微生物菌剂在污染水体治理中的研究进展

2022-10-13马兴冠唐玉兰何亚婷李亚峰

三峡生态环境监测 2022年3期

马兴冠，董畅，唐玉兰，马悦，何亚婷，李亚峰

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，沈阳 110168）

随着人类在生产生活过程中产生的大部分污染物被排放到了水体中，对人类健康及生态平衡造成了威胁。当水体被污染到丧失水体功能和自净能力时，需采取必要的人工修复措施来恢复水体功能和自净能力[1]。目前常用的水体修复法有物理、化学和生态法，其中物理和化学法是直接打涝清理或者投入净化水体的化合物，而生态法是通过某些工程手段以强化环境中的微生物、植物、动物等的生物净化作用，使水体中的污染物得到降解的方法。微生物修复属于生态法的一种，主要是向水体中投加微生物菌剂或能够激发土著微生物活性的物质。微生物菌剂是利用菌群构建等方法将一种或几种有益菌株以适当比例组合配制成的生物制剂[2-3]，能够高效降解特定污染物，改善水质和恢复水体生物多样性[4]。微生物是微生物菌剂的主要功能成分，在地球上普遍存在，具有即使在无氧或极端条件下也能发挥作用的能力[5]，且对环境无二次污染，可直接投加到污染水体中。微生物菌剂修复污染水体还具有成本低、操作简单等特点，近年来在污染水体修复中取得了良好的效果，成为水体微生物修复技术的研究热点之一。

本文从常用菌种、微生物菌剂配方研制、微生物菌剂固定化技术研发和微生物菌剂应用等方面对微生物修复技术进行了系统的综述，同时介绍了微生物菌剂在水体修复领域应用和存在的问题，并对此提出了建议。

1 微生物菌剂

1.1 作用原理

微生物是水体生态系统中的分解者之一，通过一系列由酶催化的生化反应完成对污染物的分解和转化[6]。水体中的污染物为微生物细胞生长繁殖提供营养物质，从而促进微生物分泌活性酶用于污染物的降解[7]。微生物对污染物的降解离不开酶的诱导及酶活性的维持，水体被污染后pH、温度、氧化还原电位等发生的变化会影响酶活性，使微生物对污染物的降解进程变缓。微生物菌剂在投加到污染水体后，可在局部成为优势菌群，引导土著微生物向良性方向活动，加快对污染物的降解[8]。

1.2 常用菌种

国内外研制成功的微生物菌剂及有关微生物菌剂的研究报道中使用较多的菌种有芽孢杆菌属、假单胞菌属、放线菌、乳酸菌、酵母菌和红螺菌属等（见表1），其中前三者在生长繁殖过程中大量分泌蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶、脂肪酶等多种胞外酶，使水体中有机污染物被快速分解，如蛋白质、淀粉和脂肪等大分子有机物[9]。Verbaendert等[10]研究发现反硝化作用是芽孢杆菌属成员的一个共性；对污染物的去除集中在有机物、氮及重金属离子上。红螺菌属是光合细菌中应用较为广泛的一个菌种，在光照缺氧条件下将不同有机物作为供氢体和碳源来合成自身物质，因此能够降解多种有机物；在无光照有氧条件下能进行有氧呼吸，分解小分子有机物[11]。

2 微生物菌剂的研制

早在20世纪70年代美国、日本、欧洲等发达国家或地区就开始研制微生物菌剂，并形成了系列化的产品，如丹麦诺维信的BI-CHEM、日本的EM菌、美国碧沃丰的BZT系列及美国艾尔克蒙的Clear-Flo等[8]。国外产品中较为成功的是日本琉球大学比嘉照夫教授研制的EM菌，它主要由以光合细菌、酵母菌、乳酸菌和放线菌为主的10个属80余种微生物混合发酵制成，已广泛应用于养殖业、种植业及环境净化等不同领域[27]。我国对微生物菌剂的研究起步较晚，国内市场的微生物菌剂多为从日本引进的EM菌或由多种功能微生物复配的菌剂[28]。目前我国一些高校、科研院所对微生物菌剂的基础研究也较为深入，除了研究直接使用商业化微生物菌剂对污染水体的修复效果外，还针对应用过程中不同的需求开展了微生物菌剂配方研制、微生物菌剂固定化技术、微生物与其他方法联合使用等方面的研究，并获得了一些成果。

2.1 微生物菌剂配方研制

2.1.1 菌种的获取

高效降解菌的获取渠道主要有三种：一是从被污染的环境中分离纯化；二是利用特定培养基或长时间特殊驯化培养获得；三是利用基因工程技术构建基因工程菌。采用从土著环境中分离纯化的微生物进行水体修复能够避免微生物与土著菌之间存在竞争关系、无法适应当前环境等导致其活性低的问题。Guo等[29]从太湖中分离出一株施氏假单菌T1（Pseudomonas stutzeriT1），研究发现其具有异养硝化-好氧反硝化能力，在最佳培养条件下投加该菌株到太湖水样中，氨氮（NH4+-N）和硝酸氮（NO3--N）的去除率分别达到60%和75%，水质由Ⅴ级到Ⅱ级。研究者通过选择不同培养基或改变培养基成分来获得能够降解特定污染物的菌株，如冯爱娟等[30]以高浓度（NH4）2SO4为唯一氮源，从市售腐乳中筛选出了一株高效氨氮降解菌；巩彧玄等[31]利用能够观察到颜色变化的培养基，从腐熟好的秸秆、粪便等周边土壤中富集分离出一株苏云金芽孢杆菌，能够有效降解养猪污水中的污染物。自然界中一些具有特殊降解功能的微生物并不能通过传统的培养技术分离得到，因此基因工程菌的构建逐渐得到研究者们的关注。基因工程菌是利用基因工程技术将不同微生物的降解基因重组获得的功能微生物，这类微生物的降解性能得到显著提高或获得了新的降解性能。

2.1.2 菌剂复配

配方的确定是对菌剂中微生物组合方式及配比的研究，目前研究者们已通过各种方法进行了微生物复配，常见的方法如表2所示。

表2 常见配方确定方法Table 2 Examples of common formula determination methods

除表中所列常见方法外，郭静波等[40]结合生态原理研究了微生物的复配方法，首先分析制约处理系统中微生物效能的限制性生态因子，再针对限制性生态因子构建菌剂。如低温城市污水处理厂限制性生态因子为温度，构建菌剂时需对耐冷微生物的数量和活性进行强化；石化废水中含有大量难降解有机物，其限制性生态因子是难降解有机污染物的种类和浓度，构建菌剂时需要提高该类微生物的数量和活性。朱胜杰等[41]依据生长曲线、未驯化单菌的处理效果和驯化后单菌的处理效果分别构建了菌剂COD-01、COD-02和COD-03，对比3种菌剂对印染废水的化学需氧量（COD）去除效果，结果表明，菌剂COD-03是处理效果最优的复合方式。

2.2 菌剂固定化

微生物在生长过程中能够分泌黏性物质自絮凝成团，但有些微生物少量产生或不产生该种物质，因此，菌剂在使用过程中菌体有可能流失[42]，降低菌剂的耐受性和处理效果。微生物固定化技术的出现解决了这一问题，目前该技术的研究方向主要有两方面：固定化方法的研究和固定化载体的研究，其中固定化方法的研究依附于载体的研究。

根据微生物与载体材料之间的相互作用，常用的固定化方法有吸附法、包埋法和交联法，近年来还出现了一些新型固定化方法，如无载体固定化法、联合固定法等。吸附法是固定化方法中最传统的方法，微生物通过结合作用力吸附到载体表面。常用于吸附法中的载体材料多为天然存在的多孔性无机材料，如活性炭、沸石、生物炭、膨润土、粉煤灰等。由于结合作用力较弱，选择合适有效的载体材料成为该方法的关键。为增强微生物与载体的结合强度、提高载体的生物负载量，学者们研发了一些改性载体材料，如镧/铝改性沸石、磁性纳米材料、酸碱改性吸附材料等。包埋法是固定化方法中应用最广泛的方法，利用聚合物能形成凝胶的特性将微生物包埋在凝胶内部[43]。常用于包埋法的载体材料具有多孔结构，如海藻酸盐（SA）、卡拉胶、琼脂、聚丙烯酰胺（PAM）、聚乙烯醇（PVA）等，污染物和代谢产物容易进入载体内部，并且这些材料耐生物降解，可以长期保存和反复利用[44]。包埋法的载体材料强度高、微生物稳定性好，但传质阻力较大，影响微生物细胞代谢过程，一般只适用于底物是小分子的处理系统。交联法属于无载体固定法的一种，主要通过交联剂产生的共价键使微生物细胞相互结合。该方法微生物之间的结合强度高，但交联过程反应剧烈，对微生物细胞的活性影响较大[45]。另一种无载体固定法是利用微生物自身絮凝成团的特性达到固定化目的，形成的絮团适宜微生物生存，菌藻固定化技术是这种方法的代表[44]。联合固定法是使用两种或两种以上的固定方法对微生物固定，该方法弥补了单一方法的不足，更好地保留了微生物的活性，提高了微生物菌剂的处理性能。

3 微生物菌剂的应用

3.1 微污染水体

微污染水体是指受到工农业和生活污水污染，其中部分指标超过《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中Ⅲ类水规定的饮用水源水[46]。微污染水体主要受有机物的污染，其来源主要有两部分，一部分是生活性有机污染，主要是天然有机化合物，污染指标以高锰酸盐指数和氨氮为主；另一部分是工业性有机污染，主要是人工合成有机物[47]。微污染水体中污染物种类较多，但污染浓度较低，常规水处理工艺不能有效去除这些污染物，投加微生物菌剂可有效改善微污染水体水质。

黄廷林等[48]在中试条件下投加贫营养好氧反硝化菌剂修复西安市某水库水源水，实验结果表明投加菌剂对高锰酸钾指数（CODMn）、总氮（TN）和NO3--N均有较好的去除效果，浓度分别从5.50 mg/L、2.25 mg/L和1.68 mg/L降到3.03 mg/L、0.95 mg/L和0.75 mg/L，说明该菌剂可有效地改善微污染水体水质；投加菌剂对氮、磷也有较好的去除效果，能够有效抑制藻类生长，控制水体向富营养化方向发展。何秀秀[49]从水库沉积物中筛选出6株优势贫营养好氧反硝化细菌，并组合构建出功能菌剂GNY，中试试验研究结果表明投加菌剂后对硝态氮及总氮去除率分别维持在43.57%和51.32%左右，对总有机碳（TOC）的去除率为74.47%，说明该菌群可应用于微污染水体治理中。王春燕[50]采用曝气-投菌组合的技术改善微污染水源水质，中试试验结果表明微生物菌剂对CODMn、TN和NO3--N的去除率分别为51.9%、70.0%和100%，说明菌剂具有高效反硝化特性，可有效去除有机污染物。

3.2 养殖水体

池塘高密度养殖是我国在水产养殖中普遍采用的养殖方式，这种方式在提高产量的同时也带来了许多问题，如未被同化的养殖排泄物、残饵腐败物等沉积于底泥中，水体中氮磷营养盐含量超标，水质恶化，病原体增加，若调控不当会影响养殖生物的生长和发育，造成养殖产量下降。采用微生物制剂改善水质符合当今养殖业的发展方向，微生物能够分解、转化污染物，降低污染负荷，恢复养殖水体自净能力，同时能够促进养殖生物的生长发育。

微生物生长代谢过程中产生的酶能够分解污染物，净化水质，维持微生态系统平衡。刘小燕等[51]在草鱼养殖饲料中添加适量沼泽红假单胞菌剂，投喂60 d后发现与对照组相比添加菌剂组草鱼的成活率明显提高，水体pH无明显影响，并且水体中氨氮、亚硝态氮含量分别降低了39%、32%左右，水质得到显著改善。水产养殖环境中有机物积累及缺氧条件导致产生大量硫化物，硫化物会破坏蛋白质功能，有强烈的毒性，影响养殖生物的生长。杨萌等[52]以改性沸石固定硫氧化菌剂并包被于土工布布袋中，定位放置布袋于沉积物-水界面，研究其对海水养殖环境中硫化物的去除效果。结果表明在缺氧条件下，固定化布袋菌剂7 d内对硫化物的去除率达99%，说明该菌剂对水产养殖水体中硫化物的控制十分有效。

3.3 黑臭水体

黑臭水体是指视觉上呈现黑色，嗅觉上有刺激性气味的水体，是水体污染的极端状态。一般认为，黑臭水体形成的直接原因是污染物在分解时消耗大量氧气，使水体呈现缺氧甚至厌氧状态。长期的缺氧环境使得好氧微生物失去生存条件进入休眠状态或消亡，此时厌氧微生物成为水体中的优势菌群。厌氧微生物在降解污染物过程中会产生硫化氢（H2S）、氨气（NH3）等恶臭气体，同时铁（Fe）、锰（Mn）等金属离子被还原为Fe2+、Mn2+等还原态离子，与S2-结合生成金属硫化物导致水体变黑。微生物菌剂的投加可增加黑臭水体中的好氧生物量，同时也能激活土著微生物，使水体逐渐恢复微生态系统。

在无曝气、无截污、未清除内源的情况下，Gao等[53]直接向重污染水体和底泥中泼洒HP-RPe-3微生物制剂（专门降解氨氮的微生物制剂），修复一个月后，黑臭现象初步消除，水质得到改善。为达到更好的治理效果，微生物菌剂常结合曝气增氧、生物填料、水生植物等辅助手段进行黑臭水体的实际治理。苏南某乡镇黑臭河道综合利用曝气、投加复合菌剂（按去除COD量投加）、悬挂生物填料等技术进行治理，宋晓兰等[54]对其5年水质监测数据进行分析，分析结果表明水COD前3年处于Ⅴ类或劣Ⅴ类状态，后2年提升至Ⅲ～Ⅳ类，说明该工艺长期修复黑臭河道效果较好。肖羽堂等[55]在间歇曝气的基础上投洒复合菌剂修复广东南海某黑臭河道，修复实验进行至10个月时，水体水质明显转好，“黑水”变为“绿水”；在微生物的作用下，水体中有机物得到较好的去除。扬州官河、响水河及老人沟均为黑臭水体，采用“生态活水”的方式进行治理，即活水增氧设备搭配微生态制剂，2 d内黑臭现象消除，3～5 d NH4+-N、TN、TP和COD等指标均明显下降，2～10 d出现枝角类动物，说明微生物菌剂的使用能够帮助恢复水体的“微生态系统”[9]。