摘要：基于微生物固定化載體材料的發(fā)展歷程，論述了傳統(tǒng)載體材料的分類、優(yōu)缺點及應用場景，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)載體材料種類雖豐富，但各自存在一定的缺點。針對傳統(tǒng)載體材料存在的問題，探討了以改性載體、磁性納米載體、生物緩釋載體及大孔聚合物載體為代表的新型載體材料的特點及發(fā)展現(xiàn)狀。從環(huán)保、成本及應用效果等角度綜合考量，提出挖掘利于可持續(xù)發(fā)展的傳統(tǒng)載體材料、完善新型載體的制備方法及豐富新型載體的種類是未來微生物固定化載體材料的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：微生物;固定化;傳統(tǒng)載體;新型載體;可持續(xù)發(fā)展
隨著城市化、工業(yè)化的迅速發(fā)展，微生物的應用越來越廣泛。在微生物應用過程中，微生物的活性及數(shù)量起到至關(guān)重要的作用，但游離分散的微生物細胞往往易受到環(huán)境因子的影響，導致菌活性及菌密度不高，進而影響了整個生物反應過程。針對這一缺點，研究者開始采用固定化技術(shù)將微生物進行固定。微生物固定化技術(shù)是指采用物理或化學的方法將微生物通過吸附、共價結(jié)合、截留及包埋等方式固定在特定的材料中，再將整體加入到反應體系的技術(shù)。
微生物論文范例：微生物檢驗應當注意的幾個因素
相較于傳統(tǒng)的微生物技術(shù)，該技術(shù)具有生物濃度高、固液分離簡單、抗逆性強、穩(wěn)定性好、機械性能強等優(yōu)點，自20世紀60年代被提出以后，固定化技術(shù)就成為了微生物應用領域的研究熱點，廣泛應用于環(huán)保、食品、醫(yī)藥及能源等領域。作為固定化技術(shù)不可或缺的材料，固定化載體可以通過影響微生物活性，固定化產(chǎn)物的使用成本、效率、結(jié)構(gòu)、傳質(zhì)、強度及使用壽命等，進而影響到固定化產(chǎn)品的使用效果及工程應用。
隨著不同行業(yè)要求越來越精細及嚴格，固定化技術(shù)對所使用的載體材料的性能也有了更嚴格的要求。迄今為止，傳統(tǒng)的載體材料(如無機載體材料、有機載體材料、復合載體材料等)已被進行了大量的研究與應用。但這些材料仍具有一定的缺點，如無機載體材料大都為惰性物質(zhì)，對溫度、剪切力都具有抵抗力，但其與微生物結(jié)合力度較弱，導致微生物菌密度仍較低;有機載體材料來源豐富，可通過嚴格控制獲得理想的孔隙，但易受及壓力的影響，且某些有機載體材料具有一定的微生物毒性;復合載體材料綜合了不同的載體材料優(yōu)點，但仍具有針對性差的缺點。
為完善目前載體材料的性能，近年來，研究者不再局限于常規(guī)的傳統(tǒng)的載體材料，開始以更多視覺來挖掘新的載體材料，并通過改性、功能化等方式推出了新型載體材料。本文中根據(jù)國內(nèi)外載體材料的研究進展，將目前載體材料歸納為傳統(tǒng)載體材料及新型載體材料，并對傳統(tǒng)載體材料的常見材料的優(yōu)缺點、應用現(xiàn)狀等進行了闡述，并進一步論述了傳統(tǒng)載體材料的后續(xù)研究思路與方向;其次還論述了新型載體材料的類型、優(yōu)勢及應用場景等;最后對載體材料的未來發(fā)展進行了展望。傳統(tǒng)固定化載體傳統(tǒng)固定化載體通?？煞譃闊o機載體材料、有機高分子載體材料及復合載體材料。
在吸附固定化技術(shù)中，無機載體材料有著重要作用，常見的無機載體材料有沸石、多孔陶粒、活性炭、火山石、珍珠巖、硅藻土等，具有易操作、穩(wěn)定性強、不易受酸堿腐蝕、成本低、傳質(zhì)性高及微生物活性高等優(yōu)點，但存在著與微生物結(jié)合力度弱的問題。楊萌等用沸石作為硫氧化菌的固定化載體，研究發(fā)現(xiàn)，沸石為硫氧化菌的生長提供了合適的環(huán)境，在養(yǎng)殖海水中，負載有硫氧化菌的沸石對硫化物具有較好的去除效果，在溫度為30℃、pH為7.0、轉(zhuǎn)速150r/min的實驗條件下，對硫化物的去除速率達到了33mg/(g·h·L)。
此外，該研究還發(fā)現(xiàn)沸石主要是通過自身的孔隙結(jié)構(gòu)來固定微生物，吸附在沸石孔隙中的微生物活性較好，可直接與外界進行物質(zhì)交換，一般情況下，當沸石用量較低時，微生物吸附量隨著沸石的投加量增加而上升，但若沸石投加量過多，沸石間易形成重疊進而影響表面吸附位點的數(shù)量，從而降低微生物的吸附效果。Chakravarty等研究了游離玫瑰孢鏈球菌、玫瑰孢鏈球菌球團及多孔耐火磚固定化玫瑰孢鏈球菌對達托霉素產(chǎn)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在第一批次培養(yǎng)時，游離細胞和球團細胞表現(xiàn)出相當大的達托霉素生產(chǎn)能力，但隨著發(fā)酵時間的延長，相較于游離細胞和球團細胞，固定化細胞穩(wěn)定性更強且培養(yǎng)基黏度更低，使得后續(xù)達托霉素的產(chǎn)量更高，在末批次培養(yǎng)中，固定化細胞中的達托霉素的產(chǎn)量達到了4895mg/L，較球團細胞及游離細胞分別提高了倍及倍以上，且該細胞重復利用性好(可重復利用次)。
陳爽等以粉煤灰和池塘底泥為主要原料制備了新型粉煤灰陶粒，并將該陶粒用于EM菌劑的固定，考察了固定化EM菌劑在模擬養(yǎng)殖廢水中對氮磷的去除效果，研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰陶粒耐久度較好，比表面積大，具有良好的親水性，對氮、磷有一定的吸附能力，在粉煤灰陶粒的吸附及EM菌劑降解的雙重作用下，廢水、的去除率分別達到了99.14、44.35。從上述研究案例可以看出，無機載體材料主要是通過吸附作用固定微生物，載體的比表面積及孔隙率影響著微生物的負載量，這類載體可保持較高的微生物活性及較好的傳質(zhì)性，但結(jié)合力度較弱。在后續(xù)的研究中，可通過改性、新材料挖掘等手段獲取集特定功能、負載量更高、結(jié)合力度相對較強的無機載體材料。
相比無機載體材料，有機載體材料形式更加豐富，可通過一定的操作對孔隙進行控制，且某些有機載體表面具有豐富的官能團，進而能與微生物緊密結(jié)合。有機載體可根據(jù)來源的不同分為天然有機載體和合成有機載體大類。
天然載體種類豐富，常見的有海藻酸鈉、殼聚糖、瓊脂、瓊脂糖和幾丁質(zhì)等。一般來說，這類載體具有無毒無害、傳質(zhì)性能好等優(yōu)勢，但存在著強度低、可被生物降解、使用壽命短、載體重復性差等缺點。以天然載體作為固定化載體時，海藻酸鹽往往是首選的聚合物[1，它們易于處理，對人類、環(huán)境和被捕獲的微生物無毒，價格低廉。Tariq等11將海藻酸鈉作為固定化載體，分別對產(chǎn)硫化氫及非產(chǎn)硫化氫的細菌進行了固定，考察了固定化產(chǎn)硫化氫細菌與游離的硫化氫細菌對不同工業(yè)廢水中汞的去除效果，結(jié)果顯示，經(jīng)過48h的處理，相比游離組，固定后的微生物顯著地提高了汞的去除率。
此外，固定化非產(chǎn)硫化氫細菌亦有較好的除汞能力;上述研究結(jié)果表明，海藻酸鈉固定化為微生物提供了相對較好的生存環(huán)境，避免了剪切力造成的影響，提高了遺傳穩(wěn)定性，且海藻酸鈉表面亦可對汞進行吸附，在微生物降解及海藻酸鈉吸附的協(xié)同作用下，固定化下汞的去除效果得到了提升。菌絲球是由絲狀真菌在液體培養(yǎng)過程中菌絲互相纏繞而成，具備良好的生物活性，且重復利用性較強，是一種廉價的環(huán)境友好材料[1。在固定化過程中，菌絲球主要是通過內(nèi)部的孔隙將微生物吸附固定。尤嘉懿[1將篩選獲得的高效阿特拉津降解菌株固定于黑曲霉菌絲球上，結(jié)果表明，菌絲球固定化體系的穩(wěn)定性良好，完整性系數(shù)保持在92%以上。
根據(jù)水中阿特拉津的降解情況，優(yōu)化處理條件為：菌液(OD600=1)體積30mL、pH=7、吸附時間、溫度30℃，菌球耦合體系可完全去除阿特拉津，且重復利用性能良好，在循環(huán)次后，仍可對阿特拉津保持90%以上的降解率。周夢娟[1利用黃色藍狀菌菌絲球作為高效化反硝化菌的載體，高效反硝化細菌經(jīng)過菌絲球載體固定化后，生物量(VSS)較游離菌提高了0.41g/L，細胞的死亡率降低了13.65%，NO-、TN去除率分別提高了19.72%、24.78%，NO-、NH-的積累現(xiàn)象得到有效緩解，該載體在環(huán)境因子的擾動下仍能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和良好的脫氮效果，且菌絲球內(nèi)的交叉結(jié)構(gòu)有利于多次再利用，是固定化高效反硝化細菌的最佳載體。農(nóng)業(yè)廢棄物由于成本較低，來源廣泛，作為低成本吸附劑受到廣泛的關(guān)注15。
Hazaimeh等16將共培養(yǎng)的細胞液與鋸末和油棕櫚空果串按一定比例混合并經(jīng)適當?shù)奶幚?，細菌通過載體表面的疏水性和自身產(chǎn)生的胞外多糖而被固定，然后將固定后的細菌處理原油烴，結(jié)果顯示，相比游離細菌，在第周時，固定在鋸末和油棕櫚空果串的細菌對原油降解率分別提高了17.52%和15.85%，且對原油的完全降解時間縮短了25%(從周縮短到周)。從上述研究案例可以看出，天然有機載體材料可通過包埋及吸附的方式固定微生物，在后續(xù)的研究中，完善常規(guī)天然有機載體材料(如海藻酸鈉、殼聚糖等)，豐富天然有機載體材料種類具有重要的現(xiàn)實意義。
相較于天然有機高分子材料壽命較短、強度低的問題，合成高分子材料由于強度高、穩(wěn)定性好而受到廣泛關(guān)注。常見的人工合成有機載體材料有聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙酰胺、羧甲基纖維素、聚酯泡沫等。聚乙烯醇無毒、價格低廉、強度高，是一種首選的固定化合成載體材料，但在使用過程中易出現(xiàn)固定化小球黏連、吸水溶脹，且交聯(lián)液中硼酸具有一定的微生物毒害性等問題。Zhong等17將聚乙烯醇作為固定活性污泥，并將其應用于焦化廢水中，結(jié)果表明，該活性污泥可有效去除焦化廢水中的COD，而經(jīng)包埋后，對COD的降解效率更高，當聚乙烯醇質(zhì)量分數(shù)為10、活性污泥的質(zhì)量分數(shù)為時，對焦化廢水的COD去除率最佳，達到了84.23。
聚氨酯泡沫塑料也是一種經(jīng)濟且性能優(yōu)越的合成高分子有機載體材料，孔隙結(jié)構(gòu)豐富，可為微生物提供比較多的附著點，生物負載量大，但亦存在穩(wěn)定性不足、生物相容性差等問題。Alessandrello等18提出了一種經(jīng)濟的石油生物修復方法，即將聚氨酯泡沫作為PseudomonasmonteiliiP26和Gordoniasp.H19的載體，并將固定后的微生物應用于人工海水中原油的去除，然后研究了30℃下聚氨酯泡沫共固定化微生物對原油去除效果的影響，結(jié)果表明，在30℃下效果最佳，經(jīng)過7的處理，原油的去除率達到了75。人工合成有機高分子載體材料雖可控性、穩(wěn)定性及強度較好，但傳質(zhì)性相對較弱，且某些載體材料或單體具有一定的微生物毒害性，因此，仍需進一步完善以達到最佳的狀態(tài)。
改性載體材料針對傳統(tǒng)載體存在的一些問題，研究者開始采取一定的措施對載體進行改性，改性方式多樣，可根據(jù)不同的目的采取不同的改性手段，進而實現(xiàn)針對性更強、性能更優(yōu)的載體材料。氧化石墨烯GO是石墨烯的氧化產(chǎn)物，性質(zhì)優(yōu)越，能增強各種類型細胞的黏附、生長、增殖和分化;海藻酸鈉(SA)是一類線性陰離子多糖大分子，具有良好的生物相容性和生物功能。Huang等[2將液晶(LC)結(jié)構(gòu)的GO修飾SA，形成新型載體材料LCGO-SA，單純SA泡沫呈現(xiàn)無序的微觀結(jié)構(gòu)，沒有明顯的孔隙結(jié)構(gòu);單純LC-GO泡沫具有隨機定向的連續(xù)大孔，孔徑大小不一;而CGO-SA泡沫為高度有序的三維結(jié)構(gòu)。
研究結(jié)果表明，在SA溶液中加入適量的GO可以改善SA體系的性能及結(jié)構(gòu)，獲得的CGO-SA具有結(jié)構(gòu)高度有序、力學性能優(yōu)良、生物相容性好等優(yōu)點;此外，將MC3T3-E1小鼠成骨細胞接種于純SA膜、純LC-GO膜和LC-GO/SA復合膜上培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著培養(yǎng)時間的延長，接種于LC-GO/SA膜上的成骨細胞的代謝活性、存活率都顯著高于SA膜和GO膜，說明新制備的CGO-SA有利于細胞的附著與增殖，增強了MC3T3-E1小鼠成骨細胞的代謝活性和生存能力。此外，氧化石墨烯比表面積大且富含官能團，表面豐富的官能團使其容易被修飾，亦是一種新型、性能優(yōu)異、可改良的碳載體材料。
鄭媛23通過自由基聚合方法將甲基丙烯酸(MAA)和甲基丙烯酸丁酯(BMA)共聚物修飾到氧化石墨烯表面，并通過改性石墨烯表面的官能團將脫氮副球菌進行固定，形成新的固定化微球，該微球集吸附與降解于一體，在10、14內(nèi)即可實現(xiàn)初始濃度1000、2000mg/L的NN-二甲基甲酰胺(DMF)溶液的完全處理，并不需經(jīng)任何處理，在次循環(huán)使用后，對高濃度DMF(2000mg/L)的去除率仍可達到100%。針對海水養(yǎng)殖環(huán)境中硫化物含量過高的問題，王曉瓊等24利用普通陶粒及改性陶粒對耐鹽硫氧化菌嗜熱氫弧菌進行了固定化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改性后的陶粒孔隙增多、比表面積增大，硫化菌株對硫化物的去除能力大幅度提升，相比未改性的陶粒，改性陶粒固定后的微生物對硫化物的去除率提高了約35，達到了75。
此外，該陶粒重復性能好，更有利于實際工程應用。磁性納米載體材料磁性材料以尺寸小、比表面積大、表面可改性、優(yōu)異的磁性和良好的生物相容性等獨特性能受到人們的廣泛關(guān)注，可與微生物一起固定而得到磁性固定化微球，該微球在應用過程中可通過磁場的控制避免攪拌速度等造成的影響，也可通過磁場進行回收，減少人工成本，適于連續(xù)生產(chǎn)。
Ahmad等25通過在功能性聚氨酯泡沫塑料(FPUF)表面涂覆氧化鐵納米粒子(IONPs)制備多孔立方載體，并吸附異養(yǎng)菌、厭氧氨氧化菌和氨氧化菌，形成的固定化菌群用于去除焦化廢水中的高濃度喹啉、COD和含氮化合物，該載體可以為異養(yǎng)菌對芳香族化合物的吸附和選擇性處理提供良好的外層屏障，為內(nèi)層的厭氧氨氧化菌提供有利的環(huán)境，為中間層的氨氧化菌提供一個互惠的環(huán)境，在此條件下，-、-、的去除率分別達到了98%、99%、97%，同時，COD及喹啉的去除率分別達到了98%及100%。Xu等26以超順磁性Fe納米粒子為載體，在親鹽堿性條件下固定硫氧化細菌，并將其應用于高濃度含硫模擬廢水中，結(jié)果顯示，固定化細胞的硫氧化能力與游離細胞接近，但穩(wěn)定性較高，可重復使用次以上，且回收簡便，回收成本低，具有良好的應用前景。
生物緩釋載體材料緩釋載體可通過緩慢釋放營養(yǎng)、生長因子等物質(zhì)來促進微生物的生長或代謝，增強了微生物的自我繁殖能力及活性;緩釋載體亦可緩慢釋放微生物，有利于微生物水力停留時間的延長，減少了微生物的流失，提高了單位體積內(nèi)微生物的含量。宋超27以粉紅菌-、異養(yǎng)硝化好氧反硝化假單胞菌為研究對象，采用細菌纖維素分別將上述種菌進行固定化并應用于高氨氮模擬廢水中，研究結(jié)果顯示，細菌纖維素負載微生物的能力較佳，與菌株的結(jié)合力度較強，固定后的菌株活性較高，并具有良好的菌株緩釋能力;在高氨氮模擬廢水中，D05固定化菌劑對COD、-的去除率分別達到了81、86;宋超還將濕態(tài)細菌纖維素應用至模擬構(gòu)筑物中，發(fā)現(xiàn)NH-、COD的去除率均有所提高，分別達到了2.5%、6.8%。
Li等28以聚乙烯醇為骨架材料，淀粉為碳源，將聚乙烯醇與糊化淀粉在水溶液體系中共混制備了淀粉聚乙烯醇碳源緩釋載體材料，并將該載體材料與活性污泥混合后用于二級出水中的三級反硝化處理，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該緩釋載體材料中的有機碳源僅能通過微生物的水解才能釋放，這使得碳源可自動響應進水硝酸鹽的變化而進行釋放，因而無需復雜的控制系統(tǒng)就可以避免有機殘留物且保持相對穩(wěn)定的碳氮比;當?shù)矸酆窟_70，溫度為30℃時，廢水中的氮去除率達到最高，為94，因此，以聚乙烯醇和淀粉為電子供體和碳源的混合工藝處理城市污水經(jīng)濟有效，適于大規(guī)模推廣。
結(jié)語與展望
微生物固定化技術(shù)憑借著回收方便、菌密度高、對不良因子抵抗力強等優(yōu)勢，被廣泛應用于各種領域。作為固定化技術(shù)的關(guān)鍵部分，載體材料的性能限制了固定化技術(shù)的實際應用。近年來，固定化載體的研究已從單一化走向復合化，進而走向新型化，盡管其研究取得了較大的進步，但仍有一些問題有待進一步探討及注意：①隨著載體材料的發(fā)展，研究者已不再局限于常規(guī)的傳統(tǒng)載體材料，開始挖掘綠色、更利于可持續(xù)發(fā)展的載體材料，但這類研究尚不夠深入，材料類型較為單一(多為農(nóng)業(yè)廢棄物)，且性能有待進一步完善。在綠色、協(xié)調(diào)等生態(tài)發(fā)展理念下，加強此類載體材料的研究是未來的發(fā)展趨勢之一。②為了改善傳統(tǒng)載體，制備穩(wěn)定高效的新型載體材料已成當前研究的主流方向。
相較于傳統(tǒng)載體材料，新型載體材料具有使用效果更佳、針對性更強的特點，但該材料大都存在著預處理程序煩瑣、成本較高的缺點，此外，該材料的研究基本集中于實驗室階段。因此，深入研究新型載體材料的低成本制備、處理方式的優(yōu)化及工程應用等具有重要的現(xiàn)實意義。③載體材料種類繁多，不存在一種載體材料適用于所有場景;此外，載體優(yōu)化處理的方式也較多。因此，不同的固定化方法需要采用相應特定性質(zhì)的載體及增強這一性質(zhì)的改良方法，例如，用于表面吸附或結(jié)合的載體應具有高孔隙率，以確保固定化材料與微生物的接觸面積盡可能大;而用于包埋的載體應具有合適的孔隙大小及較多的官能團，以確保其與微生物的結(jié)合力度。
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作者：彭春燕，劉天翔，高育慧，曹華英，鄭衛(wèi)國*
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