0 引言
固定化微生物技术是20世纪60年代由生物化工中的固定化酶技术发展起来的。20世纪70年代, 固定化微生物技术开始应用于工业废水的生物处理。如今微生物固定化技术已经成为环境保护及水处理领域的研究热点, 并充分显示了其独特的优越性。
固定化技术, 是指利用化学或物理手段将游离的微生物或酶, 在保持一定活性的条件下, 限制于一定空间区域并可反复使用的一种基本技术。与游离微生物相比, 固定化微生物技术提高微生物密度, 降低微生物的流失率;提高污泥停留时间, 提高降解速率;便于目标菌种的定向培养, 维持降解产物的稳定性, 减少副反应的发生。因此, 固定化技术已成为国内外生物科学、环境科学及其相关学科研究的重点。
1 吸附法优势
目前, 固定化微生物的方法多种多样, 其中最常用的是包埋法、交联法和吸附法。包埋法中高分子载体制备工艺复杂, 无法再生, 成本较高, 微生物的生长和产物的代谢由于传质阻力大而受到影响。交联法中微生物活性损失较大, 交联剂昂贵, 制备成本高, 降解效率低。吸附法利用微生物静电力或分子间作用力等, 将微生物吸附在附加剂的表面;微生物与载体的结合力较弱, 稳定性差, 微生物菌体易脱落;制备容易, 反应温和, 载体可再生, 因此吸附法成为具有市场发展潜力的固定化方法。
固定化中吸附法可分为物理吸附和离子吸附。物理吸附是使用具有高吸附能力的物质, 如活性炭、陶粒等吸附剂, 将微生物吸附在表面固定化。离子吸附是利用微生物在解离状态下离子健合作用而固定于带有相反电荷的离子交换剂上, 常见的离子交换剂有DEAE-纤维素、CM-纤维素等。
吸附法固定化微生物机理主要为目标菌种表面与载体表面的:①静电作用;②氢键, 疏水作用和π电子亲和力等作用;③分子间作用力。在吸附固定化过程中, 几种机理可能同时发生, 但以某一种吸附机理为主。
2 吸附固定化技术研究现状
载体材料的性能直接影响其固定化颗粒的活性。理想的载体材料应具备良好的机械强度、热稳定性和化学稳定性、耐生物降解性及对酶的高度亲和性、并能保持较高的活性等。常用的吸附固定化载体普遍存在以下问题:①吸附力较弱;②结构不易调控;③易产生二次污染。因此, 寻求经济环保、性能优良的固定化载体材料势在必行。目前常用的载体大致可分为有机载体、无机载体和复合载体三种。
2.1 有机载体
在吸附法固定化中, 天然生物质材料经济、无毒, 可提供微生物生长所需碳源等养分;比表面积大, 孔比容积大, 结构较稳定;易化学改性, 修饰表面, 大幅改善载体的生物相容性, 提高对酶和微生物的亲和力, 提供有利于微生物生长及其表面酶促反应微环境, 从而得到理想固定化材料。因此, 近来有机载体主要是生物质材料在废水处理中得到较多的研究和应用。
直接以天然生物质材料作为载体, 吸附能力较弱, 载体和细胞易脱落。周珊等人以竹炭为载体, 用吸附法将硝化菌-反硝化菌等微生物固定在竹炭上, 系统中可发生同时硝化-反硝化作用, 氨氮去除率可达70%以上。谢冬瑾以稻草粉末、棉花秆粉末、木屑、麦秆粉末、花生壳粉末等为载体, 采用吸附法固定白腐真菌降解焦化废水, 3天COD去除率可达84.89%, 酚类的去除率达70.38%。卢永以玉米芯为载体, 采用吸附法制备固定化菌剂进行除油研究, 玉米芯固定化微生物的除油率为47.6%~50.7%, 高于相应生物炭的除油率43.5%。对天然生物质材料进行表面修饰, 结合力增强, 稳定性增高, 但细胞易降低活性。张秀霞等人采用酸性氧化改性的生物秸秆 (XMG) 为载体制备固定化微生物用于石油污染土壤的修复, 微生物的吸附量 (OD600) 从0.209增至0.297, 35d石油污染土壤的石油降解率从40.3%提高到了42.9%。
2.2 无机载体
无机载体材料大多成本低、寿命长、机械强度高, 无毒且稳定性好, 因而更实用, 一般是借助吸附方法来制备固定化颗粒, 或经小分子化学改性以共价键合方式制备固定化颗粒。但缺点是无机载体的结构不易调控, 影响传质且键合酶的能力差, 但可与传统有机聚合物载体材料形成互补体系。
Su等以蛭石为载体, 吸附固定毛霉及芽孢杆菌, 用于降解土壤中的苯并[a]芘。4d内, 苯并[a]芘的降解率高达95.3%, 而游离菌组的降解率仅为79.6%。Balfanz等用粘土吸附固定的产碱杆菌, 提高了土壤中对氯苯酚的降解速率。刘幽燕等利用本碱杆菌降氰, 以沸石为载体进行吸附法固定化, 降解率能达到90%。周林成用普通陶粒吸附固定化微生物单级去除工业污水中CODCr, CODCr去除率达91.1%。乌日娜用聚乙烯亚胺涂覆改性浆料纤维为载体, 利用离子吸附法固定化果胶酶处理造纸废水。比游离酶有更宽的p H和温度适用范围, 具有更好的稳定性和更高的催化分解速率。
2.3 复合载体
复合载体是有机载体和无机载体的结合, 组成和结构可调控, 它兼顾了有机载体和无机载体各自的优点, 形成互补体系。因此, 复合载体用于固定化研究, 非常具有前景。如聂芊在固定化活性污泥去除水中COD时, 以海藻酸钠、壳聚糖等为高分子载体材料, 与活性炭、硅藻土无机多空材料结合作为复合固定化载体材料进行研究。
但复合载体选材较为精细, 制备成本较高, 操作要求高;吸附法细胞与载体结合力度不强, 载体再生较为频繁。因此复合载体在交联法、包埋法或复合方法中使用较多。李婧以多环芳烃“芘”为生物降解对象, 通过“玉米秸秆吸附-包埋-交联”相结合的复合固定化方法对混合菌进行了固定化对比去除率达到97.3%。目前采用复合载体, 单独吸附法进行固定化的研究还未见报道。
3 结语
吸附固定化技术以其经济、简单的特点在环境污染治理领域中引起普遍关注, 但目前技术还不成熟, 主要是:①载体结合力较弱, 表面改性增大结合力时易引起细胞失活;②天然载体经济, 取材方便, 但固定化效果不好, 复合载体制备较为复杂, 经济性较差;③吸附固定化技术载体易脱落, 为防止二次污染, 应加大发展生物再生技术。相信通过不断的研究和改进, 吸附固定化微生物技术必将取长补短, 在环境污染治理领域获得广泛的应用。
摘要：本文综述了吸附法固定化技术利用现状, 从载体的三种类型进行叙述, 并对吸附法固定化技术在环境污染治理中载体选择的发展方向进行了展望。
关键词：固定化,吸附,环境污染
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