固定化微生物技术及其处理废水机制的研究进展

4固定化微生物处理废水中污染物的机制

目前已有大量研究表明，固定化微生物技术对受污染水体中的重金属、有机污染物以及氨氮的去除均能取得较好的效果，并且用于废水处理后的固定化微生物可多次重复使用，实现废水的资源化利用(见图2)。

图2固定化微生物用于废水处理的流程示意图

根据前期研究和文献参考，微生物对重金属/有机污染物的去除机制主要见图3。

图3微生物对重金属/有机污染物的去除机制

4.1固定化微生物对重金属的去除机制

众多研究表明，固定化微生物对重金属有较好的去除效果，其去除重金属的机制主要包括：固定化载体表面对重金属离子的吸附作用、重金属离子向固定化载体内部的扩散传质作用、微生物对重金属的吸附作用、微生物离子对重金属离子的离子交换作用等。总的来说，重金属是由固定化载体和微生物联合去除的。

4.1.1固定化载体对重金属的去除

固定化载体对重金属的吸附属于非活体吸附，是利用其表面的功能基团(如羟基、羧基、氨基、羰基、硫醇基、磷酰基、巯基等)与重金属离子形成离子键或共价键，进行非特异性结合，这种吸附作用会在短时间内达到饱和。有研究表明，固定化载体表面的基团在重金属的吸附过程中起重要作用。它可以通过静电吸附、表面络合、重金属离子与吸附位点的配位、螯合等作用吸附重金属，其中物理吸附占主要部分。

固定化载体不仅可以吸附重金属，还可以吸附有机污染物、氨氮等，它们的去除机制存在相似之处，但是吸附能力存在差异。这与载体的物理化学性质有关，如表面形状、表面电极、电荷密度、孔隙度、比表面积及表面功能基团的种类和数量等。大多数研究采用多孔载体，这是因为它不仅为微生物提供适宜生存的微环境，还为污染物较易扩散至载体内部提供便利渠道。此外，有些载体材料具有一些特殊性质，这种特殊性质能进一步提高污染物的去除效果，如TiO2具有光催化性，它能促进固定化微生物对污染物的进一步去除。

4.1.2微生物对重金属的去除

微生物对重金属的吸附与自身的形态结构、生理特征和代谢活性密切相关，此过程需要微生物新陈代谢提供能量，且部分吸附具有特异性，只对某一种或某一类化学性质、离子结构相似的重金属元素进行吸附。微生物对重金属的作用由两部分组成：(1)微生物本身对重金属的吸附和转化。大多数微生物是由多糖(如葡聚糖、甲壳素)、蛋白和脂类组成的，其表面带有阴离子功能基团(如羰基、羧基)，致使微生物在溶液中带负电荷，可直接将重金属离子固定在微生物细胞表面。被吸附的重金属离子可以通过离子交换、主动运输、载体协助运输穿过细胞膜进入细胞质中，与某些化学基团结合并在胞内进行富集，或是在微生物胞内酶的作用下将重金属从一种状态氧化还原为另一种状态。(2)微生物的代谢产物也可以吸附和转化重金属。微生物的代谢产物(如胞外蛋白)是其在生长过程及外界环境影响的条件下产生的，它可以与重金属离子进行络合反应从而降低溶液中的重金属水平。例如金属硫蛋白含有大量的半胱氨酸，可以快速、定向结合重金属离子。这种结合重金属离子的方式不仅消除了传质限制，加快反应速率，而且还减少重金属离子对微生物的毒害性。SANGHI等在研究固定化黄孢原毛平革菌去除Cd(Ⅱ)时，Cd(Ⅱ)与真菌分泌蛋白上的硫醇基形成CdS纳米颗粒或Cd—S—R络合物。此外，微生物产生的胞外多糖由于具有高度金属键合能力，它在去除重金属的过程中也发挥着重要作用。微生物的代谢产物还可以通过改变水溶液的特性使重金属发生转化，如使重金属以碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐及氢氧化物的形式沉积在固定化微生物上。这些吸附在微生物表面的重金属还可以被回收利用，这对贵重稀有金属的回收意义重大。同时，这也为固定化微生物技术的再生性应用奠定了基础。

不同环境吸附条件下，固定化微生物吸附重金属的机制不同，这与固定化载体材料、固定化方法、固定化条件及固定化微生物的稳定性等因素有关。同种固定化微生物对不同种类的重金属离子吸附能力也不同，这与重金属离子的物理化学性质有关，如原子序数、原子半径、原子量、电极电荷、重金属离子与吸附剂表面功能基团的结合形式等。这些重金属离子也在一定程度上影响了微生物的吸附机制。

4.2固定化微生物对有机污染物的去除机制

4.2.1固定化载体对有机污染物的去除

固定化载体对有机污染物的吸附作用不同于重金属，多数以分子形式进行物理吸附。这种吸附形式也是固定化载体同时处理重金属和有机污染物的复合废水时，高浓度重金属不影响有机污染物吸附的原因。但也有载体对有机污染物进行化学吸附。IQBAL等发现，固定化黄孢原毛平革菌的丝瓜瓤载体对活性染料的吸附不仅有物理吸附还有化学吸附。

另外，固定化载体在一定程度上阻碍并减少了有毒物质对微生物的危害，使微生物保持原有的活性，从而达到较好的生物降解效果。周定等发现，固定化微生物的活性随废水中酚负荷的增加而增大，这说明微生物在固定化载体内不断增殖。

4.2.2微生物对有机污染物的去除

微生物可以摄取吸附在载体和自身表面的有机污染物，将其作为供自身生长代谢的碳源和能源。WASI等研究证明，固定化荧光假单胞菌利用六六六(BHC)作为碳源供自身内源呼吸，不仅增强了新陈代谢能力，还提高了BHC的降解效率。李婧等利用固定化多环芳烃降解菌去除芘时同样也发现，降解菌利用芘进行自我代谢。

微生物的生物降解作用是固定化微生物去除有机污染物过程中最为重要的机制。研究表明，与生物降解相比，蒸发、吸附及其他菌种对有机污染物的还原均可忽略不计。这种降解是在相应酶系统条件下进行的酶促反应，将有机污染物催化氧化为低毒小分子化合物。CHAMPAGNE等在研究固定化漆酶对染料的脱色和脱毒作用时发现，染料的脱色基本上都是通过酶的降解来完成的，且与漆酶的活性有着密切的关联性。而白腐真菌对有机污染物的降解依靠胞外酶的催化氧化，这种胞外降解系统更易去除有机污染物，当受到污染物刺激时，微生物发生应激反应，并在分子氧的参与下，使胞外的乙二醛氧化酶和胞内的葡萄糖酶产生H2O2，随后过氧化物酶被激活，启动酶的循环反应。被分泌到胞外的木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶以H2O2为最初氧化底物进行一系列的自由基链反应，这种反应具有高度非特异性和无立体选择性，故对众多污染物呈现广谱生物降解性。此外，白腐真菌降解系统中的漆酶、还原酶、蛋白酶、甲基化酶等对有机污物的降解也发挥着重要作用。

固定化载体与微生物对有机污染物的作用不是独自存在的而是相结合的。MALEKI等采用丝瓜瓤固定化真养产碱杆菌降解苯酚和对硝基酚，发现这种降解过程是在物理吸附和生物降解的协同作用下完成的。也有研究者提出有机污染物的其他降解机制。刘红等在研究生物AC降解2，4-二氯酚(2，4-DCP)时发现，2，4-DCP的去除机制除了AC吸附、生物降解，还有AC对2，4-DCP的氧化降解。这种氧化降解可能源于暴露在空气中的AC吸附了大量氧气。WU等利用固定化假单胞菌好氧代谢硝基苯的过程包括氧化途径和部分还原途径，而光降解有机污染物的机制基于光照后产生的活性氧化物(如羟基自由基(˙OH))。有研究证明，在氯酚的降解过程中，˙OH是最重要的氧化剂，加速并提高了氯酚的降解效果。

另外，固定化混合菌技术也被应用于去除有机污染物，这可能是固定化微生物技术将来的主要发展方向。DEBASHAN等研究了混合固定化藻类和细菌对有机污染物的去除，并阐述了其在实际中的应用。SEKARAN等也采用这种技术降解有机污染物，发现有机污染物的降解是细菌和海藻共同代谢的结果而非吸附作用，其机制在于细菌和海藻在制革废水中形成互利共生关系，细菌将有机污染物降解为简单化合物，为藻类提供所需的碳源和能源，而藻类原位产生光合氧，供异养菌矿化有机污染物。

总的来说，固定化微生物去除有机污染物的过程包括：(1)有机污染物被吸附在固定化载体和生长在固定化载体表面的微生物上，然后部分有机污染物穿过生物膜被转移到微生物细胞内部，被酶降解;部分有机污染物在胞外酶的作用下分解。(2)大多数有机污染物扩散至固定化微生物的内部空间，使微生物降解在该空间中进行。(3)降解产物扩散至外界溶液中。(4)载体表面的有机污染物浓度降低，致使载体内外形成浓度差，促进废水中有机污染物向载体表面扩散，促进降解作用。

4.3固定化微生物对氨氮的去除机制

固定化微生物利用固定化载体的内部腔体结构对氧气扩散的影响，形成由内至外的厌氧区、缺氧区和好氧区，载体外层适宜硝化菌生长，而多数反硝化菌为兼性菌生长在载体中间，从而实现同步硝化反硝化脱氮的目的。氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)均属于硝化菌，硝化作用包括两个步骤：(1)氨被AOB快速氧化为亚硝酸盐(见式(1));(2)亚硝酸盐被NOB氧化为硝酸盐(见式(2))。反硝化作用是硝酸盐、亚硝酸盐被反硝化菌异化还原为N2或N2O的过程。

固定化微生物技术在氨氮废水治理中的应用也日渐增多。许多研究证明，固定化微生物能获得很好的脱氮效果。周珊等将硝化菌、亚硝化菌和反硝化菌共同固定于竹炭载体中，并研究其对氨氮的去除效果，实验表明，竹炭固定化微生物是在竹炭吸附和微生物降解的协同作用下进行脱氮的，其氨氮去除量相对于单独竹炭吸附明显提高。叶正芳等采用自制大孔功能化载体FPU固定化氨氧化细菌，并成功地用于处理高浓度有机污染物和高氨氮污水，使固定化载体集好氧、兼性及厌氧菌为一体，从而实现氨氮和总氮的同时降低，总氮和总碳的同时去除。

5结语与展望

固定化微生物技术以其自身的巨大优势在废水处理领域中引起普遍的关注，但目前尚处于实验室水平，要实现由室内模拟阶段进入实际工程应用，还需在以下方面取得突破：(1)筛选对特定污染物去除效率高、耐受能力强的微生物，加强极端微生物的研究，或充分利用复合菌群;(2)研发新型的耐用廉价、强度高、传质好、性能稳定、环境友好型复合固定化载体;(3)寻找操作简便、合理经济的复合固定化方法;(4)研究开发高效固定化微生物反应器，在反应器中构建混合菌群组成的复合固定化微环境，形成多种微生物协同作用的处理系统;(5)开发可批量生产的固定化微生物制备装置;(6)研究对固定化微生物无破坏性、效率高的洗脱剂，促进再生技术的发展;(7)深入研究和探讨固定化微生物去除污染物的作用机制。

上述问题的解决和改进，不仅能拓宽固定化微生物技术的适用范围，还能提高其同时处理多种污染物的效率，固定化微生物技术必将在实际废水处理领域得到更普遍的应用。