探究固定化微生物技术

探究固定化微生物技术

【摘要】固定化微生物技术是是应用于环境处理的一项新技术，本文通过总结专家学者的研究概述了固定化微生物技术的载体种

类及固定化小球的制备方法。

【关键字】固定化微生物技术；载体材料；制备方法

固化微生物技术是20世纪70年代末发展起来的一项现代生物、环境等领域中的新兴技术。该技术是运用物理或者化学等方法，将游离的细胞或酶与固态的非溶性载体相结合，将其限制于有限的空间区域内，使其不溶于水但保持活性，并可反复和连续的使用。它主要包括固定化酶技术和固定化微生物技术。

固定化微生物技术与传统的活性污泥法相比，存在着明显的优势，主要体现在：（1）生产工艺连续化和自动化；（2）污泥产量少，减轻了后期处理污泥的负担，降低工程投资成本和造价；（3）生物密度高，有利于降解有毒有害物质；（4）耐受能力强且易于回收再利用，大多数载体材料市场价格低廉；（5）固液分离效果好，可纯化和保持高效菌种；（6）不会造成环境二次污染；（7）微生物被固定后，细胞内相当于一个反应器，酶系保存完整。

1 固定化载体材料

1.1 固定化材料的性能要求

固定化小球载体材料的选择是固定化微生物技术中的关键步骤之一。其要求成本低廉、易于制成各种形状、抗冲击能力强、性质稳定、对固定的微生物无毒、在常温下固化快、传质性能好、寿命

长、小球的基质具有通透性，单位体积的载体固定的微生物的数量多等。

1.2 固定化材料的种类

固定化材质分为三大类：（1）有机高分子载体，分为天然高分子载体材料和合成有机高分子载体材料。其中天然高分子载体材料包括琼脂、角又莱胶、海藻酸钠、无烟煤、卡拉胶、海藻酸钙、葡萄糖、纤维素、明胶、胶原蛋白等，合成有机高分子载体材料包括离子交换树脂、塑料、聚丙烯酰铵、聚乙烯醇、光硬化树脂、聚丙烯酸凝胶等。天然高分子材料具有无毒性、传质性好、固定化微生物密度高等特点，但是其强度低、抗微生物分解能力较差。可以通过交联剂对其进行稳定化处理。而有机高分子材料抗微生物分解性能好、强度高、性质稳定、对微生物无毒且价格低廉，因而具有很高的利用价值。但其载体聚合物网络的形成条件比较剧烈，对微生物活性有较大影响。（2）无机载体材料，包括多孔陶珠、红砖碎粒、砂粒、活性炭、玻璃、硅藻土等，无机载体材料具有对微生物无毒，耐酸耐碱，寿命长，机械强度大等优点。（3）复合载体材料，是将无机载体与有机载体材料相结合，以改进材料的性能。例如lin等[1]利用海藻酸钙凝胶联合包埋固定黄孢原毛平革菌和粉沫活性炭，用于降解五氯酚（pcp）。实验表明：复合固定化体系比单独固定化体系更加有效地降解pcp，突出了出复合载体材料的优越性。

1.3 比较固定材料性能的实验

熊振胡等人[2]采用包埋法分别以海藻酸钠和pva作为固定化蛋

白核小藻菌微生物的载体，将制成的小球用于城市污水的脱氮除磷试验中，实验表明pva作为城市污水脱氮除磷的固定化载体更为适合。

杨雪梅，张兰英等[3]选用硅胶、活性炭、大孔树脂三种载体，采用物理吸附法固定蛋白酶，三种固定小球分别对含高浓度蛋白质的淀粉黄浆废水进行水解实验。结果表明，活性炭对蛋白酶的固定率可达到61 .95 %，大孔树脂37 .85 % ，硅胶20 .31 %。所以活性炭对蛋白酶的固定效果最好。

2 固定化有机载体的制备方法

2.1 吸附法

吸附法是应用物理吸附或离子吸附将细胞固定在载体表面或内部，制成非水溶性小球。此方法操作简单，对细胞的活性影响较小，但该法固定的微生物量一定，重复性和稳定性较差，同时载体与微生物的结合强度也不够牢固，容易脱落。往往需要引入亲水和疏水配位体制成载体衍生物。

2.2 包埋法

包埋法是通过沉淀作用、离子网络作用、聚合作用或者改变温度、ph、溶剂使细胞截留在不溶于水的多聚体化合物网络空间中。同时也可保证底物的渗入和产物的渗出。包埋法可分为沉淀包埋法、离子网络包埋法、高分子合成包埋法。该方法操作简单，固定的微生物活性高，制成的小球强度高。此法已在多种废水中做过实验研究[4-5]。

2.3 交联法

交联法是使用双功能或多功能的基团与细胞进行分子间进行交联，连接成网状结构。此法细胞间的结合强度高，物理和化学稳定性强，但是在交联过程中酶的中心构造可能受到影响，且交联剂的价格昂贵，故不常用。

2.4 共价结合法

共价结合法是利用固相支持物表面的反应基团与细胞表面功能团形成共价化学键，形成固定化微生物[6]。

2.5 聚集-交联法

聚凝剂直接与细胞表面的反应基团发生反应形成聚集体，再加入一定量的交联剂进行交联，使彼此联成立体网状结构。此方法微生物浓度高，处理效果较好[6]。

2.6 无载体固定法

在形成微生物适宜的生存环境的过程中，絮凝颗粒形成，有利于微生物之间信息的的传递[7]，从而利用微生物之间的代谢协调作用来实现固定。该方法是一种新概念，与其他固定化方法比较，具有操作简单，扩散阻力小，传质效果好，固定过程中对细胞颗粒的整体活性影响较小等优势。将在污水处理中得到广泛的应用[8]。

以上各种制备固定化微生物的方法都有其各自的优点，目前根据实际的情况包埋与吸附法应用的最为广泛，研究的也最多。固定化有机载体的制备主要采用包埋法。交联法由于自身的原因没有推广，有待开发廉价的交联剂。聚合-交联法较其他单一固定化方法

有巨大的潜力与优势，必将在今后的环境保护中得到进一步的应用。无载体固定法因方法简单在污水领域有一定的应用。

3 对固定化微生物技术的展望

近年来，固定化微生物技术以其显著的优势引起了人们普遍的关注。但将其从实验室走向实际的废水处理中还存在一定的难度，还有许多问题需要解决，主要有以下5个方面：（1）固定化微生物技术筛选的为单一的优势菌种，具有专一性，但生活中的废水是一个复杂的体系，单一的固定化微生物小球可能无法解决实际问题；（2）目前载体的成本较高、使用寿命短；（3）固定化载体内微生物的浓度无法精确测定，缺乏最佳控制的动力学处理法及运行管理方式；（4）对无机材料与复合材料研究不够，主要集中在有机方面；（5）反应器的设计不合理导致的运行管理费用高。但是随着专家学者对此项技术的不断深入的研究，此上的各类问题将一一解决，固定化微生物技术必将在废水、废气、矿物、土壤中发挥越来越重要的作用。

参考文献：

[1]lin j e，wang hy，hickey r f. use of coimmobilized biological systems to degrade toxic organic

compounds[j].biotechnol and bioengin，1991，38：273-279.

[2]熊振湖，孔翠珍，刘青春不同载体固定化藻菌共生系统的脱氮除磷.天津城市建设学院.2005.

[3]杨雪梅，张兰英，张蕾，于宏兵，张玉玲.固定化酶在高浓