微生物絮凝剂在水产养殖废水处理中的应用展望

罗亮，赵志刚，都雪，徐奇友

（中国水产科学研究院黑龙江水产研究所，黑龙江 哈尔滨 150070）

微生物絮凝剂在水产养殖废水处理中的应用展望

罗亮，赵志刚，都雪，徐奇友

（中国水产科学研究院黑龙江水产研究所，黑龙江 哈尔滨 150070）

微生物絮凝剂可降解、易分离，降解产物对环境无毒无害，不产生二次污染，广泛应用于水处理中。本文综述微生物絮凝剂产生菌（絮凝菌）的种类与培养、絮凝机理及其在工农业污水处理中的应用，尤其是在水产养殖废水处理中的应用，提出构建以生物絮团技术为基础的我国节水减排型池塘养殖模式。

微生物絮凝剂；水产养殖；生物絮团；节水减排

近年来，我国水产养殖业飞速发展。2014年我国水产养殖总产量为4 748.41万t，占我国水产品总产量的73.49%[1]。随着养殖模式从传统粗放型到高密度集约型发展，养殖水体自身污染问题日益凸显[2]：高污染、高投入和低效益限制水产养殖业的发展，负面效应愈加显现；养殖中饲料利用率较低，大量残饵、生物代谢物以及动植物尸体厌氧发酵等使养殖水体有机物、无机氮、磷等营养物质超标，养殖水体的理化和生态环境恶化；大量工业废水、生活污水排入使养殖水体呈现富营养化[3]。因此，探求高效、安全的修复养殖池塘环境措施，构建健康生态的养殖技术模式是我国水产养殖业可持续发展的关键。微生物絮凝剂是利用现代生物技术，在微生物或微生物的分泌物中通过发酵、抽提等过程制得的无毒、无二次污染的新型高效水处理剂。它广泛应用于工业废水、城市生活污水及供给水处理等，而将其作为水产养殖废水处理剂的却不多。本文综述微生物絮凝剂产生菌种类与培养、絮凝机理、微生物絮凝剂在工农业废水处理过程中的应用等最新进展，重点展望微生物絮凝剂在水产养殖废水处理中的应用前景。

1 微生物絮凝剂产生菌

1.1 絮凝剂产生菌的种类

微生物絮凝剂是微生物在生长代谢过程中所获得的一类具有絮凝作用的大分子活性物质。最早由Louis Pasteur发现，他观察到发酵液中的酵母可以使细菌相互聚集并沉淀下来。美国学者Butterfield首先从活性污泥中筛选并分离到微生物絮凝菌。目前，至少发现了60种微生物絮凝菌，广泛分布于土壤、水体中[4]。这些絮凝菌包括细菌、放线菌、真菌和藻类等[5]，其中研究较多的细菌有节杆菌属[6]Arthrobactersp.、Kurane等[7]从旱田土壤筛选的红平红球菌Rhodococcus erythropolis，和Suh等[8]分离的芽胞杆菌属Bacillus sp.；放线菌主要有Salehizadeh等[9]报道的诺卡氏菌属Nocardiasp.和Nakamura等[10]报道的酒红色链霉菌Streptomyces vinaceus；真菌主要有酱油曲霉[9]Aspergilus sojae、酿酒酵母[11]Saccharomyces cerevisiae和拟青霉属[12]Paecilomyces sp.等；藻类中能作为产絮凝微生物的种类较少，已经报道的主要是项圈蓝细菌Anabaenposis circularis、沙漠眉藻Calothrix desertica和席藻属Phormidium sp.[9]。由于它们的化学组成、活性、絮凝范围、合成分泌条件各不相同，在实际应用中具有较大的选择空间。日本从20世纪70年代开始筛选絮凝剂产生菌，从活性污泥和土壤中筛选到大量不同类型的产絮凝剂微生物[7]，20世纪80年代开始研究絮凝剂的化学特性及其产生条件，向产业化方向发展。近十年来，人们开始探索絮凝剂的组成结构和产絮凝剂的相关基因。我国对微生物絮凝菌的研究起步较晚，但也取得很大进展。邓述波等[13]、王镇等[6]、刘紫娟等[14]分别筛选出不同的絮凝菌株，研究其絮凝特性；马放等[15]首次提出复合型微生物絮凝剂的概念，研究实际应用开发问题；李霞等[16]从活性污泥中获得具有较高絮凝活性的混菌株MBFH，利用正交试验优化培养条件，使其絮凝率提高到88%。

1.2 絮凝剂产生菌的培养条件

1.2.1 培养基的组成

培养基类型众多，根据所选择目标菌的作用而选择不同的筛选培养基。培养基的组成主要包括以下三种物质：①碳源。它为微生物的生长繁殖提供能量，选择适宜的碳源对微生物的生长及降低生产成本具有重要作用[17]。Kurane等[18]研究发现，用果糖为碳源培养产碱杆菌，所获得的絮凝剂数量要多于其他碳源；利用葡萄糖、半乳糖和果糖等作为碳源所产生的絮凝剂质量也要优于淀粉和麦芽糖。②氮源。它为微生物合成蛋白质提供氮素，选择适宜的氮源及组成比例对微生物的繁殖具有重要作用[19]。Kurane等[18]发现，以尿素和硫酸铵作为氮源可以促进絮凝菌的繁殖，加快微生物产生絮凝剂。适宜的碳氮比也是培养基组成的关键。有学者发现，碳氮比为60～114时，絮凝活性较高，而碳氮比低于60或高于114时絮凝活性大幅降低[20]。③金属离子。它影响絮凝菌的生长及絮凝剂的产生。连宾等[21]研究发现，不同金属离子显著影响硝酸盐细菌GY03菌株的絮凝活性。顾美英等[22]从新疆荒漠土壤中筛选出一株絮凝菌新菌株，即欧文氏菌属Erwinia sp.，钙离子（Ca2+）具有良好的助凝效果。宫小燕等[23]研究表明：钙离子（Ca2+）、镁离子（Mg2+）、锰离子（Mn2+）和铁离子（Fe3+）等二价、三价金属离子能促进絮凝菌Bacillus sp.B-2的絮凝作用，且促进作用随着Ca2+浓度的增加而加强。

1.2.2 培养基的pH

每种微生物絮凝菌均有其最适pH范围。Kurane等[18]在碱性环境条件下筛选出Rhodococcus erythropolis，其最适pH为8.0～9.5。邓述波等[24]从霉菌中筛选出曲霉属Aspergillus sp.寄生菌株，在初始pH为3.0时对高岭土有很强的絮凝性。

1.2.3 培养温度

培养温度影响微生物产生微生物絮凝剂。一般来说，多数产生絮凝剂的微生物的最佳温度为25～35℃。高温会改变絮凝剂的蛋白质或肽链结构，低温也会使絮凝菌的生长变慢[25]。

1.2.4 通气量

大部分微生物絮凝菌都是好氧菌，在早期培养阶段要提高通气量以促进微生物的生长，中后期要根据实际情况适当调整通气量[25]。有学者发现，过高的通气量虽然对红球菌属Rhodococcus sp.的细胞生长繁殖没有影响，但却会显著降低其絮凝剂的产生量。

1.2.5 培养条件的优化

培养基成分、pH、温度及通气量等因素对微生物絮凝菌的繁殖及絮凝剂的产生具有重要的影响，通过正交试验等方法对培养条件进行优化，得出各因素对产絮凝剂微生物影响显著性的大小和各因素的最佳水平，确定最佳培养条件[26]。

1.3 研究方向

虽然人们对微生物絮凝剂及絮凝剂产生菌已有多年研究历史，但是研究内容及深度还远远不够，目前的研究主要集中在絮凝菌筛选、鉴定及培养条件优化等方面，大规模絮凝剂生产及应用的研究较少。今后微生物絮凝剂及絮凝剂产生菌的研究方向应侧重在以下几点：①深入研究微生物合成条件、影响因素以及絮凝菌基因等，利用基因工程手段来改造并获得具有高效絮凝活性的工程菌；②加强分析微生物絮凝剂本身组成特性，研究絮凝机理，从根本上掌握微生物絮凝剂的性质；③增强对复合型微生物絮凝剂的应用研究，摸索出其最适复合比例等；④选择价格低廉、可替代的产微生物絮凝剂培养基，如利用制糖工业中所产生的糖蜜作有机碳源可以促进微生物絮凝菌的生长。

2 絮凝机理的研究

微生物絮凝剂是由微生物细胞体或其代谢物获得的具有一定絮凝性能的活性物质。微生物絮凝剂种类不同，其絮凝剂性质和絮凝机理也不相同。目前有关絮凝机理的学说主要有以下几种，其中被广泛接受的是架桥学说[27,28]，即絮凝剂利用化学键中的离子键、氢键结合一些颗粒物质，在颗粒物质之间起到“桥梁”作用，连接成网状结构而沉淀。Levy等[29]在研究絮凝剂絮凝膨润土的过程中测定等温线和Zeta电位，得到絮凝剂是以“架桥方式”进行絮凝。国内也有很多学者试验验证了架桥学说。王志等[30]研究发现，微生物絮凝剂G5主要通过架桥絮凝来絮凝高岭土；张媛媛等[31]测定微生物絮凝剂MBFGA1的有效成分，推测其主要为吸附架桥；邓述波等[32]研究发现：从硅酸盐芽孢杆菌得到的微生物絮凝剂MBFA9分子量较大，含有适宜的羧基，使絮凝剂分子充分伸展，较好地发挥吸附架桥作用。部分学者也提出其他的絮凝机理并进行验证，如电性中和学说、卷扫作用及化学反应机理等。Takeda等[33]、Wang等[34]通过加入金属离子或者调解pH等方法来改变絮凝剂的带电性，进而影响其絮凝效果，验证了电性中和学说；Hantula等[35]从温度影响絮凝效果推测絮凝机理是通过化学反应来实现。

3 微生物絮凝剂在水处理中的应用

微生物絮凝剂因来源广泛、环保、无二次污染等成为普遍采用的一种水处理剂，广泛应用于城市生活污水、工业废水、燃料废水、建材废水处理中。①城市生活污水处理。国内的河流和湖泊及其他水体均受到不同程度的城市生活污水污染，严重威胁生活饮用水、畜牧养殖用水。牛志卿等[36]从污水处理厂的回流污泥中分离并纯化出微生物絮凝菌TJ3，通过改变微生物絮凝剂和助凝剂CaCl2溶液的添加量，最终发现TJ3菌株对果汁悬浊液、豆浆悬浊液絮凝率高达80%，对淘米废水絮凝率达到78%。庄源益等[37]通过添加细菌、酵母等方式处理城市生活污水，有效降低水体中的CODCr和BOD5。②工业废水处理。周本军和林波[38]利用絮凝剂MNb-1处理靛蓝废水，发现在靛蓝废水pH12、助凝剂量为2.4mL、微生物絮凝剂量为0.3～0.4mL条件下去除率高达88.5%。刘彬彬等[39]用微生物絮凝剂处理造纸中段废水，发现微生物絮凝剂M-2对废水中CODCr去除率达70%左右，浊度去除率高达90%以上，其絮凝效果优于传统絮凝剂。③染料废水脱色。染料废水是一类色度和有机物含量高的难降解废水。微生物絮凝剂可凝聚不易沉淀的悬浮颗粒物、胶体颗粒物等，在染料废水处理中应用较多。赵军等[40]筛选出两株菌株（ZJTL2、KJTD6）进行复合培养，以处理印染废水，在最优条件下COD和色度去除率超过80%。在微生物絮凝菌液投入量为2mL、培养90h、pH5～7的条件下，染料废水中CODCr的去除率达57.1%[41]。④建材废水处理。利用微生物絮凝剂处理悬浮物含量高的建材废水，浊度去除率也高。杨如柱等[42]从土壤中分离筛选出三种菌株A91、A92、A2处理涂料废水，最高废水絮凝率为78.1%。

4 微生物絮凝剂在水产养殖废水处理中的应用前景

近年来，我国水产养殖业快速发展。然而，过低的饲料利用率导致大部分所投喂的饲料仍然以氮、磷等形式存在于养殖废水中[43]。这些水产养殖废水大量排入河流、湖泊甚至海洋中，造成水体的富营养化甚至发生赤潮等灾害。建立一套适合我国水产养殖业可持续发展的高效健康养殖技术模式[44]，改善养殖水环境成为我国水产养殖业可持续发展的关键。Hende等[45]利用微藻细菌絮凝技术规模化处理水产养殖废水。用益生菌等微生物制剂调控水产养殖水体[46]、生物浮床技术[47]、人工湿地净化技术[48]等也广泛应用于水产养殖废水处理和净化过程中。以色列养殖专家Avnimelech提倡的生物絮团技术具有降低饲料消耗、减少养殖污水排放等优点，是比较先进的水产养殖技术之一[49]，目前在对虾、罗非鱼养殖中应用较多。赵志刚等[50]也将其应用于我国北方地区鲤池塘养殖中并取得较好的效果。

与工业废水、城市生活污水相比，水产养殖废水的特点是：①碳、氮、磷等营养物质含量较高，可以促进微生物的生长繁殖；②CODCr、BOD5及固体悬浮物等相对含量较低，易于处理[51]。这些都是应用微生物絮凝剂处理水产养殖废水的重要基础。生物絮团技术在我国水产养殖中的应用尚处于起步阶段。通过微生物富集、分离纯化，筛选出适合养殖池塘应用的高效微生物絮凝剂产生菌群，应用到养殖池塘中，通过其分泌的微生物絮凝剂来促进生物絮团在池塘中的形成，以改善池塘水环境，降低饲料系数、促进生长等作用，最终形成一套适合于我国水产养殖池塘的高效、健康、节水养殖模式及生物修复工艺。

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Application and Prospect of Microbial Flocculants in Aquaculture Wastewater Treatment

LUO Liang,ZHAO Zhi-gang,DU Xue,XU Qi-you
（Heilongjiang River Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Harbin 150070,China）

Microbial flocculants have been widely applied in water treatment due to the advantage of biodegradability,easy separation, and nontoxic and harmless degradation products without generating secondary pollution.The current research on microbial flocculants-producing bacteria,their flocculating mechanism and the application of microbial flocculants in treating industrial and agricultural wastewater are reviewed,especially for aquaculture wastewater.Our studies suggest an immediate need to promote the development of water saving and less effluent mode in pond aquaculture based on bio-floc technology in China.

microbial flocculants;aquaculture;bio-floc;water saving and less effluent

X172

A

1005-3832（2016）05-0060-05

2016-04-05

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（HSY201407）；黑龙江省科技攻关（GZ13B016）；现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS-46-16）.

罗亮（1986-），男，助理研究员，从事池塘生态与微生物调控研究.E-mail:luoliang@hrfri.ac.cn