文遙 劉小燕 馮興浪 陳睿 李純

（1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院 湖南 長沙 410128；2 桃江縣竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心 湖南 桃江 413413）

水產(chǎn)養(yǎng)殖中對水質(zhì)環(huán)境要求較高。水質(zhì)環(huán)境的優(yōu)劣是關(guān)乎水產(chǎn)養(yǎng)殖成功與否關(guān)鍵的因素之一。在水產(chǎn)養(yǎng)殖中其影響水質(zhì)環(huán)境的因素較多，其中溶氧、氨氮以及亞硝酸鹽等最為常見。一般情況下，養(yǎng)殖水體溶氧量應(yīng)保持在5mg/L～12mg/L之間，亞硝酸鹽含量要低于0.1mg/L、氨氮濃度要低于0.2mg/L，這樣才能保障水產(chǎn)品的健康生長。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)作為我國的重要行業(yè)之一，飼養(yǎng)規(guī)模的日益擴大，飼養(yǎng)管理模式由原有粗放型向集約化轉(zhuǎn)型，水產(chǎn)增養(yǎng)殖業(yè)蓬勃發(fā)展。

但同時，在集約化養(yǎng)殖過程中，隨養(yǎng)殖密度持續(xù)加大也使得水體環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，養(yǎng)殖水體中產(chǎn)生了大量的養(yǎng)殖污染物，如過剩飼料，生物排泄物等會導(dǎo)致水體受污染嚴(yán)重，養(yǎng)殖水體中大量病菌滋生，不適于養(yǎng)殖水產(chǎn)品的生長。因此，探求低成本、高效率的“新型”養(yǎng)殖尾水凈化技術(shù)，對推進水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

1 微生物絮凝劑的概述

1.1 微生物絮凝劑的定義

微生物絮凝劑是基于現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，把微生物菌種類發(fā)酵、提取后被制出的安全無毒、高效環(huán)保且具備生物分解性的高分子水處理劑。因具備能讓水體中懸浮顆粒以及各種有害菌體等凝聚并沉淀的特質(zhì)，且不會對水環(huán)境造成二次污染，而成為研究領(lǐng)域的一大熱點。不過，目前微生物絮凝劑還存在絮凝性能不穩(wěn)定、處理成本較高以及發(fā)酵工藝不完善等問題，這些都限制了在實踐應(yīng)用中的發(fā)展。

1.2 絮凝劑的研究概況

1876年，微生物絮凝劑首次被Louis Pasteur發(fā)現(xiàn)于啤酒釀造中發(fā)酵酵母的絮凝現(xiàn)象。而后，國外學(xué)者Butterfield等相繼發(fā)現(xiàn)某些菌種具備同等效果，經(jīng)篩選與分離獲得微生物絮凝菌。1976年，國外研究人員Nakamura等人通過從放線菌和細(xì)菌等214種微生物類菌種中精心篩選了共計19種具備絮凝功能的微生物菌種。這打開了我國研制新型細(xì)菌絮凝劑技術(shù)的大門，此后開始進行大量實驗研究并應(yīng)用于實踐。國內(nèi)相對起步較晚，復(fù)合型微生物絮凝劑已成為當(dāng)前主要的研究趨勢。馬放等首次提復(fù)合型生物絮凝劑的概念，將其開研究開發(fā)應(yīng)用于實際生活。國外由最初的傳統(tǒng)類絮凝劑轉(zhuǎn)向研究開發(fā)新型的微生物類絮凝劑。早年研究出來的微生物絮凝劑功能性較為單一，作用于水體后呈絮團狀，廣泛應(yīng)用于處理城市居民生活污水、工業(yè)廢水以及農(nóng)業(yè)廢水等。雖然此類絮凝劑在污水處理等方面具備相對較大的優(yōu)勢，但因國內(nèi)外技術(shù)尚不成熟，制造成本過高，暫時仍無法將微生物絮凝劑大規(guī)?；度肷a(chǎn)使用，這也嚴(yán)重限制了微生物絮凝劑在未來的使用發(fā)展。

2 微生物絮凝劑的分類及絮凝機理

2.1 微生物絮凝劑的分類

微生物絮凝劑是由微生物自身或在其生長過程中衍生的具有絮凝形狀的代謝產(chǎn)物，可大致分為4大類：這類微生物自身就能產(chǎn)生絮凝劑，如分布于土壤、活性淤泥等環(huán)境中的霉菌、藻類以及酵母放線菌等；從微生物細(xì)胞壁提取而來的絮凝劑；微生物細(xì)胞的代謝而來的絮凝劑；基于現(xiàn)代分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)克隆產(chǎn)生的高效絮凝特性絮凝劑，可用于處理水產(chǎn)養(yǎng)殖中存在的水體富營養(yǎng)化等問題。

2.2 微生物絮凝劑的絮凝機理

微生物絮凝劑的形成過程較為復(fù)雜，大量研究表明其產(chǎn)生菌的種類不同，其所產(chǎn)生的絮凝劑性質(zhì)、絮凝作用的機理也有所不同，當(dāng)前較為受大眾接受的絮凝機理理論主要有電荷中和、網(wǎng)捕卷掃以及吸附架橋作用等。

吸附架橋?qū)W說。當(dāng)前“吸附架橋”學(xué)說的接受度較高，即微生物絮凝劑利用氫鍵和離子鍵這兩個化學(xué)鍵結(jié)合范德華力吸附膠體顆粒物質(zhì)，通過產(chǎn)生架橋作用將這些顆粒物質(zhì)聯(lián)結(jié)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的絮凝體，在重力作用下快速沉淀分離。鄧述波等研究發(fā)現(xiàn)由硅酸鹽芽孢桿菌產(chǎn)生的絮凝劑MBFA9的絮凝機理為吸附架橋，其絮凝效果較佳主要在于分子量較大，含有適宜的羧基，能更好地激活絮凝劑分子活性發(fā)揮吸附架橋的作用。張媛媛、王志等都在研究微生物絮凝劑時發(fā)現(xiàn)在其絮凝過程中存在吸附架橋作用；馬放等認(rèn)為雖在絮凝過程中存在架橋作用，但其關(guān)鍵在于離子鍵的結(jié)合，而張永奎等則認(rèn)為與離子鍵結(jié)合的關(guān)聯(lián)性不大。

網(wǎng)捕卷掃學(xué)說。網(wǎng)捕卷掃卷作用本質(zhì)即機械作用，該學(xué)說認(rèn)為在投放微生物絮凝劑到一定量時，絮凝劑就會聚集形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與水體中的膠體微粒產(chǎn)生反應(yīng)，將其卷掃網(wǎng)捕成沉淀物，最終在重力作用下而分離沉降。

電荷中和學(xué)說。水體中的膠體物質(zhì)攜帶負(fù)電荷，當(dāng)將帶有正電荷的微生物絮凝劑投入水體，在適宜的條件之下，正反電荷間相互反應(yīng)會減少電荷密度使得膠體顆粒之間產(chǎn)生吸附作用，相互迅速凝聚而沉淀。Takeda等在研究生物絮凝劑活性影響因素時發(fā)現(xiàn)通過改變反應(yīng)體系如加入金屬陽離子或調(diào)節(jié)pH值等能刺激微絮凝劑的活性從而影響其絮凝效果，使得電性中和學(xué)說得到驗證。

此外，微生物絮凝劑的整個絮凝過程是較為復(fù)雜的，不能單靠某一種機理完全闡述。房亞玲等研究微生物凝集劑MBFS1發(fā)現(xiàn)其絮凝過程是多種機理共同作用的結(jié)果。

3 微生物絮凝劑產(chǎn)生菌培養(yǎng)的影響因素

3.1 絮凝劑產(chǎn)生菌培養(yǎng)基的組成

微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的培養(yǎng)基種類較多，可以根據(jù)所挑選目標(biāo)菌的功能而篩選不同的培養(yǎng)基。培養(yǎng)基的組成主要包括如下幾種物質(zhì)：

3.1.1 碳源

它是微生物生長的重要營養(yǎng)元素之一，能為其生長和繁殖供能，挑選合適的碳源能夠有效的促進微生物的成長和減少培養(yǎng)成本。徐長繪等從土壤和活性污泥中篩選出一株絮凝能力穩(wěn)定高效的新菌株H14菌株，對其形態(tài)、生態(tài)環(huán)境及營養(yǎng)方面特征進行研究，在以葡萄糖、可溶性淀粉以及蔗糖等作為碳源時，其產(chǎn)生菌的絮凝活性要優(yōu)于果糖或乳糖等其他碳源，對H14菌株而言，葡萄糖更易于其吸收利用，有利于絮凝劑的產(chǎn)生，為最佳碳源。

3.1.2 氮源

它是微生物構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要材料，選擇適宜的氮源對微生物的繁殖十分重要。章素平等發(fā)現(xiàn)使用尿素和硫酸銨作為氮源能促進目標(biāo)菌種的繁殖，有效提高微生物絮凝劑的產(chǎn)出。蔡芬芬等將篩選出的一株絮凝活力較好的S-2菌株，在進行絮凝劑產(chǎn)生菌的培養(yǎng)基優(yōu)化時發(fā)現(xiàn)，S-2菌株在使用蛋白胨作為氮源時表現(xiàn)得效果最好，成為該產(chǎn)生菌的最適碳源。

3.1.3 金屬離子及其它無機離子

在絮凝菌的生長和繁殖過程中，金屬離子和無機離子或不可缺的營養(yǎng)物質(zhì)。它能對絮凝產(chǎn)生菌的生長進行調(diào)節(jié)，影響其絮凝劑的產(chǎn)出。張學(xué)哲等研究發(fā)現(xiàn)，鈣離子（Ca2+）、鈉離子（Na+）、鋅離子（Zn2+）、鐵離子（Fe3+）都對K8菌株具有助凝作用，其中鈣離子（Ca2+）的助凝效果最好；張曉飛等在研究產(chǎn)生菌死谷芽孢桿菌Z11時發(fā)現(xiàn)二價金屬離子能減少膠體分子間的排斥力，有效激活絮凝活性，提高絮凝效果。

3.2 微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的培養(yǎng)條件

3.2.1 pH值

在進行微生物絮凝劑產(chǎn)生菌培養(yǎng)時，每一種絮凝劑菌株都有最適宜的pH值范圍。徐長繪等從土壤和活性污泥中富集純化出的H14菌株，在培養(yǎng)初期，最適pH為7.0利于菌株的生長，但當(dāng)繁殖量最大時，最適pH為5.0的絮凝劑產(chǎn)出最高。田瑜琳等研究志賀氏菌（Shigella Castellani）菌株ZF-1時發(fā)現(xiàn)，在初始pH為7時可達(dá)到最佳絮凝效果。

3.2.2 溫度

溫度也是影響微生物絮凝劑產(chǎn)生菌產(chǎn)出的重要因素之一，主要是蛋白質(zhì)類絮凝劑受影響居多。適宜的溫度有助于提高絮凝劑的產(chǎn)出速率，優(yōu)化絮凝活性。溫度過高或過低，都會導(dǎo)致絮凝劑產(chǎn)生菌生長變緩，其絮凝劑活性下降失去部分凝集能力。Ryuichiro Kurane等研究發(fā)現(xiàn)紅球菌屬（Rhodococcus erythropolis）在制備絮凝劑時的有利底物是果糖（或葡萄糖）、尿素和酵母提取物，其適宜pH范圍為8.5～9.5，適宜培養(yǎng)溫度30℃。

3.2.3 通氣量

好氧型微生物絮凝劑產(chǎn)生菌需根據(jù)實際情況供氧才能促進生長，保證絮凝劑的產(chǎn)出率。李琳等發(fā)現(xiàn)不同的供氧量會對微生物絮凝劑的產(chǎn)生有影響，絮凝劑產(chǎn)生菌早期生長繁殖期要加大通氣量，保證供氧充足，促進菌株的新陳代謝；絮凝劑產(chǎn)生菌培養(yǎng)后期，應(yīng)適量降低通氣量，以防微生物菌體繁殖的太快，導(dǎo)致過早的死亡，所產(chǎn)生的絮凝劑只能用于菌體自身的分解利用，其絮凝活性被降低。但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，通氣量的變化對于某些微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的絮凝劑產(chǎn)出影響不大。

3.2.4 接種量

不同的接種量不僅影響微生物菌的繁殖與生長還會影響絮凝劑的產(chǎn)出。羅平等研究發(fā)現(xiàn)篩選出的微生物絮凝劑產(chǎn)生菌菌株C-6當(dāng)接種量為2%時效果最佳。當(dāng)接種量不足，菌體繁殖過慢很難在短期內(nèi)形成一定的菌體濃度，不利于絮凝劑的累積；而接種量超標(biāo)會導(dǎo)致菌株初始濃度太高，大量消耗營養(yǎng)物質(zhì)，不利于絮凝劑的生成。

4 微生物絮凝劑的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)絮凝劑比較而言，微生物絮凝劑不僅絮凝效果更佳，其產(chǎn)生菌體來源十分廣泛，培養(yǎng)周期較快，制成生物絮凝劑作用于水體后產(chǎn)生的絮體穩(wěn)定且能達(dá)到良好的凈化作用。其絮凝后的物質(zhì)也易被生物降解，不會造成第二次污染，對環(huán)境傷害性小。具有適用廣、絮凝活性高、處理效果好、安全無毒等特性。

同時，微生物絮凝劑的破乳能力強，能有效加快污泥絮凝聚集的速度，減少泥膨現(xiàn)象，提高脫泥處理效率，且絮凝沉淀物更易過濾，這是當(dāng)前傳統(tǒng)類絮凝劑所不具備的。研究表明，經(jīng)MBF NOC-1處理后的醫(yī)學(xué)制藥廢水，其活性污泥的污泥體積指數(shù)會快速下降，污泥異常膨脹的情況得到了解決，提高了活性污泥的沉降能力。

此外，微生物絮凝劑可有效吸附金屬離子，降低廢水中金屬離子類的含量，有效凈化廢水。劉燊等將化學(xué)絮凝劑與微生物絮凝劑對比發(fā)現(xiàn)，微生物絮凝劑在去除水體中金屬離子鉛、鋅等的含量時，效果比傳統(tǒng)化學(xué)絮凝劑更好。

5 微生物絮凝劑應(yīng)用于凈化養(yǎng)殖尾水處理的應(yīng)用前景

近年，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，大量的養(yǎng)殖尾水排入江河湖泊等，破壞水質(zhì)生態(tài)環(huán)境。有研究表明水產(chǎn)行業(yè)實現(xiàn)集約化養(yǎng)殖確實具有周期短、產(chǎn)量高、效益高等優(yōu)勢，但在養(yǎng)殖過程養(yǎng)殖水產(chǎn)物種僅能保留住20%～30%的飼料營養(yǎng)素，其余則被排出體外，快速在養(yǎng)殖水域環(huán)境內(nèi)大量積累飼料殘渣、排泄物等，導(dǎo)致養(yǎng)殖水體惡化。因此，高濃度代謝產(chǎn)物引起的水質(zhì)惡化是集約化養(yǎng)殖業(yè)面臨的一大難題，相關(guān)從業(yè)人員如何解決水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的凈化問題已成為當(dāng)前我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一大關(guān)鍵。隨著微生物絮凝劑在生活污水、工業(yè)廢水等廢水處理上所體現(xiàn)出來的優(yōu)勢，讓相關(guān)研究人員萌發(fā)了將微生物絮凝劑應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)實踐生產(chǎn)的念頭，并將其付諸于行動。Hende等人通過使用微藻細(xì)菌絮凝技術(shù)處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，使其達(dá)到現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)；陳紅菊等在研究有益菌類絮凝劑時發(fā)現(xiàn)添加該類有益菌種能有效改善水質(zhì)，降低養(yǎng)殖水體中的亞硝酸鹽含量，起到凈化水質(zhì)的作用。此外，在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中，微生物絮凝劑所形成的生物絮凝體可作為魚蝦類的餌料，在減少養(yǎng)殖污水排放的同時可促進水體內(nèi)魚類、蝦類的生長，減少飼料消耗。Avnimelech等人推出了一種通過微生物蛋白質(zhì)的合成從水中吸收氮來誘導(dǎo)氮控制的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)控制方法，能有效的降低飼養(yǎng)成本，適用于魚、蝦養(yǎng)殖，且能有效凈化養(yǎng)殖水體。此外，有研究證明水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水較之工業(yè)廢水和城市生活污水而言，水體中氮、磷等的含量相對較高，固體懸浮物等含量相對較低，更易于凈化處理。當(dāng)前，微生物絮凝技術(shù)在我國水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的應(yīng)用仍處于起步階段。通過篩選出一系列適宜于水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用的微生物絮凝劑產(chǎn)生菌群，用以改善養(yǎng)殖水體環(huán)境、減少餌料消耗、促進水產(chǎn)品生長，最終形成一套高效、完善、健康的生物修復(fù)工藝。

6 總結(jié)展望

微生物絮凝劑作為備受關(guān)注的新興水處理劑，在水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水凈化處理的過程中仍存在費用過高、工藝不成熟、徐凝不穩(wěn)定等局限性。在未來，研究人員應(yīng)在掌握微生物絮凝劑現(xiàn)有提煉技術(shù)或知識的前提下，做到更為有效的降低微生物絮凝劑生產(chǎn)成本并不斷提高其工藝技術(shù)，探索出能大規(guī)模、高產(chǎn)量提煉微生物絮凝劑的技術(shù)或方法，使得微生物絮凝劑在水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的處理上得到更為廣泛的推廣與應(yīng)用。（參考文獻略）