包埋固定化法处理石油污染水体应用研究进展

近年来，伴随着我国石油工业的快速发展和石油产品的广泛使用，以及海上石油开采和海上漏油事故的频繁发生，大量的石油进入水环境形成污染，给生态系统造成极大危害．
石油污染水体的生物处理法是利用微生物的生命活动过程对水中油类进行转移和转化，在体内酶的作用下利用石油作为碳源将其分解为甘油和脂肪酸，并最终降解为水和ＣＯ２等代谢产物．传统的微生物修复技术如活性污泥法（ＳＢＲ）、生物膜法、氧化沟法等，处理油污染水体时存在着诸多缺陷，如单位体积内优势菌浓度较低，反应启动慢，菌体易流失，环境耐性差等［１］．
固定化微生物技术是利用物理或化学方法将游离微生物限定于某一特定空间范围内，使其保持生物活性并能加以重复利用的现代生物工程技术．该技术始于２０世纪６０年代，到２０世纪７０年代后逐步从固定化酶技术发展而来，具有微生物活性强、细胞浓度高、反应速度快、处理效果稳定、产物易分离等特点，在实际应用中的处理效果明显优于传统的悬浮微生物处理工艺［２］．
根据固定载体和作用方式的不同，固定化微生物的制备方法大致可以分为吸附法、包埋法、交联法、共价结合法和无载体固定化法等．
吸附法是利用多孔载体的吸附作用或静电引力，使微生物细胞固定的方法．是较为传统的固定化方法，操作简单，反应条件温和，载体能够重复使用，但是细胞与载体结合不牢固，所固定的细胞数量受载体种类及表面积的限制．
包埋法是将微生物细胞或酶截留在凝胶聚合物空隙所形成的网格中加以固定的方法，操作简单，对微生物细胞活性小．交联法是使微生物细胞直接与带双功能或多功能的非水溶性交联剂进行交联实现固定，稳定性好，但反应激烈，交联剂价格较高．
共价结合法是基于微生物细胞表面功能团与固支持物表面基团之间形成共价键相连来实现细胞固定，因此结合牢固，稳定性好，但是基团结合时反应激烈，操作复杂、难控制．
无载体固定化方法是利用某些微生物具有自絮凝形成颗粒的特性，使微生物产生自固定，成为无载体固定化技术．这种固定化方法是一种全新的概念［３］：在自絮凝颗粒形成过程中，同时形成了微生物的适宜生态环境，使之有利于微生物代谢之间的协调．这种方法相比于以往的一些固定方法具有显著的优势，将在环境工程中的污水处理领域得到广泛的应用［４］．
在众多的固定化方法中，包埋法微生物固化程度较高且制备的微生物小球强度好，具有优异的综合性能，目前的应用亦最为广泛．虽然目前国内外针对包埋固定化微生物法应用于环境污染治理尤其是污水处理方面的研究文献很多，但是针对石油污染水体处理的应用报道却很少．本文对包埋固定化微生物技术在油污染水体处理中的实际应用做了研究比较，并探讨了该技术今后的应用前景和存在的问题．
1包埋法固定化微生物技术的理论基础
包埋法需要将微生物细胞包埋于多孔性载体内或高聚物形成的凝胶小格中，其技术关键是如何选择适当的载体材料以及行之有效的固定化工艺．
由于该法使用的包埋载体材料会在一定程度上阻碍底物和氧的扩散，影响作用效果，因而理想的微生物固化载体应兼备以下条件：机械强度高，寿命长，具备一定的容量，价格低廉；性质稳定，不易被微生物降解；固定化过程简单，常温下易于成形，固定化过程及固定化后对微生物无毒；生化及热力学稳定性好；基质通透性好，沉淀分离性好；具有惰性，不能干扰生物分子的功能［５］．常用的包埋固定化材料有：聚乙烯醇（ＰＶＡ）、丙烯酰胺（ＡＣＡＭ）、聚乙烯乙二醇（ＰＥＧ）、琼脂、海藻酸钠（ＳＡ）、卡拉胶、光硬化树脂等，其中聚乙烯醇、海藻酸钠是目前应用最为广泛的包埋固定化材料．常用的包埋固定化载体性能见表１［６，７］．许多无机载体如活性炭、
包埋固定化法处理石油污染水体应用研究进展
郭大立1，张戈2，关晓燕3
（１．赤峰学院资源与环境科学学院，内蒙古赤峰０２４０００；２．辽宁师范大学城市与环境学院；
３．辽宁省海洋科学研究院）
摘要：文文章论述了固定化微生物技术的概念及方法，讨论了包埋法固定化法处理石油污染水体的载体选择、制备工艺、应用效果．并对固定化技术在石油污染水体生物修复领域的研究和应用前景进行了展望．
关键词：固定化微生物技术；包埋法；石油污染水体
中图分类号：Ｘ７０３文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－２６０Ｘ（２０１３）０１－００１７－０３
基金项目：辽宁省海洋与渔业厅科学计划项目（2011010）
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2包埋固定化制备工艺优化研究
一种好的固定化细胞制备方法应具备以下特点：固定化方法简单、温和、使用、成本低，固定化材料价廉易得、无毒、不损害细胞；制备的固定化细胞具有良好的机械强度和化学稳定性，在一定的ＰＨ和温度下可以在生物反应器内长期使用、不被破坏；能够人为地控制固定化细胞的大小、形状、孔隙度、网状结构，使底物、产物及其他代谢产物能自由扩散，从而不影响酶促反应和活细胞的新陈代谢；单位体积的固定化细胞内应有尽可能多的细胞，以提高固定化效率［８］．对于包埋法而言，改善包埋颗粒的成型可控性，提高颗粒强度，改进颗粒的传质性能，减少微生物细胞在固定化过程中的活性损失等诸多因素都是其在实际应用中亟待改进的．可以向包埋固定化载体溶液中添加一些相对密度不同的无机颗粒粉如无烟煤、活性炭、石榴石等，以调节固定化微生物颗粒的粒径和密度；向固定化载体溶液添加改性淀粉、不饱和聚酯树脂或利用有机高分子絮凝剂预先将微生物菌体絮凝成球粒，以减少固定化过程中微生物的活性损失［９］；向固定化载体溶液中添加适量的多孔性物质或可溶出物质如聚酯短纤维、碳酸钙、天然多糖等，可以显著改善固定化微生物颗粒的传质特性；此外，加入少量的微生物生长因子有助于维持微生物活性．
Ｏｇｂｏｎｎａ［１０］等的研究表明，可以通过减小凝胶小球的粒径来提高其传质效率．
Ｚｈａｎｇ等［１１］通过对比试验比较ＰＶＡ－Ｈ３ＢＯ３、ＰＶＡ－ＮａＮＯ３、ＰＶＡ－Ｎａ３ＰＯ４三种方法，然后通过比较微生物的耗氧速率（ＯＵＲ）值得出使用ＰＶＡ－Ｎａ３ＰＯ４对微生物的活性影响最小，处理效果最佳．
陈敏等［１２］在制备聚乙烯醇包埋液过程中添加了少量的活性炭，实现了凝胶微球通透性的改善，从而更有利于传质的进行．
侯红萍等［１３］以ＰＶＡ和ＳＡ为包埋材料，分别以硅藻土、活性炭、Ａｌ２Ｏ３为吸附剂，结果表明颗粒更易成型，而且通透性、孔隙度、机械强度等性能都有提升．
杨慧［１４］分别向固定化小球中添加吸附剂粉末活性炭和凹凸棒土来增强其性能，并以空白凝胶作为空白实验对比，通过比较凝胶小球的好氧速率（ＳＯＵＲ）值确定包埋凹凸棒土凝胶小球比包埋活性炭凝胶小球的活性高，传质性能好，对石油的降解率更高．
李花子等［１５］采用延时包埋法和添加丙烯酰胺法分别对ＰＶＡ—Ｈ３ＢＯ３固定法进行了改进，结果表明两种方法制得的ＰＶＡ固定化颗粒强度高不易破碎，水溶膨胀性明显改善．经过电镜观察后发现改进后的聚乙烯醇凝胶网络密实均匀、相互联结，网状结构明显优于未经过改进时的结构，同时颗粒弹性也有了改善．
聂荣等［１６］针对藻酸盐载体耐久性差的缺点，分别选用了补充Ｃａ、添加Ｂａ和减少包埋量３种不同的方法来提高藻酸盐固定化颗粒的耐久性．结果表明，Ｃａ２＋的流失是引起藻酸盐凝胶强度下降的主要因素．减少包埋生物量仅能短期提高藻酸盐载体的耐久性，而补充Ｃａ２＋、添加Ｂａ２＋不但能使固定化颗粒长时间保持稳定，且加固后的固定化颗粒具有良好的生化性能．
3包埋固定化法处理油污染水体的应用
目前普遍采用的包埋法固定化工艺多以ＰＶＡ、ＳＡ的水溶液作为包埋剂溶液，影响石油降解程度的主要因素有石油的成分及浓度、固定化微生物的种类及数量，外界环境因素有温度、ＰＨ值、水体物理化学条件、曝气强度、外源物等．朱文芳［１７］等利用固定化除油菌处理含油废水，结果表明，在不同的油浓度下，固定化微生物反应器比并行的非固定化反应器的除油效率提高约２０％．
徐新阳等［１８］利用ＰＶＡ、ＳＡ和活性炭分别按照四种不同的浓度配比制作凝胶剂，以Ｈ３ＢＯ３、ＣａＣｌ２、ＦｅＣｌ３·６Ｈ２Ｏ在不同浓度组合以及ＰＨ条件下制作交联剂，共７种凝胶—交联颗粒对油污染地表水进行包埋固定化处理，降解效率明显优于游离菌．
性能琼脂SA角叉菜胶ACAM PVA—硼酸压缩强度(kg/cm2）0.50.80.8 1.4 2.75耐曝气强度差差一般好好
扩散系数(×10-6cm2/s)*/
6.8
(30℃)
3.73
(25℃)
5.44~
6.67
(60~75℃)
3.42
(25OC)
有效系数**75685860/耐生物分解性差较差较差好好对生物毒性无无无较强一般固定难易程度易易易难较易成本便宜较便宜贵贵便宜使用寿命较长长长很长很长
表１几种固定化细胞载体的性能
注：＊基质为葡萄糖；＊＊有效系数=[固定化细胞氧利用速度(mgO2／h)／将固定化细胞破碎时的氧利用速度(mgO2／h)]×100.
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（ＩＭＢ），在３０℃，固液比为１：１０，除油处理时间６小时的情况下，对水体中乳化油的去除率达到８５％以上．
陶虎春等［２０］利用ＰＶＡ将高效除油菌群包埋固定于核桃壳粒上研究其除油性能．油初始浓度为５６．９９ｍｇ／Ｌ，运行１２小时的除油率仅为２６．６７％，但是随着处理时间的增加除油率显著提高，运行６０小时除油率达９０．０３％．相对于直接吸附法，ＰＶＡ包埋法更有利于菌群活性的保持，同时更能承受水质变化的冲击．
张辉等［１］从辽河油田油污染河床底泥中筛选芽孢杆菌、黄杆菌各一株，用光电比浊法测定菌液ＯＤ５００绘制细菌生长曲线，选取处于对数期的种子液为固定化对象以确保微生物的活性，采用１０．５％ＰＶＡ、０．５％ＳＡ及少量活性炭在不同ＰＨ值下两次交联来制备包埋球形颗粒．处理效果显示固定化菌对石油的降解率明显高于游离菌，混合菌的处理效果优于单株菌，在实验室模拟修复油污染地表水体状态１２０小时，混合菌接种量为５％时，石油的降解率达到９４．５％，同时去除水体中９４．５％的ＣＯＤ．
张秀霞等［２１］将ＰＶＡ、ＳＡ作为主要材料制备ＰＶＡ—Ｈ３ＢＯ３微球，以石油污染土壤中筛选的芽孢杆菌Ｙ—１３为固定化对象，反应底物选取胜利油田石油．研究结果表明，在ＰＨ＝７．５，接种量１：１０，活化时间２１小时的条件下处理效果最佳，对石油的降解率达到７９．０４％．
4结语
包埋固定化技术通过对降解性能优异的菌株进行筛选分离纯化，再经合理的制备工艺固定于载体上构建为包埋固定化微生物，已经在实际应用中获得了良好的效果，在石油污染水体修复领域发挥着重要作用，且前景广阔，日臻成熟．其未来的发展主要集中在如下的几个方面：
（１）寻找开发耐用、廉价、机械强度与传质性能相统一的新型固定化载体及包埋材料，对包埋固定化技术的发展非常重要；
（２）石油污染水体是一个成分复杂的混合体系，应更深入研究混合菌包埋的处理性能，以寻求最好的降解方法；
（３）利用包埋法与其他固定化方法相结合组成的复合固定化法可以充分发挥各种方法的优势，同时弥补各自的缺陷，正在成为固定化研究的新热点；
（４）继续研发对微生物活性影响更小的包埋制备工艺．——
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