微生物菌劑的應用及其研究進展

祝虹鈺++劉闖++李蓬勃++逯凱琪++劉廣新++王新

摘要：通過分離、純化以及正交試驗等一系列方法獲得優勢菌，采用固定化技術將其與載體制備成微生物菌劑。相對傳統微生物處理，生物菌劑具有更強的降解能力、更廣闊的發展潛力及更好的市場前景。目前，微生物菌劑在農業、污染物降解、堆肥、水質凈化等領域都得到了普遍的應用。

關鍵詞：微生物菌劑；應用；研究現狀；生物強化

中圖分類號：X506 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）05-0805-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.05.002

Application and Progress of Research of Microorganisms Agents

ZHU Hong-yu1，LIU Chuang1，LI Peng-bo1，LU Kai-qi1，LIU Guang-xin1，WANG Xin1，ZHANG Hui-wen2

（1.Shenyang University of Technology， Shenyang 110870，China；

2.Institute of Applied Ecology，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China）

Abstract： Through a series of methods such as separation， purification and orthogonal experiment， the dominant bacteria were obtained. The immobilized technology was used to prepare the microbial agent. Compared with the traditional microbial treatment， the ability of biological agents has a stronger， better development potential and broad market prospects. At present， microbial agents have been widely used in agriculture， ddegradation egradation of pollutants， compost， water purification.

Key words： microbial agent； application； research status； bioaugmentation

1 概述

1.1 微生物菌劑的概念

微生物在自然界中無處不在，小到單個細胞，大到地球生物圈。從陸地到海洋，從養殖業、畜牧業到農業，從食品工業、制藥工業到印染、紡織、制革等，凡是涉及有機物各種工業的工藝流程都與微生物息息相關。其具有個體微小、代謝旺盛、分布廣、數量多的特點，還具有強大的分解能力，它們的活動保障著生態系統的物質循環，凈化著生態系統，協調著生態平衡[1-4]。

目前，中國是世界上環境污染最為嚴重的國家之一，大氣、河流、湖泊、海洋和土壤等均受到不同程度的污染。當前中國社會經濟保持著高度發展的態勢，社會進步促進了工農業生產能力的提高，使人民生活得到進一步改善，但是也隨之帶來不同程度的環境污染。由人類活動所造成的環境污染和環境質量的惡化已成為制約中國社會和經濟可持續發展的障礙。如何在經濟高速發展的同時控制環境污染，改善環境質量，實現社會經濟可持續發展，是中國目前有待解決的重要問題之一。

微生物菌劑技術[5]已是環境保護中應用最廣、最為重要的一項技術。其在水污染控制[6]、大氣污染治理，有毒有害物質的降解、清潔可再生能源的開發、廢物資源化、環境監測、環境污染的修復和污染嚴重的工業的清潔生產等環境保護的各個方面，發揮著極為重要的作用。應用微生物菌劑技術處理污染物時，最終產物大都是無毒無害的、穩定的物質，如二氧化碳、水和氮氣等。并且利用微生物菌劑方法處理污染物通常能夠一步到位，避免了污染物的多次轉移，因此它是一種消除污染安全而徹底的方法。

在許多生化過程中如果僅靠一種微生物或自然菌群，處理的效果往往很難達到理想的程度，而向自然菌群中添加特定功能的復合微生物菌，復合微生物與自然界菌群協同作用，將會提高系統對特定污染物的降解能力，從而改善整個體系處理難降解物質的能力。該技術具有高效、穩定、節省投資的特點，這些添加的復合微生物菌群即可成為微生物菌劑[7]。

1.2 微生物菌劑的特性

在理想的生化處理系統中，微生物群落結構在正常運行條件下保持高度的穩定性，而當環境條件發生變化時，微生物群落結構可以做出相應的調節，從而維持微生物的生態平衡。所以，功能菌的獲取以功能菌群的富集方式進行。在正常的環境條件下具有相同功能的物種只有一個或少數幾個具有分解相應污染物的能力，其余物種暫時顯得并不那么重要或者作用并不那么明顯，一旦環境條件發生變化影響原來發揮分解功能的物種，其余物種作為后備力量可起到替代作用，從而保證生化系統的相對穩定性[8]。

針對不同的污染物、處理目標和現場操作條件，構建簡單易行、行而有效的微生物菌劑，對于體系處理能力和微生物的適應能力具有十分重大的意義。特別是在城市污水處理上，從廢水中分離純化得到的菌種[9，10]，對菌種進行降解性能測定，并利用正交試驗法等多種方法獲得降解優勢菌，使用固定化技術[11-13]將其與載體制備成復合型微生物菌劑，同時找到菌劑使用的最優化條件，并結合實際對復合型微生物菌劑的性能進行研究[14，15]。不論是技術還是管理方面都比較成熟，絕大多數的污水處理廠都能實現水質的穩定達標排放。

2 微生物菌劑應用

2.1 用于農業生產

目前，中國微生物菌劑的發展十分迅速，隨著對其研究的日益深入，這種綠色環保、高效節能的產品也越來越多地應用于人們的生活中。微生物菌劑最重要的應用之一體現在農業生產中的廣泛應用[16，17]，而用于農業生產的微生物菌劑，一般需具有以下主要性能或作用。

2.1.1 預防病害 改善土壤微生物菌群、抑制土壤病原菌繁殖，有效預防作物的根腐、立枯等病害。

2.1.2 提高地力 活化土壤有機與無機養份，提高肥效率，促進作物循環、長效吸收利用，增根壯苗果實飽滿。

2.1.3 改良土壤 改善土壤團粒結構，消除板結，提高保水保肥能力，抗旱、抗逆、抗寒、抗倒伏，中和酸堿度，降低土壤重金屬和鹽堿毒害。

2.1.4 增根、發苗、壯秧 有益微生物在繁殖代謝過程中，可分泌細胞分裂素、吲跺乙酸、維生素、本乙酸、赤霉素等植物生長素及氨基酸等活性物質，強力促進增根、生根，壯根等過程，使作物具備莖粗、苗壯、移栽緩苗快等特點。

邵秀麗[18]利用乳酸菌、酵母菌、放線菌、光合菌以及醋酸菌5種菌株制備了一種針對提高大蒜產量的復合菌劑，在該復合菌劑與肥料配施的情況下提高了大蒜株高、莖粗等農藝性狀，同時改善了大蒜苗期的生長狀況，促進了其根系發育，最終提高了作物的產量。龔方等[19]認為現代化農業快速發展導致一系列的污染問題，微生物資源和技術在現代生態農業中發揮著巨大的作用，農用微生物菌劑是由一種或多種從自然界分離純化的微生物菌種經工業化生產擴繁后加工制成的活菌制劑。可以實現綠色生態農業，以確保食品的優質性與安全性。

2.2 用于難降解污染物

針對微生物對環境修復的局限性，采用微生物菌劑技術，不僅避免了二次污染問題，而且污染物降解效果顯著提高。與此同時也解決了微生物對環境的嚴格要求這一問題，使微生物的適應性與穩定性明顯增強。

高鶴南等[20]通過菌株的篩選，得到可降解煙嘧磺隆等特定菌株，并將其制備成液態菌劑，通過對菌劑制備過程中的最佳工藝條件確定，最后得出該菌劑對煙嘧磺隆的降解率可達到88.6%左右，為農藥污染土壤的生物修復提供了一條新的途徑。葉峰等[21]將馴化后具備高效降解三苯類物質能力的活性污泥作為種泥，在特定載體上發酵擴大培養，制成了復合微生物菌劑，通過對制備工藝條件的優化，使得該菌劑具有了較好的穩定性，同時保持了較高的污染物降解率。李旭東等[22]利用紅球菌屬、微小桿菌屬、芽孢桿菌、假絲酵母和短狀桿菌等菌株以一定的比例制得一種微生物菌劑，并將其用于處理煉油廢水，取得了較好的效果。

2.3 用于堆肥

微生物菌劑在堆肥中也取得了廣泛的應用，其通過不同菌種之間的協同作用，不僅對廚余垃圾降解效果顯著，而且極大地縮短了堆肥的時間。這種微生物菌劑堆肥的方式，由于其較低的成本、較短的腐熟時間，具有廣闊的市場前景。

席北斗等[23]將康氏木霉、白腐菌、變色栓菌、EM菌、固氮菌、解磷菌、解鉀菌按15∶15∶15∶25∶10∶10∶10的比例制成復合的微生物菌劑，并將其用于垃圾堆肥中，試驗結果顯示所制得的菌劑通過幾種菌株之間的共代謝作用有效地降解了堆肥中的各種物質。徐銳[24]以廚余垃圾和一些環境樣品為菌源，從中分離出高效降解菌株，采用混合培養制備復合型微生物菌劑，并對培養條件與處理工藝進行了最優化，經過篩選、優化和組合，最終選取其中13株優勢及高效微生物菌株作為菌劑的組成菌，其中包含5株常見的廚余垃圾高效降解菌和3株高效專一降解菌；經過比較，自制的復合菌劑對廚余垃圾降解有較為明顯的效果，可以進行開發和應用。方亞曼[25]針對嘉興市的畜禽污染現狀，從當地堆肥中培養出液態復合微生物菌劑，目前該菌劑繼代培養能達到50倍，大大降低了菌劑的成本。將自制菌50倍繼代培養后所得液態復合微生物菌劑用于豬糞堆肥，并與市場上其他商用微生物菌劑進行對比，試驗結果表明，自制微生物菌劑滿足堆肥要求，較商用菌劑使堆肥腐熟時間縮短5～8 d，并且其肥料成品含水率較低，更適合保存。若在發酵床上接種自制微生物菌劑，相對于普通水泥地面養殖，可以明顯改善養殖豬舍的環境，降低環境中的氨氣，同時豬只料肉比降低。

2.4 用于水質凈化

在水質凈化方面，不論是針對生活污水還是工業廢水、農業廢水，微生物菌劑均取得了突破性的進展。在生活污水的處理中，與常規微生物相比較，其對COD、氨氮處理效果有明顯的提高，也解決了運行成本高等問題。

鐘華[26]首先利用植物源培養液將動物源微生物發酵馴化為植物源微生物，再將植物源微生物馴化為植物源趨磁性微生物，最后負載于沙狀礦物石粉上形成生物礦化物，生成凈化菌劑。該種菌劑解決了普通的微生物水質凈化處理菌劑潑灑下去只浮于表面、易被水流沖走、需經常投放、運行成本高等問題。文婭等[27]利用從食材中篩選純化的特定微生物制成復合菌劑，添加不同比例的菌劑，并在供養條件不同的情況下處理生活污水，以COD與氨氮作為參考指標，效果不同。試驗結果表明，菌劑投加量在0.5%～1%時對污水中COD去除效果更顯著；而在自然、厭氧和曝氣3種情況下，COD去除率分別提高8.77%、11.22%、11.11%；對于污水中氨氮的去除，自然和曝氣條件下，菌劑對氨氮去除率更明顯，曝氣條件下該菌劑對氨氮去除率達52.28%；以0.5%的菌劑投加量，曝氣2 d，COD與氨氮去除率可分別提高11.11%和14.13%。所以該菌劑對生活污水有良好的凈化效果。

2.5 用于北方低溫環境

在中國北方高緯度地區，城市生化處理系統的水溫10～25 ℃之間，低于最佳生化反應范圍（15～35 ℃）[28]。特別是在冬季，低溫會對微生物活性、底物的利用速率、活性污泥的吸附和沉降性能[29]等均會產生一定的影響，進而影響生化系統的處理能力與穩定性。另外，低溫還會延長運行周期。因此，低溫是影響北方污水處理體系至關重要的非限制性生態因子，而構建微生物菌劑是為了實現縮短運行周期和穩定運行。對于城市污水，構建微生物菌劑主要是針對城市污水中脂類、糖類和蛋白質三大底物對低溫菌進行篩選和馴化。把城市污水作為菌源，不僅可以降低成本，還可以避免細菌之間的相互競爭，提高菌種間的適應性與持效性，從其中分離篩選低溫菌，然后進行馴化，對低溫微生物的數量與活性進行加強，構建高效的功能菌群，依靠微生物的協同降解作用來去除污染物。

中國北方一直由于低溫的原因導致生化處理中微生物數量與活性不足，而使處理效果不理想，污水中有機物不能被迅速降解，出水水質難以達標。運用本方法構建的微生物菌劑已經成功進行了多個不同工藝類型和規模的城市污水生化處理系統的低溫快速啟動。城市污水處理廠A/O生化處理系統在啟動調試期間的進、出水水質情況：該生化池進水的COD、氨氮濃度分別在184.0～275.9 mg/L、34.4～50.7 mg/L范圍波動，盡管出水水質也隨之波動，但出水COD、氨氮平均濃度分別低至55.1 mg/L和2.2 mg/L，達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的一級B標準。在生化池平均水溫為13 ℃的條件下，采用投加微生物菌劑的方式，僅僅用14 d就完成生化池的啟動，而其他研究人員在水溫為12～23 ℃的條件下，需要近3個月的時間才完成生化系統中污泥的馴化過程[30]。另外，傳統微生物在冰封期時對有機污染物降解遠不如流動期，所以這種特定功能的微生物菌劑對寒冷地區河流水質凈化處理具有重要作用。

3 總結

現如今，微生物菌劑已經在污水處理、堆肥、農業等領域得到廣泛的應用。微生物菌劑的應用相對一些化工產品等更具有經濟效益，也更加符合綠色環保的理念。微生物菌劑不僅適用于南方氣候，也考慮到北方的低氣溫氣候，它比一般微生物處理廢水所需的運行周期要縮短很多，運行也更加穩定，同時，出水水質中COD與氨氮也有明顯的降低，這在中國南北大緯度差異的環境下具有很大的現實意義和發展潛力。

同時，科技的發展也充分證明微生物菌劑技術是環境保護的理想武器，這一技術在解決環境問題過程中所顯示的獨特功能和顯著優越性充分體現在它是一個純生態過程，從根本上體現了可持續發展的戰略思想。由于微生物菌劑具有的高效率、低成本和專一性的特點，為微生物菌劑技術在環境保護中的應用展示了更為廣闊的未來和前景。

參考文獻：

[1] 林先貴，胡軍利.土壤微生物多樣性的科學內涵及其生態服務功能[J].土壤學報，2008，45（5）：892-900.

[2] 許杰龍，張國霞，許玫英，等.餐廚廢棄物資源化利用的微生物技術研究進展[J].微生物學通報，2011，38（6）：928-933.

[3] 夏 冰，趙全升，曲 洋.固定化微生物技術及其載體在污水處理中的研究進展[J].科技信息，2010（1）：306-307.

[4] THATOI H，BEHERA BC，MISHRA RR，et al. Biodiversity and biotechnological potential of microorganisms from mangrove ecosystems[J].Annals of Microbiology，2012，63（1）：1-19.

[5] 朱永光.微生物菌劑的研究與開發現狀[J].四川環境，2004， 23（3）：5-8.

[6] 李 靜，譚月臣，洪劍明.固定化微生物技術處理廢水[J].安徽農業科學，2010，38（25）：13981-13983.

[7] 楚 鵬.微生物菌劑[J].農業知識，2012（22）：36-36.

[8] 郭靜波，陳 微，馬 放，等.微生物菌劑的構建及其在污水中的應用[J].中國給水排水，2013，29（15）：77-78.

[9] 李國娟，柳紀省，李寶玉，等.微生物分離與培養的新方法與新技術[J].畜牧獸醫科技信息，2009（11）：10-11.

[10] 王保軍，劉雙江.環境微生物培養新技術的研究進展[J].微生物學通報，2013，40（1）：6-17.

[11] MARTINS S C S，DE ALMEIDA JUNIOR E G，FI■ZA L M C G，et al. Immobilization of a yeast strain isolated from a petrochemical wastewater and effect of phenol on attached cells[C].5th Congress of the Brazilian Biotechnology Society （SBBIOTEC），BMC Proceedings. Florianópolis，Brazil，2014.

[12] CHEN H，LIU L，SHUAI L，et al. Immobilization of aspergillus niger xylanase on chitosan using dialdehyde starch as a coupling agent[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology，2010， 162（1）：24-32.

[13] STOLAROW J，HEINZELMANN M，YEREMCHUK W，et al. Immobilization of trypsin in organic and aqueous media for enzymatic peptide synthesis and hydrolysis reactions[J].BMC Biotechnology，2015，15（1）：77.

[14] 劉榮榮，石光輝，吳春篤.固定化微生物技術研究進展及其在印染廢水處理中的應用[J].印染助劑，2014，31（3）：1-5.

[15] MEDEIROS JD，LEITE LR，CUADROS-ORELLANA S，et al. Taxonomic and functional diversity of microbial community from a mining environment[J].BMC Bioinformatics，2015，16（S8）：A3.

[16] GROVER M，ALI S Z，SANDHYA V，et al. Role of microorganisms in adaptation of agriculture crops to abiotic stresses[J].World Journal of Microbiology & Biotechnology，2011，27（5）：1231-1240.

[17] MEGALI L，GLAUSER G，RASMANN S.Fertilization with beneficial microorganisms decreases tomato defenses against insect pests[J].Agronomy for Sustainable Development，2013，34（3）：1-8.

[18] 邵秀麗.復合微生物菌劑制備及在大蒜生產中的應用[D].鄭州：河南農業大學，2010.

[19] 龔 方，房保海，雷質文，等.農用微生物菌劑與白色農業發展[A].2011食品安全技術與標準國際研討會暨AOAC中國區會議論文集[C].山東青島：中國國家認證認可監督管理委員會&AOAC中國分部，2011.267-271.

[20] 高鶴南，趙巍巍，馬曉亮，等.降解煙嘧磺隆微生物菌劑的制備及其穩定性[J].農藥，2011，50（6）：420-423.

[21] 葉 峰，張麗麗，吳石金，等.降解三苯類復合微生物菌劑的制備及性能[J].中國環境科學，2009，29（3）：300-305.

[22] 李旭東，朱永光，廖銀章，等.一種處理煉油廢水的微生物菌劑、其制備方法及其應用[P].中國專利：200410081504.7，2004-12-17.

[23] 席北斗，劉鴻亮，孟 偉，等.垃圾堆肥高效復合微生物菌劑的制備[J].環境科學研究，2003，16（2）：58-60.

[24] 徐 銳.一種高效降解廚余垃圾的復合微生物菌劑的研制[D].北京：北京林業大學，2014.

[25] 方亞曼.復合微生物菌劑的研制及其在堆肥上的應用研究[D].上海：上海師范大學，2011.

[26] 鐘 華.微生物水質凈化菌劑的制備方法[P].中國專利：201410

114190.X，2014-05-28.

[27] 文 婭，趙國柱，周傳斌，等.一種新型微生物菌劑處理生活污水[J].環境工程學報，2013.7（5）：1729-1734.

[28] SAHINKAYA E. Microbial sulfate reduction at low（8 ℃） temperature using waste sludge as a carbon and seed source[J].International Biodeterioration & Biodegradation，2009，63（3）：245-251.

[29] 楊小麗，葉 峰，宋海亮，等.基于污水廠運行數據的低溫生物脫氮強化研究[J].中國給水排水，2009，25（1）：82-85，88.

[30] 鄭秋紅，伍永秋，張永光.冰封期河流中污染物損耗估算模式[J].北京師范大學學報（自然科學版），2006，42（6）：615-617.