微生物菌剂的应用及其研究进展

祝虹钰++刘闯++李蓬勃++逯凯琪++刘广新++王新

摘要：通过分离、纯化以及正交试验等一系列方法获得优势菌，采用固定化技术将其与载体制备成微生物菌剂。相对传统微生物处理，生物菌剂具有更强的降解能力、更广阔的发展潜力及更好的市场前景。目前，微生物菌剂在农业、污染物降解、堆肥、水质净化等领域都得到了普遍的应用。

关键词：微生物菌剂；应用；研究现状；生物强化

中圖分类号：X506 文献标识码：A 文章编号：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 微生物菌剂的概念

微生物在自然界中无处不在，小到单个细胞，大到地球生物圈。从陆地到海洋，从养殖业、畜牧业到农业，从食品工业、制药工业到印染、纺织、制革等，凡是涉及有机物各种工业的工艺流程都与微生物息息相关。其具有个体微小、代谢旺盛、分布广、数量多的特点，还具有强大的分解能力，它们的活动保障着生态系统的物质循环，净化着生态系统，协调着生态平衡[1-4]。

目前，中国是世界上环境污染最为严重的国家之一，大气、河流、湖泊、海洋和土壤等均受到不同程度的污染。当前中国社会经济保持着高度发展的态势，社会进步促进了工农业生产能力的提高，使人民生活得到进一步改善，但是也随之带来不同程度的环境污染。由人类活动所造成的环境污染和环境质量的恶化已成为制约中国社会和经济可持续发展的障碍。如何在经济高速发展的同时控制环境污染，改善环境质量，实现社会经济可持续发展，是中国目前有待解决的重要问题之一。

微生物菌剂技术[5]已是环境保护中应用最广、最为重要的一项技术。其在水污染控制[6]、大气污染治理，有毒有害物质的降解、清洁可再生能源的开发、废物资源化、环境监测、环境污染的修复和污染严重的工业的清洁生产等环境保护的各个方面，发挥着极为重要的作用。应用微生物菌剂技术处理污染物时，最终产物大都是无毒无害的、稳定的物质，如二氧化碳、水和氮气等。并且利用微生物菌剂方法处理污染物通常能够一步到位，避免了污染物的多次转移，因此它是一种消除污染安全而彻底的方法。

在许多生化过程中如果仅靠一种微生物或自然菌群，处理的效果往往很难达到理想的程度，而向自然菌群中添加特定功能的复合微生物菌，复合微生物与自然界菌群协同作用，将会提高系统对特定污染物的降解能力，从而改善整个体系处理难降解物质的能力。该技术具有高效、稳定、节省投资的特点，这些添加的复合微生物菌群即可成为微生物菌剂[7]。

1.2 微生物菌剂的特性

在理想的生化处理系统中，微生物群落结构在正常运行条件下保持高度的稳定性，而当环境条件发生变化时，微生物群落结构可以做出相应的调节，从而维持微生物的生态平衡。所以，功能菌的获取以功能菌群的富集方式进行。在正常的环境条件下具有相同功能的物种只有一个或少数几个具有分解相应污染物的能力，其余物种暂时显得并不那么重要或者作用并不那么明显，一旦环境条件发生变化影响原来发挥分解功能的物种，其余物种作为后备力量可起到替代作用，从而保证生化系统的相对稳定性[8]。

针对不同的污染物、处理目标和现场操作条件，构建简单易行、行而有效的微生物菌剂，对于体系处理能力和微生物的适应能力具有十分重大的意义。特别是在城市污水处理上，从废水中分离纯化得到的菌种[9，10]，对菌种进行降解性能测定，并利用正交试验法等多种方法获得降解优势菌，使用固定化技术[11-13]将其与载体制备成复合型微生物菌剂，同时找到菌剂使用的最优化条件，并结合实际对复合型微生物菌剂的性能进行研究[14，15]。不论是技术还是管理方面都比较成熟，绝大多数的污水处理厂都能实现水质的稳定达标排放。

2 微生物菌剂应用

2.1 用于农业生产

目前，中国微生物菌剂的发展十分迅速，随着对其研究的日益深入，这种绿色环保、高效节能的产品也越来越多地应用于人们的生活中。微生物菌剂最重要的应用之一体现在农业生产中的广泛应用[16，17]，而用于农业生产的微生物菌剂，一般需具有以下主要性能或作用。

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

2.1.2 提高地力 活化土壤有机与无机养份，提高肥效率，促进作物循环、长效吸收利用，增根壮苗果实饱满。

2.1.3 改良土壤 改善土壤团粒结构，消除板结，提高保水保肥能力，抗旱、抗逆、抗寒、抗倒伏，中和酸碱度，降低土壤重金属和盐碱毒害。

2.1.4 增根、发苗、壮秧 有益微生物在繁殖代谢过程中，可分泌细胞分裂素、吲跺乙酸、维生素、本乙酸、赤霉素等植物生长素及氨基酸等活性物质，强力促进增根、生根，壮根等过程，使作物具备茎粗、苗壮、移栽缓苗快等特点。

邵秀丽[18]利用乳酸菌、酵母菌、放线菌、光合菌以及醋酸菌5种菌株制备了一种针对提高大蒜产量的复合菌剂，在该复合菌剂与肥料配施的情况下提高了大蒜株高、茎粗等农艺性状，同时改善了大蒜苗期的生长状况，促进了其根系发育，最终提高了作物的产量。龚方等[19]认为现代化农业快速发展导致一系列的污染问题，微生物资源和技术在现代生态农业中发挥着巨大的作用，农用微生物菌剂是由一种或多种从自然界分离纯化的微生物菌种经工业化生产扩繁后加工制成的活菌制剂。可以实现绿色生态农业，以确保食品的优质性与安全性。

2.2 用于难降解污染物

针对微生物对环境修复的局限性，采用微生物菌剂技术，不仅避免了二次污染问题，而且污染物降解效果显著提高。与此同时也解决了微生物对环境的严格要求这一问题，使微生物的适应性与稳定性明显增强。

高鹤南等[20]通过菌株的筛选，得到可降解烟嘧磺隆等特定菌株，并将其制备成液态菌剂，通过对菌剂制备过程中的最佳工艺条件确定，最后得出该菌剂对烟嘧磺隆的降解率可达到88.6%左右，为农药污染土壤的生物修复提供了一条新的途径。叶峰等[21]将驯化后具备高效降解三苯类物质能力的活性污泥作为种泥，在特定载体上发酵扩大培养，制成了复合微生物菌剂，通过对制备工艺条件的优化，使得该菌剂具有了较好的稳定性，同时保持了较高的污染物降解率。李旭东等[22]利用红球菌属、微小杆菌属、芽孢杆菌、假丝酵母和短状杆菌等菌株以一定的比例制得一种微生物菌剂，并将其用于处理炼油废水，取得了较好的效果。

2.3 用于堆肥

微生物菌剂在堆肥中也取得了广泛的应用，其通过不同菌种之间的协同作用，不仅对厨余垃圾降解效果显著，而且极大地缩短了堆肥的时间。这种微生物菌剂堆肥的方式，由于其较低的成本、较短的腐熟时间，具有广阔的市场前景。

席北斗等[23]将康氏木霉、白腐菌、变色栓菌、EM菌、固氮菌、解磷菌、解钾菌按15∶15∶15∶25∶10∶10∶10的比例制成复合的微生物菌剂，并将其用于垃圾堆肥中，试验结果显示所制得的菌剂通过几种菌株之间的共代谢作用有效地降解了堆肥中的各种物质。徐锐[24]以厨余垃圾和一些环境样品为菌源，从中分离出高效降解菌株，采用混合培养制备复合型微生物菌剂，并对培养条件与处理工艺进行了最优化，经过筛选、优化和组合，最终选取其中13株优势及高效微生物菌株作为菌剂的组成菌，其中包含5株常见的厨余垃圾高效降解菌和3株高效专一降解菌；经过比较，自制的复合菌剂对厨余垃圾降解有较为明显的效果，可以进行开发和应用。方亚曼[25]针对嘉兴市的畜禽污染现状，从当地堆肥中培养出液态复合微生物菌剂，目前该菌剂继代培养能达到50倍，大大降低了菌剂的成本。将自制菌50倍继代培养后所得液态复合微生物菌剂用于猪粪堆肥，并与市场上其他商用微生物菌剂进行对比，试验结果表明，自制微生物菌剂满足堆肥要求，较商用菌剂使堆肥腐熟时间缩短5～8 d，并且其肥料成品含水率较低，更适合保存。若在发酵床上接种自制微生物菌剂，相对于普通水泥地面养殖，可以明显改善养殖猪舍的环境，降低环境中的氨气，同时猪只料肉比降低。

2.4 用于水质净化

在水质净化方面，不论是针对生活污水还是工业废水、农业废水，微生物菌剂均取得了突破性的进展。在生活污水的处理中，与常规微生物相比较，其对COD、氨氮处理效果有明显的提高，也解决了运行成本高等问题。

钟华[26]首先利用植物源培养液将动物源微生物发酵驯化为植物源微生物，再将植物源微生物驯化为植物源趋磁性微生物，最后负载于沙状矿物石粉上形成生物矿化物，生成净化菌剂。该种菌剂解决了普通的微生物水质净化处理菌剂泼洒下去只浮于表面、易被水流冲走、需经常投放、运行成本高等问题。文娅等[27]利用从食材中筛选纯化的特定微生物制成复合菌剂，添加不同比例的菌剂，并在供养条件不同的情况下处理生活污水，以COD与氨氮作为参考指标，效果不同。试验结果表明，菌剂投加量在0.5%～1%时对污水中COD去除效果更显著；而在自然、厌氧和曝气3种情况下，COD去除率分别提高8.77%、11.22%、11.11%；对于污水中氨氮的去除，自然和曝气条件下，菌剂对氨氮去除率更明显，曝气条件下该菌剂对氨氮去除率达52.28%；以0.5%的菌剂投加量，曝气2 d，COD与氨氮去除率可分别提高11.11%和14.13%。所以该菌剂对生活污水有良好的净化效果。

2.5 用于北方低温环境

在中国北方高纬度地区，城市生化处理系统的水温10～25 ℃之间，低于最佳生化反应范围（15～35 ℃）[28]。特别是在冬季，低温会对微生物活性、底物的利用速率、活性污泥的吸附和沉降性能[29]等均会产生一定的影响，进而影响生化系统的处理能力与稳定性。另外，低温还会延长运行周期。因此，低温是影响北方污水处理体系至关重要的非限制性生态因子，而构建微生物菌剂是为了实现缩短运行周期和稳定运行。对于城市污水，构建微生物菌剂主要是针对城市污水中脂类、糖类和蛋白质三大底物对低温菌进行筛选和驯化。把城市污水作为菌源，不仅可以降低成本，还可以避免细菌之间的相互竞争，提高菌种间的适应性与持效性，从其中分离筛选低温菌，然后进行驯化，对低温微生物的数量与活性进行加强，构建高效的功能菌群，依靠微生物的协同降解作用来去除污染物。

中国北方一直由于低温的原因导致生化处理中微生物数量与活性不足，而使处理效果不理想，污水中有机物不能被迅速降解，出水水质难以达标。运用本方法构建的微生物菌剂已经成功进行了多个不同工艺类型和规模的城市污水生化处理系统的低温快速启动。城市污水处理厂A/O生化处理系统在启动调试期间的进、出水水质情况：该生化池进水的COD、氨氮浓度分别在184.0～275.9 mg/L、34.4～50.7 mg/L范围波动，尽管出水水质也随之波动，但出水COD、氨氮平均浓度分别低至55.1 mg/L和2.2 mg/L，达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的一级B标准。在生化池平均水温为13 ℃的条件下，采用投加微生物菌剂的方式，仅仅用14 d就完成生化池的启动，而其他研究人员在水温为12～23 ℃的条件下，需要近3个月的时间才完成生化系统中污泥的驯化过程[30]。另外，传统微生物在冰封期时对有机污染物降解远不如流动期，所以这种特定功能的微生物菌剂对寒冷地区河流水质净化处理具有重要作用。

3 总结

现如今，微生物菌剂已经在污水处理、堆肥、农业等领域得到广泛的应用。微生物菌剂的应用相对一些化工产品等更具有经济效益，也更加符合绿色环保的理念。微生物菌剂不仅适用于南方气候，也考虑到北方的低气温气候，它比一般微生物处理废水所需的运行周期要缩短很多，运行也更加稳定，同时，出水水质中COD与氨氮也有明显的降低，这在中国南北大纬度差异的环境下具有很大的现实意义和发展潜力。

同时，科技的发展也充分证明微生物菌剂技术是环境保护的理想武器，这一技术在解决环境问题过程中所显示的独特功能和显著优越性充分体现在它是一个纯生态过程，从根本上体现了可持续发展的战略思想。由于微生物菌剂具有的高效率、低成本和专一性的特点，为微生物菌剂技术在环境保护中的应用展示了更为广阔的未来和前景。

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