摘要:固定化微生物技術(shù)利用物理或化學(xué)手段將具有特定生理功能的游離微生物固定于載體材料內(nèi)部或表面，并加以有效利用。該技術(shù)具有微生物活性高、單位空間微生物密度高、耐受性好、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、處理效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于廢水處理。綜述了固定化載體、固定化方法、固定化裝置，闡述了固定化微生物技術(shù)對(duì)廢水中重金屬、有機(jī)污染物及氨氮的去除機(jī)制，并展望了固定化微生物技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，為固定化微生物技術(shù)在廢水領(lǐng)域的普遍應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

固定化微生物技術(shù)的研究始于1959年，HAT-TORI等首次將大腸桿菌固定在樹(shù)脂載體上實(shí)現(xiàn)大腸桿菌的固定化。它是在固定化酶的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，目前固定化微生物技術(shù)的研究和應(yīng)用已趨于成熟。固定化微生物技術(shù)是利用物理或化學(xué)手段將游離微生物限定在特定區(qū)域內(nèi)，使其高濃度密集、保持較高生物活性且可持續(xù)使用的一種新型生物工程技術(shù)。固定化微生物技術(shù)可將選定的高效優(yōu)勢(shì)菌屬固定在載體上，使該菌屬在特定處理系統(tǒng)中具有活性高、專(zhuān)一性強(qiáng)、耐受性強(qiáng)(如pH、溫度、有毒有害物質(zhì))、處理效果穩(wěn)定、有毒有害物質(zhì)去除速率快和固液分離效果好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，固定化微生物技術(shù)還可以將混合菌屬集于同一載體，使混合菌屬協(xié)同處理污染物。此外，該技術(shù)還促使處理工藝的運(yùn)營(yíng)管理簡(jiǎn)單化、處理設(shè)備小型化以及反應(yīng)過(guò)程的可控制化。正是由于這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，固定化微生物技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)、食品工業(yè)、化學(xué)分析、能源開(kāi)發(fā)、醫(yī)學(xué)和制藥等多種領(lǐng)域，并且已在廢水領(lǐng)域中的重金屬去除、有機(jī)污染物降解、脫氮等方面取得重大進(jìn)展。本研究綜述了固定化載體、固定化方法和固定化裝置，比較了不同固定化載體、方法，探討了固定化微生物在重金屬、有機(jī)污染物及氨氮等廢水處理中的去除機(jī)制，并展望了固定化微生物技術(shù)的發(fā)展前景，以期為實(shí)現(xiàn)固定化微生物技術(shù)的實(shí)用化、工業(yè)化提供參考。

1固定化載體

固定化載體種類(lèi)繁多，選擇理想的載體材料對(duì)固定化微生物的應(yīng)用很關(guān)鍵，需要考慮載體對(duì)固定化微生物的機(jī)械強(qiáng)度、傳質(zhì)性能、彈性、成球難易程度及其生物毒性等方面的影響。理想的載體材料應(yīng)具備以下特點(diǎn)：(1)生物相容性良好、不易被生物分解及無(wú)生物毒害性;(2)機(jī)械強(qiáng)度高、傳質(zhì)快、易成球、多孔且比表面積大等物理性質(zhì);(3)價(jià)格低廉、使用壽命長(zhǎng)、存在可引入配基的官能團(tuán)。就目前而言，固定化微生物技術(shù)采用的載體材料主要由3大類(lèi)組成：有機(jī)載體、無(wú)機(jī)載體和新型復(fù)合載體。

1.1有機(jī)載體

1.1.1天然有機(jī)高分子載體

這類(lèi)載體包括海藻酸鈉(SA)、甲殼素、殼聚糖、瓊脂、卡拉膠、骨膠原以及天然多糖、蛋白質(zhì)和植物纖維類(lèi)物質(zhì)等。它們對(duì)微生物無(wú)毒害作用且傳質(zhì)性能良好，但存在機(jī)械性能低、微生物流失大、抗微生物分解性能差等缺陷。如SA的凝膠結(jié)構(gòu)會(huì)被溶液中高濃度的K+、Mg2+或其他金屬離子以及磷酸鹽破壞;甲殼素、殼聚糖及瓊脂的機(jī)械強(qiáng)度和比表面積均較小。

1.1.2人工合成有機(jī)高分子聚合物載體

聚乙二醇、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚氨酯泡沫、聚羥基丁酸酯(PHB)、光聚合樹(shù)脂、羧甲基纖維素和硅膠等均屬于人工合成有機(jī)高分子聚合物，其中PVA在國(guó)內(nèi)外的研究中較廣泛。該類(lèi)載體大多具有機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗微生物分解性強(qiáng)、對(duì)微生物無(wú)毒害作用和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但PVA因其黏性和水溶脹性大而對(duì)固定化載體的制備產(chǎn)生附聚作用。PAM對(duì)微生物有毒害作用，使微生物活性降低且不易成型，因而得不到廣泛應(yīng)用。

1.2無(wú)機(jī)載體

無(wú)機(jī)載體種類(lèi)較多，如活性炭(AC)、石英砂、沸石、硅藻土、多孔陶珠、微孔玻璃、泡沫金屬等。其優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)械強(qiáng)度高、傳質(zhì)性能好、耐酸堿性、制備簡(jiǎn)單、使用經(jīng)濟(jì)、多孔、通透性好、比表面積大，能較好地吸附微生物且有利于氧氣、底物、代謝產(chǎn)物的擴(kuò)散，不毒害微生物。存在的缺點(diǎn)是微生物易流化、吸附量有限且易脫落。

1.3新型復(fù)合載體

新型復(fù)合載體主要包括新型載體和多種傳統(tǒng)載體的復(fù)合。新型復(fù)合載體將各種載體的特長(zhǎng)集于一體，優(yōu)化了原有載體，為固定化微生物技術(shù)開(kāi)拓了更廣闊的應(yīng)用前景。

新型載體可以通過(guò)改性載體材料表面基團(tuán)或孔結(jié)構(gòu)得到特定性能的載體。如LIU等采用聚乙烯亞胺和戊二醛處理纖維材料，制得改性固定化載體，并用其固定釀酒酵母，發(fā)現(xiàn)這種固定化載體在木薯的糖化和發(fā)酵過(guò)程中對(duì)淀粉的利用率明顯高于游離菌，并可長(zhǎng)期、有效地生產(chǎn)乙醇。VERMA等對(duì)絲瓜瓤固定化黃孢原毛平革菌進(jìn)行酸化處理，實(shí)驗(yàn)表明，這種處理改進(jìn)了生物質(zhì)的還原能力;對(duì)生物質(zhì)的表面進(jìn)行了清理，為Cr(Ⅵ)的吸附提供更多的活性位點(diǎn);增加了表面功能基團(tuán)的數(shù)量，從而提高了Cr(Ⅵ)的去除效果。

磁性載體材料也屬于新型載體的一種，在環(huán)境工程領(lǐng)域中的應(yīng)用頗多。IVANOVA等將磁性納米顆粒分別與SA、殼聚糖及纖維素結(jié)合組成新的固定化載體，并對(duì)酵母細(xì)胞進(jìn)行固定化，研究表明，這些磁性載體固定化的酵母細(xì)胞不僅顯著提高了乙醇的成產(chǎn)量，而且其性能穩(wěn)定可長(zhǎng)期保存。LIN等采用磁性Fe3O4殼聚糖載體制備了可去除NOX的固定化還原菌，大大改進(jìn)了目標(biāo)微生物的生物還原性。張斌等以微磁載體技術(shù)為機(jī)體，成功研制除了可固定化活性污泥微生物的多孔磁性聚苯乙烯載體，并提高了目標(biāo)微生物對(duì)氨氮和有機(jī)污染物的去除效果。

有機(jī)載體與無(wú)機(jī)載體組建為多功能復(fù)合載體的研究也較常見(jiàn)。李婷等利用PVA-SA-PHB-AC組成復(fù)合載體固定化間甲酚降解菌，發(fā)現(xiàn)經(jīng)吸附改性的載體對(duì)廢水中間甲酚的耐受能力更高，可實(shí)現(xiàn)更寬濃度范圍的高效降解，且可長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。BAO等研究了SA/AC復(fù)合材料固定化石油烴降解菌的性能，發(fā)現(xiàn)在同等條件下，與游離菌相比，該固定化菌不僅活性高，還明顯提高了重油的生物降解率(高出游離菌的33%)。BRYASKOVA等采用PVA/正硅酸乙酯(TEOS)固定化皮狀絲孢酵母，GEORGIEVA等用PVA/TEOS/3-巰丙基三乙氧基硅烷(MPTEOS)混合載體固定化皮狀絲孢酵母，這種固定化載體不是將各載體材料簡(jiǎn)單混合，而是PVA的羥基與有機(jī)烷氧基硅烷(TEOS、MPTEOS)的硅烷醇基形成很強(qiáng)的氫鍵，MPTEOS為固定化微生物提供了額外的吸附位點(diǎn)，使載體的機(jī)械強(qiáng)度更高。

楊玖坡等總結(jié)了不同載體材料對(duì)微生物的固定化效果，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1不同載體材料對(duì)微生物的固定化效果

2固定化方法

2.1吸附法

吸附法是利用載體材料的物理性質(zhì)(如黏附力、表面張力等)或微生物與載體之間的作用力(如范德華力、氫鍵及靜電引力)將微生物吸附在載體上，從而實(shí)現(xiàn)微生物固定化的方法。該方法又叫載體結(jié)合法，可分為物理吸附法、離子結(jié)合法、共價(jià)結(jié)合法和生物特異性吸附法，廢水處理系統(tǒng)中主要采用物理吸附法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是制備簡(jiǎn)單、條件溫和、對(duì)微生物活性影響小、載體可重復(fù)利用，但是微生物的固定化數(shù)量有限、微生物與載體間的結(jié)合牢固性差、抗沖擊負(fù)荷能力弱、反應(yīng)穩(wěn)定性差。

2.2包埋法

包埋法是利用載體材料的特殊性能將微生物束縛在凝膠的微小格子、微膠囊內(nèi)或包埋于半透明的多孔性聚合物或膜載體內(nèi)部。微生物所需的底物和氧氣可通過(guò)凝膠網(wǎng)格空隙滲入載體內(nèi)，其代謝產(chǎn)物可擴(kuò)散至載體外。常見(jiàn)的包埋法包括凝膠包埋法、微膠囊法和纖維包埋法。該方法具有操作簡(jiǎn)單、固定化顆粒強(qiáng)度高、對(duì)微生物影響小、微生物流失少、微生物裝載容量大等優(yōu)點(diǎn)，因而成為目前研究應(yīng)用頻率最高、最成熟的固定化方法。但是該方法空間位阻大，會(huì)在一定程度上不利于底物和溶解氧的擴(kuò)散傳遞，使固定化顆粒凝膠中心區(qū)域形成死區(qū)，導(dǎo)致凝膠顆粒內(nèi)外不能得到有效的疏通。因此，該方法不適于處理含大量纖維素、蛋白質(zhì)、脂類(lèi)等大分子底物的廢水。

2.3交聯(lián)法

交聯(lián)法又名無(wú)載體固定化微生物方法，是通過(guò)帶有兩個(gè)或兩個(gè)以上官能團(tuán)的試劑與微生物表面的氨基、羥基、巰基、咪唑基等基團(tuán)共價(jià)結(jié)合進(jìn)行交聯(lián)，使微生物菌體間形成“生物網(wǎng)”結(jié)構(gòu)。該方法結(jié)合強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，但反應(yīng)激烈，微生物活性損失大且交聯(lián)劑昂貴。常用的交聯(lián)劑有戊二醛、氰胺、雙重氮聯(lián)苯胺、甲苯二異氰酸酯、乙醇二異氰酸酯等。

除以上3種常用方法外，固定化微生物方法還包括介質(zhì)截留固定化法、膜截留固定化法和自身固定化法等。介質(zhì)截留法可以利用介質(zhì)孔徑的選擇性有效地控制微生物的密集度及其底物和產(chǎn)物的擴(kuò)散，從而使微生物與基質(zhì)充分接觸、反應(yīng);膜截留固定化是通過(guò)半透膜、超濾膜和中空纖維膜等進(jìn)行部分截留;自身固定化，即細(xì)胞間自交聯(lián)固定化，是在適宜條件及處理裝置的條件下，利用微生物自身的絮凝作用進(jìn)行固定化微生物，所需固定化時(shí)間長(zhǎng)、受環(huán)境影響因素大。

2.4復(fù)合固定化法

復(fù)合固定化法是將兩種或兩種以上的固定化方法聯(lián)合應(yīng)用的改進(jìn)方法，使微生物系統(tǒng)活性更高、單位密集度更高、菌體流失更少、耐受能力更強(qiáng)、機(jī)械穩(wěn)定性和生化穩(wěn)定性更高，具有單一固定化方法無(wú)可比擬的性能和處理效果，這與固定化載體材料的“高分子效應(yīng)”對(duì)微生物的保護(hù)作用不無(wú)關(guān)系。該方法可根據(jù)廢水的實(shí)際情況選擇性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的復(fù)合固定化載體以及經(jīng)濟(jì)合理、操作簡(jiǎn)單的組合固定化工藝。

2.4.1吸附—包埋法

吸附—包埋法是利用吸附劑-包埋劑復(fù)合載體的吸附和包埋雙重效果固定化微生物，大多是先將微生物吸附在載體上，再對(duì)其進(jìn)行包埋的過(guò)程。

2.4.2包埋—交聯(lián)法

包埋—交聯(lián)法在保證微生物密集度高且不易流失的前提下加強(qiáng)固定化微生物的機(jī)械穩(wěn)定性及抗沖擊負(fù)荷能力，提高微生物系統(tǒng)處理污染物的能力。運(yùn)用該方法時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制交聯(lián)劑的用量及其與微生物的接觸時(shí)間，從而減小交聯(lián)劑對(duì)微生物活性的損傷。已有研究者用PVA-SA為包埋載體，CaCl2-硼酸溶液為交聯(lián)劑制得固定化微生物，并在含重金屬和有機(jī)污染物的廢水中取得顯著效果。DINH等用同樣的載體包埋微生物，但以Na2SO4溶液對(duì)其進(jìn)行交聯(lián)，這不但保留了較高的微生物活性，而且具有良好的總碳去除性能。

2.4.3聚集—交聯(lián)法

聚集—交聯(lián)法是先利用凝聚劑將微生物聚凝為微生物聚集體，然后在交聯(lián)劑的作用下形成性能穩(wěn)定、微生物密集的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

2.4.4吸附—包埋—交聯(lián)法

吸附—包埋—交聯(lián)法形成的復(fù)合固定化微生物系統(tǒng)會(huì)比原有系統(tǒng)及兩種固定化方法相結(jié)合的系統(tǒng)更強(qiáng)、穩(wěn)定性更高、處理效果更好。因此，對(duì)該方法的研究探討會(huì)日益增加。該方法常用的順序是先將吸附劑與微生物混合吸附，然后將包埋劑加入上述混合液中進(jìn)行包埋，最后將吸附—包埋后的混合溶液滴入交聯(lián)劑中進(jìn)行硬化交聯(lián)，最終制得固定化微生物。已有研究者將這種復(fù)合固定化方法應(yīng)用于地下水中三氯乙烷的去除，發(fā)現(xiàn)這種固定化厭氧菌在厭氧條件下不僅能有效地降解三氯乙烷，還可重復(fù)利用。YANG等采用吸附—交聯(lián)—包埋法固定化Cr(Ⅵ)還原菌，其不僅對(duì)Cr(Ⅵ)有較高的耐受性，還能高效還原廢水中Cr(Ⅵ)，此固定化過(guò)程以PVA-SA-AC-硅藻土為固定化載體，CaCl2-硼酸溶液為交聯(lián)劑。魏大鵬等以PVA-SA為包埋劑，二氧化硅為吸附劑，CaCl2-硼酸溶液為交聯(lián)劑，對(duì)復(fù)合菌進(jìn)行固定化，發(fā)現(xiàn)這種固定化小球載菌量高，并對(duì)水體中的氨氮和亞硝酸鹽氮具有極高的降解效率。

主要固定化方法的比較見(jiàn)表2。

表2主要固定化方法的比較

3固定化裝置

大多數(shù)研究實(shí)驗(yàn)中，固定化微生物的制備是利用注射器手動(dòng)將黏性聚合溶液滴制成固定化小球，這種技術(shù)雖簡(jiǎn)單，但最大的缺陷是固定化小球的制備速率低，此外這還是一項(xiàng)繁瑣的工作。為了克服這些缺點(diǎn)，下面闡述了3種固定化裝置：(1)目前有一種可將海藻酸鹽溶液和內(nèi)部電極合并為靜電荷的設(shè)備，能增強(qiáng)海藻酸鹽溶液?jiǎn)畏肿由⑿?，且不影響微生物?xì)胞活性，并能在重力作用下生產(chǎn)固定化微球(見(jiàn)圖1(a)，由DEBASHAN等改進(jìn));(2)另外一種自動(dòng)化工序可用于實(shí)驗(yàn)室范圍所需的固定化量，并具有高效低耗、經(jīng)濟(jì)適用、易產(chǎn)業(yè)化、運(yùn)行管理容易等特點(diǎn)，這種工序的基本設(shè)備包括蠕動(dòng)泵、輸液管、注射器等(見(jiàn)圖1(b));(3)為了滿(mǎn)足大型廢水的處理效果，需要長(zhǎng)時(shí)間大規(guī)模生產(chǎn)固定化微生物小球，此時(shí)多噴嘴包埋/固定化系統(tǒng)誕生了，它是以上層流射分裂技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，以1～15mL/min的速率在無(wú)菌固定化裝置中連續(xù)生產(chǎn)不同直徑(250～1000μm)的固定化小球，可用于不同類(lèi)型的海藻酸鹽溶液固定微生物，噴射出形態(tài)規(guī)則的固定化小球(見(jiàn)圖1(c)，由BASHAN等改進(jìn))。

圖1固定化裝置

4固定化微生物處理廢水中污染物的機(jī)制

目前已有大量研究表明，固定化微生物技術(shù)對(duì)受污染水體中的重金屬、有機(jī)污染物以及氨氮的去除均能取得較好的效果，并且用于廢水處理后的固定化微生物可多次重復(fù)使用，實(shí)現(xiàn)廢水的資源化利用(見(jiàn)圖2)。

圖2固定化微生物用于廢水處理的流程示意圖

根據(jù)前期研究和文獻(xiàn)參考，微生物對(duì)重金屬/有機(jī)污染物的去除機(jī)制主要見(jiàn)圖3。

圖3微生物對(duì)重金屬/有機(jī)污染物的去除機(jī)制

4.1固定化微生物對(duì)重金屬的去除機(jī)制

眾多研究表明，固定化微生物對(duì)重金屬有較好的去除效果，其去除重金屬的機(jī)制主要包括：固定化載體表面對(duì)重金屬離子的吸附作用、重金屬離子向固定化載體內(nèi)部的擴(kuò)散傳質(zhì)作用、微生物對(duì)重金屬的吸附作用、微生物離子對(duì)重金屬離子的離子交換作用等?？偟膩?lái)說(shuō)，重金屬是由固定化載體和微生物聯(lián)合去除的。

4.1.1固定化載體對(duì)重金屬的去除

固定化載體對(duì)重金屬的吸附屬于非活體吸附，是利用其表面的功能基團(tuán)(如羥基、羧基、氨基、羰基、硫醇基、磷?；€基等)與重金屬離子形成離子鍵或共價(jià)鍵，進(jìn)行非特異性結(jié)合，這種吸附作用會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到飽和。有研究表明，固定化載體表面的基團(tuán)在重金屬的吸附過(guò)程中起重要作用。它可以通過(guò)靜電吸附、表面絡(luò)合、重金屬離子與吸附位點(diǎn)的配位、螯合等作用吸附重金屬，其中物理吸附占主要部分。

固定化載體不僅可以吸附重金屬，還可以吸附有機(jī)污染物、氨氮等，它們的去除機(jī)制存在相似之處，但是吸附能力存在差異。這與載體的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，如表面形狀、表面電極、電荷密度、孔隙度、比表面積及表面功能基團(tuán)的種類(lèi)和數(shù)量等。大多數(shù)研究采用多孔載體，這是因?yàn)樗粌H為微生物提供適宜生存的微環(huán)境，還為污染物較易擴(kuò)散至載體內(nèi)部提供便利渠道。此外，有些載體材料具有一些特殊性質(zhì)，這種特殊性質(zhì)能進(jìn)一步提高污染物的去除效果，如TiO2具有光催化性，它能促進(jìn)固定化微生物對(duì)污染物的進(jìn)一步去除。

4.1.2微生物對(duì)重金屬的去除

微生物對(duì)重金屬的吸附與自身的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理特征和代謝活性密切相關(guān)，此過(guò)程需要微生物新陳代謝提供能量，且部分吸附具有特異性，只對(duì)某一種或某一類(lèi)化學(xué)性質(zhì)、離子結(jié)構(gòu)相似的重金屬元素進(jìn)行吸附。微生物對(duì)重金屬的作用由兩部分組成：(1)微生物本身對(duì)重金屬的吸附和轉(zhuǎn)化。大多數(shù)微生物是由多糖(如葡聚糖、甲殼素)、蛋白和脂類(lèi)組成的，其表面帶有陰離子功能基團(tuán)(如羰基、羧基)，致使微生物在溶液中帶負(fù)電荷，可直接將重金屬離子固定在微生物細(xì)胞表面。被吸附的重金屬離子可以通過(guò)離子交換、主動(dòng)運(yùn)輸、載體協(xié)助運(yùn)輸穿過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中，與某些化學(xué)基團(tuán)結(jié)合并在胞內(nèi)進(jìn)行富集，或是在微生物胞內(nèi)酶的作用下將重金屬?gòu)囊环N狀態(tài)氧化還原為另一種狀態(tài)。(2)微生物的代謝產(chǎn)物也可以吸附和轉(zhuǎn)化重金屬。微生物的代謝產(chǎn)物(如胞外蛋白)是其在生長(zhǎng)過(guò)程及外界環(huán)境影響的條件下產(chǎn)生的，它可以與重金屬離子進(jìn)行絡(luò)合反應(yīng)從而降低溶液中的重金屬水平。例如金屬硫蛋白含有大量的半胱氨酸，可以快速、定向結(jié)合重金屬離子。這種結(jié)合重金屬離子的方式不僅消除了傳質(zhì)限制，加快反應(yīng)速率，而且還減少重金屬離子對(duì)微生物的毒害性。SANGHI等在研究固定化黃孢原毛平革菌去除Cd(Ⅱ)時(shí)，Cd(Ⅱ)與真菌分泌蛋白上的硫醇基形成CdS納米顆粒或Cd—S—R絡(luò)合物。此外，微生物產(chǎn)生的胞外多糖由于具有高度金屬鍵合能力，它在去除重金屬的過(guò)程中也發(fā)揮著重要作用。微生物的代謝產(chǎn)物還可以通過(guò)改變水溶液的特性使重金屬發(fā)生轉(zhuǎn)化，如使重金屬以碳酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽及氫氧化物的形式沉積在固定化微生物上。這些吸附在微生物表面的重金屬還可以被回收利用，這對(duì)貴重稀有金屬的回收意義重大。同時(shí)，這也為固定化微生物技術(shù)的再生性應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

不同環(huán)境吸附條件下，固定化微生物吸附重金屬的機(jī)制不同，這與固定化載體材料、固定化方法、固定化條件及固定化微生物的穩(wěn)定性等因素有關(guān)。同種固定化微生物對(duì)不同種類(lèi)的重金屬離子吸附能力也不同，這與重金屬離子的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，如原子序數(shù)、原子半徑、原子量、電極電荷、重金屬離子與吸附劑表面功能基團(tuán)的結(jié)合形式等。這些重金屬離子也在一定程度上影響了微生物的吸附機(jī)制。

4.2固定化微生物對(duì)有機(jī)污染物的去除機(jī)制

4.2.1固定化載體對(duì)有機(jī)污染物的去除

固定化載體對(duì)有機(jī)污染物的吸附作用不同于重金屬，多數(shù)以分子形式進(jìn)行物理吸附。這種吸附形式也是固定化載體同時(shí)處理重金屬和有機(jī)污染物的復(fù)合廢水時(shí)，高濃度重金屬不影響有機(jī)污染物吸附的原因。但也有載體對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行化學(xué)吸附。IQBAL等發(fā)現(xiàn)，固定化黃孢原毛平革菌的絲瓜瓤載體對(duì)活性染料的吸附不僅有物理吸附還有化學(xué)吸附。

另外，固定化載體在一定程度上阻礙并減少了有毒物質(zhì)對(duì)微生物的危害，使微生物保持原有的活性，從而達(dá)到較好的生物降解效果。周定等發(fā)現(xiàn)，固定化微生物的活性隨廢水中酚負(fù)荷的增加而增大，這說(shuō)明微生物在固定化載體內(nèi)不斷增殖。

4.2.2微生物對(duì)有機(jī)污染物的去除

微生物可以攝取吸附在載體和自身表面的有機(jī)污染物，將其作為供自身生長(zhǎng)代謝的碳源和能源。WASI等研究證明，固定化熒光假單胞菌利用六六六(BHC)作為碳源供自身內(nèi)源呼吸，不僅增強(qiáng)了新陳代謝能力，還提高了BHC的降解效率。李婧等利用固定化多環(huán)芳烴降解菌去除芘時(shí)同樣也發(fā)現(xiàn)，降解菌利用芘進(jìn)行自我代謝。

微生物的生物降解作用是固定化微生物去除有機(jī)污染物過(guò)程中最為重要的機(jī)制。研究表明，與生物降解相比，蒸發(fā)、吸附及其他菌種對(duì)有機(jī)污染物的還原均可忽略不計(jì)。這種降解是在相應(yīng)酶系統(tǒng)條件下進(jìn)行的酶促反應(yīng)，將有機(jī)污染物催化氧化為低毒小分子化合物。CHAMPAGNE等在研究固定化漆酶對(duì)染料的脫色和脫毒作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，染料的脫色基本上都是通過(guò)酶的降解來(lái)完成的，且與漆酶的活性有著密切的關(guān)聯(lián)性。而白腐真菌對(duì)有機(jī)污染物的降解依靠胞外酶的催化氧化，這種胞外降解系統(tǒng)更易去除有機(jī)污染物，當(dāng)受到污染物刺激時(shí)，微生物發(fā)生應(yīng)激反應(yīng)，并在分子氧的參與下，使胞外的乙二醛氧化酶和胞內(nèi)的葡萄糖酶產(chǎn)生H2O2，隨后過(guò)氧化物酶被激活，啟動(dòng)酶的循環(huán)反應(yīng)。被分泌到胞外的木質(zhì)素過(guò)氧化物酶和錳過(guò)氧化物酶以H2O2為最初氧化底物進(jìn)行一系列的自由基鏈反應(yīng)，這種反應(yīng)具有高度非特異性和無(wú)立體選擇性，故對(duì)眾多污染物呈現(xiàn)廣譜生物降解性。此外，白腐真菌降解系統(tǒng)中的漆酶、還原酶、蛋白酶、甲基化酶等對(duì)有機(jī)污物的降解也發(fā)揮著重要作用。

固定化載體與微生物對(duì)有機(jī)污染物的作用不是獨(dú)自存在的而是相結(jié)合的。MALEKI等采用絲瓜瓤固定化真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌降解苯酚和對(duì)硝基酚，發(fā)現(xiàn)這種降解過(guò)程是在物理吸附和生物降解的協(xié)同作用下完成的。也有研究者提出有機(jī)污染物的其他降解機(jī)制。劉紅等在研究生物AC降解2，4-二氯酚(2，4-DCP)時(shí)發(fā)現(xiàn)，2，4-DCP的去除機(jī)制除了AC吸附、生物降解，還有AC對(duì)2，4-DCP的氧化降解。這種氧化降解可能源于暴露在空氣中的AC吸附了大量氧氣。WU等利用固定化假單胞菌好氧代謝硝基苯的過(guò)程包括氧化途徑和部分還原途徑，而光降解有機(jī)污染物的機(jī)制基于光照后產(chǎn)生的活性氧化物(如羥基自由基(˙OH))。有研究證明，在氯酚的降解過(guò)程中，˙OH是最重要的氧化劑，加速并提高了氯酚的降解效果。

另外，固定化混合菌技術(shù)也被應(yīng)用于去除有機(jī)污染物，這可能是固定化微生物技術(shù)將來(lái)的主要發(fā)展方向。DEBASHAN等研究了混合固定化藻類(lèi)和細(xì)菌對(duì)有機(jī)污染物的去除，并闡述了其在實(shí)際中的應(yīng)用。SEKARAN等也采用這種技術(shù)降解有機(jī)污染物，發(fā)現(xiàn)有機(jī)污染物的降解是細(xì)菌和海藻共同代謝的結(jié)果而非吸附作用，其機(jī)制在于細(xì)菌和海藻在制革廢水中形成互利共生關(guān)系，細(xì)菌將有機(jī)污染物降解為簡(jiǎn)單化合物，為藻類(lèi)提供所需的碳源和能源，而藻類(lèi)原位產(chǎn)生光合氧，供異養(yǎng)菌礦化有機(jī)污染物。

總的來(lái)說(shuō)，固定化微生物去除有機(jī)污染物的過(guò)程包括：(1)有機(jī)污染物被吸附在固定化載體和生長(zhǎng)在固定化載體表面的微生物上，然后部分有機(jī)污染物穿過(guò)生物膜被轉(zhuǎn)移到微生物細(xì)胞內(nèi)部，被酶降解;部分有機(jī)污染物在胞外酶的作用下分解。(2)大多數(shù)有機(jī)污染物擴(kuò)散至固定化微生物的內(nèi)部空間，使微生物降解在該空間中進(jìn)行。(3)降解產(chǎn)物擴(kuò)散至外界溶液中。(4)載體表面的有機(jī)污染物濃度降低，致使載體內(nèi)外形成濃度差，促進(jìn)廢水中有機(jī)污染物向載體表面擴(kuò)散，促進(jìn)降解作用。

4.3固定化微生物對(duì)氨氮的去除機(jī)制

固定化微生物利用固定化載體的內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)對(duì)氧氣擴(kuò)散的影響，形成由內(nèi)至外的厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)，載體外層適宜硝化菌生長(zhǎng)，而多數(shù)反硝化菌為兼性菌生長(zhǎng)在載體中間，從而實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮的目的。氨氧化菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(NOB)均屬于硝化菌，硝化作用包括兩個(gè)步驟：(1)氨被AOB快速氧化為亞硝酸鹽(見(jiàn)式(1));(2)亞硝酸鹽被NOB氧化為硝酸鹽(見(jiàn)式(2))。反硝化作用是硝酸鹽、亞硝酸鹽被反硝化菌異化還原為N2或N2O的過(guò)程。

固定化微生物技術(shù)在氨氮廢水治理中的應(yīng)用也日漸增多。許多研究證明，固定化微生物能獲得很好的脫氮效果。周珊等將硝化菌、亞硝化菌和反硝化菌共同固定于竹炭載體中，并研究其對(duì)氨氮的去除效果，實(shí)驗(yàn)表明，竹炭固定化微生物是在竹炭吸附和微生物降解的協(xié)同作用下進(jìn)行脫氮的，其氨氮去除量相對(duì)于單獨(dú)竹炭吸附明顯提高。葉正芳等采用自制大孔功能化載體FPU固定化氨氧化細(xì)菌，并成功地用于處理高濃度有機(jī)污染物和高氨氮污水，使固定化載體集好氧、兼性及厭氧菌為一體，從而實(shí)現(xiàn)氨氮和總氮的同時(shí)降低，總氮和總碳的同時(shí)去除。

5結(jié)語(yǔ)與展望

固定化微生物技術(shù)以其自身的巨大優(yōu)勢(shì)在廢水處理領(lǐng)域中引起普遍的關(guān)注，但目前尚處于實(shí)驗(yàn)室水平，要實(shí)現(xiàn)由室內(nèi)模擬階段進(jìn)入實(shí)際工程應(yīng)用，還需在以下方面取得突破：(1)篩選對(duì)特定污染物去除效率高、耐受能力強(qiáng)的微生物，加強(qiáng)極端微生物的研究，或充分利用復(fù)合菌群;(2)研發(fā)新型的耐用廉價(jià)、強(qiáng)度高、傳質(zhì)好、性能穩(wěn)定、環(huán)境友好型復(fù)合固定化載體;(3)尋找操作簡(jiǎn)便、合理經(jīng)濟(jì)的復(fù)合固定化方法;(4)研究開(kāi)發(fā)高效固定化微生物反應(yīng)器，在反應(yīng)器中構(gòu)建混合菌群組成的復(fù)合固定化微環(huán)境，形成多種微生物協(xié)同作用的處理系統(tǒng);(5)開(kāi)發(fā)可批量生產(chǎn)的固定化微生物制備裝置;(6)研究對(duì)固定化微生物無(wú)破壞性、效率高的洗脫劑，促進(jìn)再生技術(shù)的發(fā)展;(7)深入研究和探討固定化微生物去除污染物的作用機(jī)制。

上述問(wèn)題的解決和改進(jìn)，不僅能拓寬固定化微生物技術(shù)的適用范圍，還能提高其同時(shí)處理多種污染物的效率，固定化微生物技術(shù)必將在實(shí)際廢水處理領(lǐng)域得到更普遍的應(yīng)用。