基于质构量化分析的净水菌胶囊制备及其性能研究

王青松，柳永，王新，孙宏，姚晓红，吴逸飞，汤江武＊，葛向阳＊

（1．华中农业大学农业微生物学国家重点实验室，武汉430070；2．浙江省农业科学院植物保护与微生物研究所，杭州310021）

基于质构量化分析的净水菌胶囊制备及其性能研究

王青松1，柳永2，王新2，孙宏2，姚晓红2，吴逸飞2，汤江武2＊，葛向阳1＊

（1．华中农业大学农业微生物学国家重点实验室，武汉430070；2．浙江省农业科学院植物保护与微生物研究所，杭州310021）

为提高净水菌剂的应用性能，通过固定化包埋处理，以实心载菌胶囊为研究模型，以质构量化分析数据为主要筛选依据，通过不同辅料配方和制作工艺对胶囊的硬度、黏聚性和弹性恢复进行比较研究，以筛选出较佳的辅料配方和加工工艺，并对较佳配方的载菌胶囊进行断面形貌观察、孔隙率测定、菌剂释放率测定和氨氮模拟污水净化实验．结果表明：较佳成囊壁材配方为V（4%海藻酸钠）∶V（10%聚乙烯醇）＝1∶9，固化液配方为4% H3BO4和4%CaCl2混合溶液，辅料硅藻土、沸石粉和竹炭的适宜添加量分别为20%～30%、20%～80%和20%～60%；胶囊为多孔结构，单独添加硅藻土、沸石粉、竹炭或三者混合添加下，胶囊微观结构存在差异，其中硅藻土、沸石粉和竹炭经包埋后比表面积和孔容均减小，孔径变化不大；24h内胶囊中菌剂的水体释放率较低，为1%～14%；载菌胶囊在模拟污水净化实验中，20h后各实验组氨氮质量浓度从1h时的39．3～44．7mg／L降低到0．1mg／L以下，其中未经包埋的菌株直接投放组降低最快，其次为混合1组［V（4%海藻酸钠）∶V（10%聚乙烯醇）＝1∶9，海藻酸钠和聚乙烯醇总体积10mL＋硅藻土1．5g＋沸石粉0．5g＋竹炭0．5g＋菌悬液2mL］和竹炭组，同时，总氮也出现不同程度的降低．总之，该研究采用的质构量化分析方法为净水菌固定化载体研究提供了可靠的数据支撑，研究获得的优化胶囊体系在质构和净水能力方面均表现出良好的性能，在环境污染水体微生物净化治理方面具有较大的应用潜力．

载菌胶囊；质构量化分析；内部结构；混合比例；氨氮降解

Journal of Zhejiang University（Agric．＆Life Sci．），2015，41（6）：712－722

SummaryThe technology for microorganism immobilization originated from the immobilized enzyme technology in the 1970s．After decades of development，it has been widely used in food fermentation and environmental protection，etc．Especially，microbe－embedded capsules have drawn substantial attentions fromresearchers due to their significant roles in water purification and sewage treatment．However，lack of consolidated standards has impeded their applications．Texture profile analysis（TPA）has been widely used in food industry for determination of product structure and quality，while its application in non－food field is yet to be explored．Therefore，in the present study，TPA was used for the development and optimization of bacteria－embedded solid capsule systems in the purpose of water purification．

To achieve this purpose，solid capsules were prepared with different materials，such as diatomite，zeolite powder and bamboo charcoal in different blending ratios．TPA was employed to characterize these capsules in respects of hardness，cohesiveness and elastic resilience（springiness）．Meanwhile，scanning electron microscopy（SEM）was adopted to investigate the sectional structure and pore size of these capsules．Furthermore，simulative experiments in both ultrapure water and sewage were carried out to examine the releasing velocity and water purification efficiency of these bacteria－embedded solid capsules．Combining with TPA and SEM，the factors influencing the internal structure of capsules including embedding／crosslinking medium，curing duration，and ingredient proportions were explored，thus providing standards and guidelines for the preparation of bacteriaembedded capsules for large－scale practical applications in the future．

The TPA data showed that a high ratio of sodium alginate in the embedding medium resulted in capsules with high strength，and polyvinyl alcohol rendered cohesiveness and resilience（springiness）to capsules．An optimal embedding medium system was established as follows：V（4%sodium alginate）∶V（10%polyvinyl alcohol）＝1∶9for embedding medium，while the mixture of 4%boric acid and 4%calcium chloride for crosslinking medium．The optimal concentrations of various materials were determined as follows：20%－30%for diatomite，20%－80%for zeolite powder and 20%－60%for bamboo charcoal．The optimal curing duration varied from 16 to 36h．The SEM images indicated the existence of internal microspores both at nanoscale and micron－size in the crosslinked capsules，and differences on microstructures of capsules were observed among single or combining addition of diatomite，zeolite powder and bamboo charcoal．Both specific surface area and pore volume decreased after embedding，but not for pore size．The releasing rates of bacteria in capsules in 24hwere low，from 1%to 14%．In the simulative experiments of the sewage purification，all groups，including bacteria－embedded capsule and free bacteria，showed good ammonia removal efficiency．The final concentration of ammonia was below 0．1 mg／L after 20h，while the initial concentration was 39．3－44．7mg／L．The bacteria－free group had the highest ammonia removal efficiency，followed by mixture 1group（1mL of 4%sodium alginate，9mL of 10%polyvinyl alcohol，1．5g diatomite，0．5g zeolite powder，0．5g bamboo charcoal，and 2mL bacterial culture）and bamboo charcoal group．Meanwhile，the total nitrogen concentration decreased at a certain degree．These results confirmed that these capsules were applicable for sewage treatment．

In conclusion，the present study establishes successfully standards and guidelines for the preparation of bacteria－embedded capsules on the basis of TPA in combination with SEM and simulative experiments．This profound step can accelerate the practical application of bacteria－embedded capsules in actual sewage purification．

微生物在水体污染物降解中扮演着无可替代的重要角色，其对有机物的矿化转化、对氮素的转化和反硝化脱除以及对磷的聚集固化是实现污染水体净化的重要的天然机制．2013年浙江省地表水省控断面监测显示的主要污染物——氨氮、石油类和总磷［1］均涵盖在微生物净化能力范畴之内．如何激活或强化微生物对特定污染物的净化能力，是开展污染水体生物治理研究的重要方向．

已有的污染水体微生物修复研究报道多见于环境处理微生物菌株的筛选和开发利用方面，多种微生物菌剂如球菌、假单孢菌、寡养假单孢菌、枯草芽孢杆菌等［2－6］已被应用于环境污水的治理中［7－8］．相比直投游离菌剂，固定化菌剂具有微生物密度高、便于培养优势菌群、加工稳定性高、环境耐受力强、可定点释放、发挥作用突出以及节约人力成本等优点，因而获得了越来越多的重视．已见报道的菌剂载体材料研究包括：陈慧英［9］制作了天然菌丝球载体，Lin等［10］以棉纤维为吸附载体用于石油污染处理，Liu等［2］以改性竹炭为固定化载体用于硝酸盐的去除，Zhou等［11］以复合聚氨酯泡沫为固定化载体用于Cu2＋的去除，Bai等［12］制作了多孔交联聚乙烯醇泡沫作为菌剂载体，Partovinia等［13］则采用冻融法制备了多孔聚乙烯醇菌剂载体材料，王兴南［14］制备了多孔型悬浮载体材料，等．菌剂包埋方式由最初的简单吸附发展为吸附、包埋、交联、截留等多种形式［15］．此外，也有一系列用于环境治理的高效生物反应器见于报道，如Zhao等［16］开发的曝气生物滤池（biological aerated filter，BAF），Xiao等［6］研发的AYC生物反应系统和Tong等［17］开发的固定化生物滤器，等．而上述净水菌剂负载体系对材料性能的评估主要采用硬度测定以及感官评定的方式进行，量化数据指标较少，质构性能表征不全面．质构分析（texture profile analysis，TPA）仪是一种感官量化测定仪器，主要用于对食品物性特点做出数据化的准确表述，能够从硬度、黏聚性以及弹性恢复3个方面对物体进行质构量化分析．完善的硬度、黏聚性和弹性恢复测试数据，为载菌辅料配方的筛选和制作工艺的优化提供了更科学可靠的量化依据，有利于高性能菌剂载体的获得．本文基于质构量化分析开展了净水菌剂的固定化包埋研究，获得了较佳的辅料配方和制作工艺，并在此基础上，对载菌胶囊进行了形貌观察、孔隙率测定以及模拟氨氮污水净化实验．

1 材料与方法

1．1 材料

1．1．1 实验菌株 W13菌株和蜡样芽孢杆菌，由浙江省农业科学院酶与发酵工程实验室从环境污水中筛选获得，具有高效降解氨氮和总氮的生理活性．

1．1．2 主要实验药品 海藻酸钠、聚乙烯醇（聚合度1 750±50）和柠檬酸钠均购自国药集团化学试剂有限公司；CaCl2购自Bio Basic公司（德国）；H3BO4购自杭州市高晶精细化工有限公司；竹炭（80目）购自四川省成都市郫县神火木炭有限公司，硅藻土（200目）购于浙江省嵊州市华力硅藻土制品有限公司，沸石粉（50目）购自郑州市凯岚水处理材料有限公司（这3种辅料使用前均经过高压灭菌处理）；胰蛋白胨和酵母提取物均购自英国Oxoid公司；其他化学试剂均为国产分析纯．氨氮模拟污水配方（1L）：NH4Cl 0．191g、柠檬酸钠2．94g、MgSO4· 7H2O 0．2g、NaCl 0．5g、K2HPO45．0g、KH2PO41．5g、微量元素液1mL、ddH2O 999mL，121℃高压灭菌30min，冷却后待用．其中，微量元素液配方（1L）：乙二胺四乙酸50g、CaCl25．5g、ZnSO42．2 g、MnCl2·4H2O 5．06g、FeSO4·7H2O 5．0g、（NH4）6Mo7O24·H2O 1．1g、CuSO4·5H2O 1．57 g、CoCl2·6H2O 1．61g、ddH2O 1 000mL，调节pH至7．0．

1．1．3 主要实验仪器 物性质构仪（TA－XTPlus，英国SMSTA公司）；物理吸附仪（ASAP 2010C，美国Micromeritics公司）；扫描电子显微镜（S－4700，日本Hitachi公司）；离心机（Sigma 3K18，德国Sigma公司）；高压灭菌锅（GI54D，美国Zealway公司）．

1．2 方法

1．2．1 胶囊体系的建立和优化实验

1．2．1．1 成囊壁材成分和固化液配方筛选．成囊壁材配方溶液：配制质量分数为4%的海藻酸钠水溶液（于60℃水浴溶解）和质量分数为10%的聚乙烯醇水溶液（现制现用），将海藻酸钠和聚乙烯醇溶液按照一定体积比混合获得5种成囊壁材溶液（A～E），即V（海藻酸钠）∶V（聚乙烯醇）＝9∶1，5∶1，1∶1，1∶5和1∶9．固化液配制：将H3BO4和CaCl2按一定质量分数和比例溶解于ddH2O水中，获得3组交联剂配方溶液，即1＃：1%H3BO4和4%CaCl2混合溶液，2＃：4%H3BO4和4%CaCl2混合溶液，3＃：4%H3BO4和1%CaCl2混合溶液，灭菌备用．

将A～E 5种成囊壁材溶液混合均匀后，使用一次性5－mL注射器（去针头）分别滴入到1＃、2＃和3＃固化液中，通过体系中海藻酸钠与Ca2＋、聚乙烯醇与H3BO4分别交联固化过夜制成胶囊，使用ddH2O冲洗胶囊后于超净台沥干并保存于4℃备用．取上述各组胶囊进行质构性能测试，以质构数据为标准筛选出较佳的成囊壁材配方和固化液配方．质构性能测试的主要参数如下：测前、测中和测后速度均为1．00mm／s，目标模式为距离模式，距离2 mm，保持时间5s，触发模式为自发模式，触发力0．049 03N，探头为SWS P／2，S＝3．14mm2．从每组样品中挑选粒径较均匀（直径约4～5mm）的5～6粒进行测定．

1．2．1．2 固化液对负载微生物的毒性实验．各取1 mL在LB（Luria－Bertani）培养基中37℃培养过夜的W13菌液，分别与90mL无菌ddH2O、2＃和3＃固化液混合均匀（根据前期实验结果不再对1＃固化液进行后续实验），于室温下静置并分别于30min、1h、2h、4h、8h、16h、24h取样，采用平板涂布计数法进行W13活菌计数．通过观察比较W13活菌数在固化液接触条件下是否降低来判断固化液对该菌株是否存在细胞毒性．

1．2．1．3 多孔辅料对胶囊质构性能改善效果实验．以成囊壁材溶液E为基础配方，按照每10mL成囊壁材溶液分别添加1．0、2．0、4．0、6．0和8．0g硅藻土、沸石粉或竹炭的比例添加辅料，各体系混合均匀后使用一次性5－mL注射器（去针头）滴注到2＃固化液中，固化过夜获得附加多孔辅料的胶囊，使用ddH2O冲洗胶囊后于超净台沥去多余水分并进行质构性能测试，以确定最适的辅料添加量．

1．2．1．4 最适固化时长筛选实验．根据确定出的最适辅料添加量，以成囊壁材溶液E为基础配方，分别添加硅藻土2．0g、沸石粉2．0g或竹炭3．0g，各体系混合均匀后使用一次性5－mL注射器（去针头）滴注到2＃固化液中，分别于1、2、4、8、16、24和36h取样得到不同固化时长的胶囊，使用ddH2O冲洗胶囊后于超净台沥去多余水分并进行质构测定（方法同1．2．1．1节），以确定最适的固化时长．

1．2．2 载菌胶囊的孔隙率测定及微观和宏观形貌观察 进行孔隙率测定的微胶囊以成囊壁材溶液E为基础配方，在10mL包埋壁材体系中辅料总添加量均为2．5g．其中，混合1组：m（硅藻土）∶m（沸石粉）∶m（竹炭）＝3∶1∶1，混合2组：m（硅藻土）∶m（沸石粉）∶m（竹炭）＝2∶1∶2，及3种辅料单一添加实验组，共5个实验组，将其混合均匀后使用一次性5－mL注射器滴入2＃固化液中固化约16h，制得微胶囊．

1．2．2．1 载菌胶囊孔隙率测定．取辅料硅藻土、沸石粉、竹炭原料以及1．2．2节中制备的5组胶囊各2．0g，于烘箱中50℃烘干过夜作为待测样品，根据氮吸附法对样品进行测定，即取一定量（＞1g）样品先进行脱气处理（160℃，12h），随后在液氮温度下进行氮气的吸脱附．根据Brunauer－Emmet－Teller（BET）方程和Barrett－Joyner－Halenda（BJH）模型分别计算出样品的比表面积和孔径分布等数据．

1．2．2．2 载菌胶囊扫描电子显微镜观察．取1．2．2节中制备的胶囊硅藻土组、沸石组、竹炭组，每组各3粒，将胶囊封闭在滤纸中，使用乙醇进行梯度脱水干燥：分别将胶囊依次置于30%乙醇，室温30min；50%乙醇，室温30min；70%乙醇，室温30min；80%乙醇，室温30min；90%乙醇，室温30min； 100%乙醇，室温30min，共2次．随后将胶囊浸于乙酸正戊酯中，15min／次，共2次．最后将胶囊置于干燥通风处自然干燥．待样品干燥、制样喷金后进行扫描电子显微镜观察．

1．2．2．3 净水实验的胶囊照片．取1．2．2节中所制的5组胶囊分别置于平板中，使用直尺作为实物比例尺，使用Nikon D5300相机进行照片拍摄，观察．1．2．3 胶囊的实验室模拟净水实验和释放实验

进行净水实验的胶囊实验组配方见1．2．2节，与其不同的是在各实验组中均加入已知浓度的菌悬液2 mL，并计算出各实验组胶囊的菌含量．在进行模拟净水实验时根据胶囊的菌含量对投菌量进行统一．间隔一定时间取水样测定水体中的氨氮和总氮含量．水质氨氮采用水杨酸分光光度法测定，参照HJ 536—2009进行［18］；水质总氮采用碱性过硫酸钾消解－紫外分光光度法测定，参照HJ 636—2012进行［19］．

分别取一定量上述胶囊投于经高压灭菌的超纯水和模拟污水中进行释放实验，每个实验组总投菌量控制在1．0×107CFU／mL左右，间隔一定时间后取水样于超净台上进行稀释涂布平板计数，确定水溶液中微生物的数量．通过对比水体中W13的活菌数判定胶囊中所包埋的微生物是否释放出以及在模拟污水中是否进行了增殖．

胶囊的菌含量计算方法：先称量空的平板和注射器（去针头）质量，记为m1（每组实验独立使用平板和注射器，不混用）．将聚乙烯醇和海藻酸钠加入平板，再将菌悬液依量加入，混匀，最后将辅料加入，体系混匀，称平板＋注射器（去针头）＋辅料＋菌悬液质量，记为m2．然后进行胶囊滴注，将混合均匀的胶囊体系吸入注射器，再将混合体系逐滴滴入装有4%饱和H3BO4溶液和4%CaCl2的烧杯中，交联固化过夜，称量残留有菌悬液及材料的平板和注射器，记为m3．将交联固化过夜的微生物胶囊用ddH2O冲洗3遍，沥去多余的水分，置于烘箱40℃稍微烘干，称量最终所得的胶囊质量，记为m4．（m2－m3）／（m2－m1）即为制得胶囊中所含菌悬液的比例，已知菌悬液添加量和最终胶囊的质量m4便可粗略计算出胶囊中的菌含量．

2 结果与分析

2．1 胶囊体系的建立和优化实验结果

2．1．1 不同混合比例的壁材在不同固化液中制备的胶囊质构测定结果 由表1可知，A、B、C、D和E 5种配方壁材形成的胶囊硬度呈现出A＞B＞C＞D＞E的变化趋势，且这一硬度变化趋势在1＃、2＃和3＃固化液中均同步出现．由于从A到E配方是海藻酸钠浓度逐步降低而聚乙烯醇浓度逐步升高的变化过程，说明胶囊硬度与海藻酸钠浓度呈正相关，即较高海藻酸钠浓度对获得高硬度胶囊有利，反之则有利于低硬度胶囊的获得．对各组别黏聚系数和弹性（恢复系数）的比较（表1）发现，聚乙烯醇浓度较高的D和E配方中胶囊的黏聚系数和弹性（恢复系数）普遍高于A、B和C等聚乙烯醇浓度较低的配方（1＃中除外，这可能是由于1＃中H3BO4浓度过低，胶囊壁材体系不能形成有效交联），即较高的聚乙烯醇浓度有利于高黏聚系数和弹性恢复系数胶囊的获得．对固化液成分与胶囊质构性能相关性分析发现，较高的CaCl2浓度有利于海藻酸钠形成较高硬度的固化物，如海藻酸钠浓度最高的A配方壁材，在CaCl2质量分数为4%的1＃和2＃固化液中形成的胶囊硬度［1＃－A：（3 357．10±355．64）μN和2＃－A：（2 313．49±107．51）μN］显著高于其在CaCl2质量分数为1%的3＃固化液中所形成的胶囊硬度［3＃－A：（1 771．74±205．41）μN］．此外，在CaCl2质量分数同为4%时，H3BO3质量分数为4%的2＃固化液较H3BO3质量分数为1%的1＃固化液在A和B壁材配方下所形成的胶囊硬度均显著降低，这表明H3BO3对海藻酸钠固化结构的形成存在较大干扰．比较不同质量分数CaCl2的2＃和3＃固化液中胶囊的黏聚系数和弹性（恢复系数）发现，CaCl2对聚乙烯醇的固化结构形成无显著性干扰．

表1 不同包埋体系和固化液组合实验中各组胶囊质构数据Table 1 Textural data of capsules prepared with different embedding materials in different curing liquids

2．1．2 固化液对W13菌株的毒性测试结果 由图1可知：2＃和3＃固化液对实验菌株W13均存在一定的毒性作用，其中，3＃固化液的毒性弱于2＃；用2种固化液处理24h后，W13的存活率均在80%以上．说明2＃和3＃固化液均可用于包埋W13胶囊的制备，本实验中以2＃为佳．以后的实验可根据包埋菌剂的不同选择不同的固化液浓度．

2．1．3 不同材料组合的胶囊质构测定结果 表2显示：在包埋壁材体积为10mL时添加硅藻土、沸石粉和竹炭后胶囊硬度均增高，当添加量均为4g时，用这3种辅料制备的胶囊硬度与2．1．1节中2＃－E组相比，增幅分别为296．25、487．16和22 342．04μN，其中竹炭对胶囊硬度的增强效果最显著；当添加量为1～6g时，胶囊硬度的升高与添加量的升高呈正相关，而黏聚性、弹性恢复与添加量呈负相关；当竹炭用量进一步增加到8g时，胶囊硬度出现回落，黏聚性和弹性恢复则进一步降低．这表明适宜的添加量有利于较佳胶囊硬度、黏聚性和弹性恢复的获得．此外，由于以竹炭作为净水菌剂载体对体对提高净水性能有一定的增强效应［2］，本实验采用较高的竹炭添加水平．综上，当包埋壁材体积为10 mL时，硅藻土添加量在2．0～3．0g、沸石粉添加量在2．0～8．0g、竹炭添加量在2．0～6．0g时，胶囊在各方面的性能均表现良好．

图1 固化液对W13菌株数量的影响Fig．1 Effects of curing liquid on quantity of strain W13

表2 不同材料组合胶囊的质构数据Table 2 Textural data of microcapsules with different material combinations

2．1．4 在不同固化时长下胶囊质构测定结果

从表3可以看出：当添加物为硅藻土时，在固化8～36h期间，胶囊硬度逐渐增加，尤其在固化24h和36h时，胶囊硬度增加最为显著，固化36h时的胶囊硬度较固化1h时提高了120．5%，表明硅藻土胶囊的理想固化时间较长，以16～36h为宜；当添加物为沸石粉时，胶囊的质构参数未随固化时长出现规律性变化，固化36h时的胶囊硬度较固化1h仅提高了27．9%，表明处理1h以上即可良好固化沸石组胶囊；当添加物为竹炭时，在固化1～8h期间，胶囊硬度逐步升高，在8h时达到最高值（21 540．89± 562．13）μN，在固化时长延长到36h的过程中，胶囊硬度发生回落，幅度为14．9%～25．0%，最低硬度为（16 157．65±1 544．68）μN．综合分析认为，在混合添加硅藻土、沸石粉和竹炭情况下胶囊固化时长以16～36h为宜，胶囊各项质构参数均可保持在较高水平．

表3 在不同固化时长下胶囊的质构数据Table 3 Textural data of microcapsules under different curing time

2．2 胶囊孔隙测定及微观和宏观形貌观察结果

2．2．1 胶囊孔隙测定结果 由表4可知：在3组材料中以竹炭的比表面积最大，沸石组的平均孔径最大，在胶囊的内部存在很多的小孔，尺寸大小在纳米级别．对单一辅料胶囊实验组与原材料孔隙测定结果比较可知：各组胶囊的比表面积均有所下降，如硅藻土原材料组比表面积为4．954 9 m2／g，而硅藻土组胶囊比表面积为3．516 0m2／g；孔容也均出现下降，如竹炭原材料组孔容为0．116 7cm3／g，而竹炭组胶囊孔容为0．052 7 cm3／g．这说明有部分成囊壁材和微生物被固定于辅料的孔隙中．

表4 胶囊及原材料的孔隙测定结果Table 4 Porosity determination result of microcapsules and raw materials

图2 不同材料组胶囊的扫描电镜图Fig．2 Scanning electron micrograph for microcapsules of different materials

2．2．2 胶囊的扫描电子显微镜观察结果 由图2可知：实验所制的胶囊内部存在大量微米级和纳米级空隙，相比硅藻土、竹炭或混合添加组，沸石组胶囊内部孔隙较小、交联更为密集；在各组胶囊中，菌体细胞被胶囊内部网状结构拦截而留存于胶囊孔隙中（如图2中箭头所示）．胶囊表层的菌体可能会脱落进入外界水体并流失，胶囊内部菌体则被截留于胶囊内部，能够定点净化水体．

2．2．3 胶囊宏观形貌观察结果 图3所示为进行净水实验的5组胶囊．各组胶囊颗粒直径均为4～5mm，硅藻土组为白色胶囊颗粒，竹炭组为黑色胶囊颗粒，沸石组为土黄色胶囊颗粒，混合组为深浅不同的黑色胶囊颗粒．

图3 进行净水实验的胶囊形态Fig．3 Microcapsule form applied in the experiment of water purification

2．3 胶囊中包埋微生物的释放实验和实验室模拟净水实验结果

2．3．1 胶囊在超纯水及模拟污水中的释放统计

从图4A可以看出，胶囊中的微生物在释放到模拟污水环境后进行了增殖，微生物数量在8h后迅速提高，在16h左右达到了107数量级，菌体总量超过投加量．从图4B可以看出：在超纯水中，24h内W13菌数始终保持在较低水平，尤其是沸石组（ZP）菌数最低，相比之下其他各组释放量略高于沸石组，这与在图2中观测到的ZP组的致密孔隙结构特点相吻合；各组菌体释放率为1%～14%．

2．3．2 在净水实验中氨氮降解和总氮去除结果

由图5A可知：在模拟污水降解实验中，各胶囊实验组均能降低模拟污水中的氨氮值；在处理16h时，各处理组氨氮降解速度为直投（CK）＞混合1组（M1）＞竹炭组（BC）＞混合2组（M2）＝沸石组（ZP）＞硅藻土组（DE）；经处理20h时，各组模拟污水中氨氮值均降低到0．1mg／L以下，降解率达到99．7%以上．同时，24h后各实验组模拟污水中的总氮值均有不同程度的下降，其中，直投组总氮值下降最多，胶囊组中以沸石组和混合1组的总氮值降低较多（图5B）．

3 讨论

图4 载菌胶囊在人工模拟污水（A）和纯水（B）中对W13菌的释放Fig．4 Cumulative release of strain W13from microcapsules in artificially simulative sewage（A）and ultrapure water（B）

固定化成囊壁材的性能是影响固定化菌剂应用效果的关键因素之一，净水菌剂成囊壁材的强度、透水性、黏聚性和弹性等性能对菌剂载体形貌和结构的保持，以及净水应用性能的发挥具有重要意义．本文基于质构量化分析开展了净水菌剂固定化体系的研究，并获得了净水性能较佳的载菌胶囊配方．高浓度聚乙烯醇、低浓度海藻酸钠壁材配方和竹炭辅料在载菌胶囊稳定性和硬度提高上贡献最大．首先通过海藻酸钠和聚乙烯醇的交联固化，形成胶囊载体的基础多孔结构．在海藻酸钠上α－L－古罗糖醛酸与钙离子的交联为可逆反应，在环境应用中比较容易导致载体结构崩溃，但α－L－古罗糖醛酸和CaCl2的交联反应迅速（约100s），这对成囊壁材成型有利，且易形成硬度较高的凝胶［20］．聚乙烯醇与H3BO4反应形成牢固的化学键［21］，其反应速度较慢但在水环境中稳定性好．基于容易成型和高环境稳定性的要求，该研究最终采用高浓度聚乙烯醇－低浓度海藻酸钠配方制备载菌胶囊壁材．对高浓度聚乙烯醇壁材配方的选择，进一步决定了适宜的固化液配方为高H3BO4含量的固化液配方．其次，通过多孔辅料的添加进一步改善胶囊载体的质构性能，尤其在添加竹炭后胶囊硬度增加幅度超过了40倍，远高于同为轻质多孔结构的硅藻土．其原因可能与竹炭上携带较多-OH 和O基团有关［22］，竹炭上的OH可能参与了聚乙烯醇与H3BO4间的配位聚合反应，使得聚乙烯醇链得以固定于竹炭颗粒表面从而获得支撑力，并最终表现为胶囊硬度大幅增高．

图5 在净水实验中氨氮（A）和总氮（B）变化Fig．5 Change of ammonia nitrogen（A）and total nitrogen concentrations（B）in the experiment of water purification

胶囊的净水效果主要由菌剂的活性决定，菌剂活性的发挥又与菌剂的存活状态密切相关．在实验室模拟污水中，游离的W13菌剂对氨氮和总氮的去除能力均高于其胶囊化包埋固定菌剂，究其原因与包埋处理后胶囊结构对菌剂与被降解物之间接触造成的阻碍有关．对净水菌剂固定化包埋的目的是提高其对流动水体的定点净化治理能力，在能够保证良好定点治理的基础上，尽可能高的保持其对污染物的降解活性是净水菌剂固定化的主要研究目的．根据实验数据计算，竹炭组胶囊在16h时对氨氮的去除率为直投菌剂的60．7%，混合1组胶囊的79．7%．在该研究中，竹炭组和混合1组载菌胶囊在实现菌剂良好固定化的同时，其净水性能也获得了较高程度的保持．

4 结论

该研究基于质构量化分析进行了胶囊壁材、辅料、固化剂和固化时间等因子的优化筛选工作，通过质构数据的量化分析获得了较佳的净水菌剂载菌胶囊制备工艺，并开展了净水性能验证工作．结果表明，基于质构量化分析获得的菌剂固定化包埋体系在胶囊机械性能和净水性能上均有良好表现．较佳的载菌胶囊体系为4%海藻酸钠1mL，10%聚乙烯醇9mL，竹炭2．5g或硅藻土、沸石粉和竹炭混合物2．5g（硅藻土1．5g＋沸石粉0．5g＋竹炭0．5 g），菌悬液2mL，混合均匀后于固化液（4%H3BO4和4%CaCl2混合溶液）中固定16～36h即可．在实际生产应用中可根据需要制备成球状、片状或条状载菌形式．该研究中良好载菌体系的获得与基于质构量化分析的胶囊制备工艺优化方法密不可分．建立质构量化分析方法在净水菌剂载体研究中的拓展应用将对菌剂载体性能量化评价和综合性能的标准化评价发挥积极的作用．

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Preparation and performance study of water purification bacteria－embedded solid capsules based on texture profile analysis．

Wang Qingsong1，Liu Yong2，Wang Xin2，Sun Hong2，Yao Xiaohong2，Wu Yifei2，Tang Jiangwu2＊，Ge Xiangyang1＊
（1．State Key Laboratory of Agricultural Microbiology，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China；2．Institute of Plant Protection and Microbiology，Zhejiang Academy of Agricultural Sciences，Hangzhou 310021，China）

bacteria－embedded capsules；texture profile analysis；internal structure；blending ratio；ammonianitrogen degradation

Q 814．2；X 172

A

10．3785／j．issn．1008－9209．2015．01．291

浙江省国际合作项目“微纳米材料增效净水活菌胶囊剂研制及应用＂（2012C24021）．

＊通信作者（Corresponding authors）：汤江武（http：／／orcid．org／0000－0003－0562－8983），Tel：＋86－571－86404323，E－mail：tangjiangwu＠sina．com；葛向阳（http：／／orcid．org／0000－0002－8941－1230），Tel：＋86－27－87281040，E－mail：gxy＠mail．hzau．edu．cn

联系方式：王青松（http：／／orcid．org／0000－0001－9599－6186），E－mail：weixiaochunfeng＠163．com

2015－01－29；接受日期（Accepted）：2015－04－21；< class="emphasis_bold">网络出版日期

日期（Published online）：2015－09－30

URL：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／33．1247．S．20150930．1651．002．html