水处理中微生物固定化技术的研究进展

＊谭正尧 肖妮 李天琦 王小凤,2,3 陈金毅,2,3*

（1.武汉工程大学化学与环境工程学院 湖北 430205 2.绿色化工过程教育部重点实验室 湖北 430299 3.湖北省化工环境污染控制工程技术研究中心 湖北 432406）

固定化细胞技术被定义为在整个系统中，通过自然的或人工合成的细胞被限制在水相以外的部分。生物膜存在于表面或自然结构，如人体，谷物，玻璃等[1]。这种自然现象启发研究人员利用其解决实际问题。自1970年末以来，通过固定化氨酰酶，固定化技术已在实际中得到广泛应用[2]。

1.固定化类型

吸附法是利用细胞和基质之间的范德华力、静电吸附、水合作用和疏水作用固定。吸附分为长程和短程相互作用。短程相互作用涉及氢键，离子—偶极相互作用，其中细胞与表面之间的距离小于5nm。远程相互作用涉及非特异性吸附（范德华力），其中细胞与表面之间的距离大于50nm。吸附法的缺陷在于在使用过程中，微生物与载体之间的结合力较弱，不稳定，不易控制负载，所以微生物从基质中脱落的比例非常高且再现性也很低[3]。

共价耦联是应用最广泛的方法之一，其通过生物细胞表面的反应性基团（例如-NH2或-COOH基团）与活性基团（例如蛋白质）固定微生物。共价耦联固定后，微生物的稳定性将显着提高，但在耦合联结过程中微生物的生物活性将迅速降低[4]。共价固定化法主要用于酶的固定化，但由于耦联剂的毒性常常导致细胞活力或酶活性的丧失，在细胞固定化中应用较少[5]。

包埋法是一种将微生物包裹在多孔聚合物基质中，使基质和产物扩散的细胞固定化技术。该方法中使用的聚合物基质具有多孔结构，污染物和各种代谢产物容易扩散到基质中。因此，传质是影响固定化细胞系统活性和效率的主要因素之一[6]。

包埋包括将细胞包裹在聚合物网络（晶格包埋）、膜或微胶囊中。细胞包埋技术主要可分为两类，胶体包埋和预制多孔基体包埋。在机制原理上，胶体包埋指的是多孔基质在细胞周围原位合成；而对于多孔预制基质体系，细胞扩散到预制成型的多孔基质中并生长，直至固定。胶体包埋是在固定化的微生物周围创建一个保护屏障，防止细胞从聚合物泄漏到周围的培养基中，同时允许营养物质和代谢物的转移。预制多孔基体包埋指的是使细胞扩散到预先形成的多孔基质中。细胞开始生长后，其他细胞和基质的存在阻碍了它们的活动性从而有效进行捕获。已经证明，通过包埋技术的固定化具有优于游离细胞系统的显着优势，例如保护细胞免受流体切应力、恶劣的环境以及细胞易于从培养物中分离。但依旧存在一些缺陷，例如细胞渗漏、固定化成本、扩散限制、固定期间的失活以及使用期间载体材料的磨损。另一个缺点是负载能力低，因为必须将生物催化剂掺入载体基质中。

2.载体的选择

载体的选择取决于各种因素：具有良好的机械强度、重量轻、整体形状的灵活性、无毒、在测试条件下不可生物降解以及成本效益。一般来说，用于固定化微生物细胞的载体材料有两种：无机载体和有机载体。

无机载体材料不仅具有良好的成本效益，而且能够抵抗微生物的降解，具有良好的热稳定性。木材、锯屑、陶瓷、多孔玻璃、黏土、活性炭、沸石是最常用的无机载体。固定化稳定性依旧是无机载体存在的最大问题，因为缺少相关官能团和化学键使得探索改性无机载体和丰富基团的新无机载体成为研究热点[7-8]。

有机载体大致可以分为两类：天然聚合物载体和合成聚合物载体。天然聚合物载体有琼脂、海藻酸盐、卡拉胶和壳聚糖等，合成聚合物载体有聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）、聚氨基甲磺酸盐（PCS）、聚丙烯酰胺（PAM）等。天然聚合物的扩散限制能力低、微生物生长状态好、易于固定、无毒且成本低，但溶解性能差，容易降解，稳定性能差；而合成聚合物机械性能好生物性能却相对一般，成本较高且它们的适用范围是有限的[9]。

最近的研究中也有不少利用有机和无机载体结合的复合载体，或是在有机或无机载体中添加一些金属氧化物以优化微生物代谢条件。Jiang等[10]制备了一种新型的细菌细胞固定化载体（ZnONPs/PVA）复合材料用于固定化苍白杆菌，细菌生长良好且在适宜条件下喹啉的去除率可达97%以上。Su等[11]以Fe3O4/Cu/PVA为吸附剂和固定化载体，确定去除硝酸盐的最佳条件并可为微生物提供额外电子供体影响细菌的丰度和种类。

3.决定微生物固定的活性要素

(1)活性程度的理化表现

微生物固定化载体后活性的大小往往是不一致且混乱的，如何将微生物的活性程度以数值确定下来成为了研究的重点。常用的三个活化率为：固定化产率、固定化效率、活性回收率。固定化产率应用于描述游离微生物在溶液中被固定的总微生物活性的百分比，如公式（1）所示。

“固定活性”只能通过测量固定后残留在溶液中的总残留微生物活性并从总起始活性中减去该活性以确定。在某些情况下，应进行平行空白实验以补偿固定条件下游离微生物的失活。有时使用蛋白质测量来确定固定化产量。这可能会产生误导，特别是当使用粗蛋白混合物进行固定时，因为不同的蛋白质可能具有不同的固定产量。

固定化效率描述了在固定物中观察到的结合微生物活性的百分比，如公式（2）所示。

理论上，当溶液中的微生物全被载体固定下来但固定菌剂本身没有活性时，此时的固定化产率为100%，但固定效率为0%，此时可能因为在固定化过程中，由于某种原因微生物失活。

活性回收率也称活性恢复是固定化产率乘以固定化效率，描述了总体上成功完成固定化的活性过程。通过活性回收率，是将固定物菌剂的活性与溶液中游离微生物的总起始活性进行比较，如公式（3）所示。

上述式（1）、式（2）、式（3）都必须使用总活度单位，即μmol·min-1。

可测活性在固定化效率和固定化产率中由实验条件如不同类型的底物、底物浓度、pH值和温度，和固定载体的理化性质如粒径、疏水亲水性、空隙大小等决定。因此，为特定情况设定固定化菌剂时应当尽可能在投入使用时进行活性测定，这对固定化过程以及之后应用过程的经济效益极为重要。

(2)胞外聚合物(EPS)

当微生物在任何自然环境中生长时，它们都倾向于微生物的聚合形式生长，而这些聚集形式包括絮凝体、多聚物以及薄膜等，这些生物膜嵌入在多种微生物的聚合基质上时就形成了胞外聚合物（EPS）。胞外聚合物（EPS）为微生物聚合体决定了其生物理化特性，保障了生物酶活性和营养来源并提供了必要的粘合力。那么决定微生物固定载体的生物活性要素根源取决于传质过程是否收到限制。

EPS主要由碳水化合物（多糖）、蛋白质、核酸、脂质和腐殖质构成。而多糖占EPS基质的主要成分，这些多糖组分为有机聚合载体包埋微生物菌体仍保持活性提供了理论依据。在EPS中存在的蛋白质包括结构蛋白、非酶蛋白和酶。结构蛋白、非酶蛋白例如与细胞表面相关的蛋白和细胞外碳水化合物结合蛋白也参与基质网络的形成，并在微生物表面和细胞外表面之间的界面处构成一个连接。而微生物与载体之间的共价耦合固定使得载体的反应基团与蛋白质之间产生反应导致微生物活性降低，这也证实了EPS是生物活性的关键因素。

(3)载体因素

微生物固定在载体上的活性程度根本上取决于①载体本身或是载体衍生物对微生物是否产生影响；②载体是否限制了微生物代谢产物与底物之间的传质过程。

为保证微生物固定后的正常生理活性，在对载体的设计考虑就应该选择本身不存在生物毒性的材料，此时一些天然载体与微生物EPS成分相近，具有高蛋白亲和力和很好的生物相容性，同时它们的吸附能力强，载体具有刚性优势，修饰简单、键合稳定使得它们能成为固定化的活性保障。固定能力是固定活性的前提，而官能团的丰富度决定载体与微生物之间的固定量。官能团的类型和数量决定了载体基质为亲水性还是疏水性，从而决定了微生物与载体之间极性或是疏水性相互作用的能力。通过使用聚合载体，可以决定基质间微生物单体的间隔。较长的间隔决定了微生物较高的构架灵活性，较短的间隔可以保护生物分子受热失去活性，并减少微生物的浸出。

微生物固定活性很大程度由载体是否对菌体由传质限制决定。对于载体而言，具有多孔介质、较大的孔隙率以及多个固定位点显得极为重要。碳基材料在这方面就展现了巨大的优势，活性炭、未改性炭和改性炭材料已成为固定化微生物的有效载体材料。与其他材料不同，碳纳米管增强了底物和固定化微生物之间的电子转移，纳米尺寸让微生物拥有了低阻传质和减少扩散限制的优势。

4.固定化技术的应用

(1)流化床反应器(FBR)

流化床反应器因其混合效果好、传质性能好等特点，常被用于处理高浓度有毒有机废水。其优点有：①对于降解外源生物和有毒化合物所必需的微生物具有较长SRT；②冲击载荷和不可生物降解的有毒化合物可吸附在固定化载体上；③较低水平的总悬浮固体（TSS）和COD。传统上，在过去的几十年中，无机颗粒（例如沙子、活性炭）被广泛用作流化床生物反应器中的流化介质。然而，无机载体的密度非常高，这导致运营成本的增加。因此，越来越多的低密度有机载体被选择或合成来代替无机载体，以提高固定化微生物的流化性能和废水的去除效率。

(2)填充床生物反应器(PBR)

与流化床反应器相比，填料床反应器用于污水处理的运行成本较低。该技术已广泛应用于固定化载体基质上的微生物废水处理。在该生物反应器中，来自初级澄清池的废水被均匀地分配到载体的表面上，并被固定在载体上的微生物处理。填充的载体是PBR的基本单元，并且填充的载体的表面积提供了生物活性中心，以提高生物反应器中的反应速率。因此，许多研究工作集中在各种填充床生物填充载体上的选择与结合。

(3)膜生物反应器(MBR)

膜生物反应器这一概念最小化了许多与物理化学处理流程相关的单元操作，同时仍然实现了废水中污染物如可溶性有机碳和氮化合物的生物降解。通常，这种方法使用的膜是多孔超滤膜，但无孔膜（聚合膜）同样适用。而这种生物反应器的缺点也很明显，化学或物理方法不能直接应用于生物过滤系统，因为它会对生物过滤系统产生有害影响。

(4)气升式生物反应器(ABR)

气升式生物反应器主要利用了好氧型微生物或污泥与空气水三相的密度差，从底部通入上升气流，通过三相密度差的充分混合达到生物反应的效果。其中在整个设备上层进行气相检测，底部进行混合相静置检测。其中由于游离态微生物和污泥易于膨胀对整个系统会发生堵塞现象，故载体单元的选择可使得目的微生物进行优势纯化且易于收集。

5.结语

现阶段固定化微生物与游离细胞相比，具有易于回收保存和去除降解效率高等显著特点。但实际废水的结构复杂、操作复杂、组成复杂，阻碍了固定化微生物技术在废水处理中的大规模商业工程应用。故固定化系统的发展方向主要集中于提高固定化载体活性物质浓度，延长固定化载体的使用寿命，提高固定化微生物的稳定性，设计和制备具有活性基团、多孔结构、高表面积、良好的生物相容性和稳定的理化性能的新型固定化载体。