微生物絮凝劑在凈化水產養殖尾水研究中的應用

■ 文遙 劉小燕 馮興浪 陳睿 李純

（1 湖南農業大學動物科學技術學院 湖南 長沙 410128；2 桃江縣竹產業發展服務中心 湖南 桃江 413413）

水產養殖中對水質環境要求較高。水質環境的優劣是關乎水產養殖成功與否關鍵的因素之一。在水產養殖中其影響水質環境的因素較多，其中溶氧、氨氮以及亞硝酸鹽等最為常見。一般情況下，養殖水體溶氧量應保持在5mg/L～12mg/L之間，亞硝酸鹽含量要低于0.1mg/L、氨氮濃度要低于0.2mg/L，這樣才能保障水產品的健康生長。水產養殖業作為我國的重要行業之一，飼養規模的日益擴大，飼養管理模式由原有粗放型向集約化轉型，水產增養殖業蓬勃發展。

但同時，在集約化養殖過程中，隨養殖密度持續加大也使得水體環境污染問題日趨嚴重，養殖水體中產生了大量的養殖污染物，如過剩飼料，生物排泄物等會導致水體受污染嚴重，養殖水體中大量病菌滋生，不適于養殖水產品的生長。因此，探求低成本、高效率的“新型”養殖尾水凈化技術，對推進水產養殖業健康穩定發展具有重要意義。

1 微生物絮凝劑的概述

1.1 微生物絮凝劑的定義

微生物絮凝劑是基于現代生物學技術的基礎上，把微生物菌種類發酵、提取后被制出的安全無毒、高效環保且具備生物分解性的高分子水處理劑。因具備能讓水體中懸浮顆粒以及各種有害菌體等凝聚并沉淀的特質，且不會對水環境造成二次污染，而成為研究領域的一大熱點。不過，目前微生物絮凝劑還存在絮凝性能不穩定、處理成本較高以及發酵工藝不完善等問題，這些都限制了在實踐應用中的發展。

1.2 絮凝劑的研究概況

1876年，微生物絮凝劑首次被Louis Pasteur發現于啤酒釀造中發酵酵母的絮凝現象。而后，國外學者Butterfield等相繼發現某些菌種具備同等效果，經篩選與分離獲得微生物絮凝菌。1976年，國外研究人員Nakamura等人通過從放線菌和細菌等214種微生物類菌種中精心篩選了共計19種具備絮凝功能的微生物菌種。這打開了我國研制新型細菌絮凝劑技術的大門，此后開始進行大量實驗研究并應用于實踐。國內相對起步較晚，復合型微生物絮凝劑已成為當前主要的研究趨勢。馬放等首次提復合型生物絮凝劑的概念，將其開研究開發應用于實際生活。國外由最初的傳統類絮凝劑轉向研究開發新型的微生物類絮凝劑。早年研究出來的微生物絮凝劑功能性較為單一，作用于水體后呈絮團狀，廣泛應用于處理城市居民生活污水、工業廢水以及農業廢水等。雖然此類絮凝劑在污水處理等方面具備相對較大的優勢，但因國內外技術尚不成熟，制造成本過高，暫時仍無法將微生物絮凝劑大規模化投入生產使用，這也嚴重限制了微生物絮凝劑在未來的使用發展。

2 微生物絮凝劑的分類及絮凝機理

2.1 微生物絮凝劑的分類

微生物絮凝劑是由微生物自身或在其生長過程中衍生的具有絮凝形狀的代謝產物，可大致分為4大類：這類微生物自身就能產生絮凝劑，如分布于土壤、活性淤泥等環境中的霉菌、藻類以及酵母放線菌等；從微生物細胞壁提取而來的絮凝劑；微生物細胞的代謝而來的絮凝劑；基于現代分子生物學和基因工程技術克隆產生的高效絮凝特性絮凝劑，可用于處理水產養殖中存在的水體富營養化等問題。

2.2 微生物絮凝劑的絮凝機理

微生物絮凝劑的形成過程較為復雜，大量研究表明其產生菌的種類不同，其所產生的絮凝劑性質、絮凝作用的機理也有所不同，當前較為受大眾接受的絮凝機理理論主要有電荷中和、網捕卷掃以及吸附架橋作用等。

吸附架橋學說。當前“吸附架橋”學說的接受度較高，即微生物絮凝劑利用氫鍵和離子鍵這兩個化學鍵結合范德華力吸附膠體顆粒物質，通過產生架橋作用將這些顆粒物質聯結成網狀結構的絮凝體，在重力作用下快速沉淀分離。鄧述波等研究發現由硅酸鹽芽孢桿菌產生的絮凝劑MBFA9的絮凝機理為吸附架橋，其絮凝效果較佳主要在于分子量較大，含有適宜的羧基，能更好地激活絮凝劑分子活性發揮吸附架橋的作用。張媛媛、王志等都在研究微生物絮凝劑時發現在其絮凝過程中存在吸附架橋作用；馬放等認為雖在絮凝過程中存在架橋作用，但其關鍵在于離子鍵的結合，而張永奎等則認為與離子鍵結合的關聯性不大。

網捕卷掃學說。網捕卷掃卷作用本質即機械作用，該學說認為在投放微生物絮凝劑到一定量時，絮凝劑就會聚集形成網狀結構，與水體中的膠體微粒產生反應，將其卷掃網捕成沉淀物，最終在重力作用下而分離沉降。

電荷中和學說。水體中的膠體物質攜帶負電荷，當將帶有正電荷的微生物絮凝劑投入水體，在適宜的條件之下，正反電荷間相互反應會減少電荷密度使得膠體顆粒之間產生吸附作用，相互迅速凝聚而沉淀。Takeda等在研究生物絮凝劑活性影響因素時發現通過改變反應體系如加入金屬陽離子或調節pH值等能刺激微絮凝劑的活性從而影響其絮凝效果，使得電性中和學說得到驗證。

此外，微生物絮凝劑的整個絮凝過程是較為復雜的，不能單靠某一種機理完全闡述。房亞玲等研究微生物凝集劑MBFS1發現其絮凝過程是多種機理共同作用的結果。

3 微生物絮凝劑產生菌培養的影響因素

3.1 絮凝劑產生菌培養基的組成

微生物絮凝劑產生菌的培養基種類較多，可以根據所挑選目標菌的功能而篩選不同的培養基。培養基的組成主要包括如下幾種物質：

3.1.1 碳源

它是微生物生長的重要營養元素之一，能為其生長和繁殖供能，挑選合適的碳源能夠有效的促進微生物的成長和減少培養成本。徐長繪等從土壤和活性污泥中篩選出一株絮凝能力穩定高效的新菌株H14菌株，對其形態、生態環境及營養方面特征進行研究，在以葡萄糖、可溶性淀粉以及蔗糖等作為碳源時，其產生菌的絮凝活性要優于果糖或乳糖等其他碳源，對H14菌株而言，葡萄糖更易于其吸收利用，有利于絮凝劑的產生，為最佳碳源。

3.1.2 氮源

它是微生物構成蛋白質的主要材料，選擇適宜的氮源對微生物的繁殖十分重要。章素平等發現使用尿素和硫酸銨作為氮源能促進目標菌種的繁殖，有效提高微生物絮凝劑的產出。蔡芬芬等將篩選出的一株絮凝活力較好的S-2菌株，在進行絮凝劑產生菌的培養基優化時發現，S-2菌株在使用蛋白胨作為氮源時表現得效果最好，成為該產生菌的最適碳源。

3.1.3 金屬離子及其它無機離子

在絮凝菌的生長和繁殖過程中，金屬離子和無機離子或不可缺的營養物質。它能對絮凝產生菌的生長進行調節，影響其絮凝劑的產出。張學哲等研究發現，鈣離子（Ca2+）、鈉離子（Na+）、鋅離子（Zn2+）、鐵離子（Fe3+）都對K8菌株具有助凝作用，其中鈣離子（Ca2+）的助凝效果最好；張曉飛等在研究產生菌死谷芽孢桿菌Z11時發現二價金屬離子能減少膠體分子間的排斥力，有效激活絮凝活性，提高絮凝效果。

3.2 微生物絮凝劑產生菌的培養條件

3.2.1 pH值

在進行微生物絮凝劑產生菌培養時，每一種絮凝劑菌株都有最適宜的pH值范圍。徐長繪等從土壤和活性污泥中富集純化出的H14菌株，在培養初期，最適pH為7.0利于菌株的生長，但當繁殖量最大時，最適pH為5.0的絮凝劑產出最高。田瑜琳等研究志賀氏菌（Shigella Castellani）菌株ZF-1時發現，在初始pH為7時可達到最佳絮凝效果。

3.2.2 溫度

溫度也是影響微生物絮凝劑產生菌產出的重要因素之一，主要是蛋白質類絮凝劑受影響居多。適宜的溫度有助于提高絮凝劑的產出速率，優化絮凝活性。溫度過高或過低，都會導致絮凝劑產生菌生長變緩，其絮凝劑活性下降失去部分凝集能力。Ryuichiro Kurane等研究發現紅球菌屬（Rhodococcus erythropolis）在制備絮凝劑時的有利底物是果糖（或葡萄糖）、尿素和酵母提取物，其適宜pH范圍為8.5～9.5，適宜培養溫度30℃。

3.2.3 通氣量

好氧型微生物絮凝劑產生菌需根據實際情況供氧才能促進生長，保證絮凝劑的產出率。李琳等發現不同的供氧量會對微生物絮凝劑的產生有影響，絮凝劑產生菌早期生長繁殖期要加大通氣量，保證供氧充足，促進菌株的新陳代謝；絮凝劑產生菌培養后期，應適量降低通氣量，以防微生物菌體繁殖的太快，導致過早的死亡，所產生的絮凝劑只能用于菌體自身的分解利用，其絮凝活性被降低。但也有學者發現，通氣量的變化對于某些微生物絮凝劑產生菌的絮凝劑產出影響不大。

3.2.4 接種量

不同的接種量不僅影響微生物菌的繁殖與生長還會影響絮凝劑的產出。羅平等研究發現篩選出的微生物絮凝劑產生菌菌株C-6當接種量為2%時效果最佳。當接種量不足，菌體繁殖過慢很難在短期內形成一定的菌體濃度，不利于絮凝劑的累積；而接種量超標會導致菌株初始濃度太高，大量消耗營養物質，不利于絮凝劑的生成。

4 微生物絮凝劑的優勢

與傳統絮凝劑比較而言，微生物絮凝劑不僅絮凝效果更佳，其產生菌體來源十分廣泛，培養周期較快，制成生物絮凝劑作用于水體后產生的絮體穩定且能達到良好的凈化作用。其絮凝后的物質也易被生物降解，不會造成第二次污染，對環境傷害性小。具有適用廣、絮凝活性高、處理效果好、安全無毒等特性。

同時，微生物絮凝劑的破乳能力強，能有效加快污泥絮凝聚集的速度，減少泥膨現象，提高脫泥處理效率，且絮凝沉淀物更易過濾，這是當前傳統類絮凝劑所不具備的。研究表明，經MBF NOC-1處理后的醫學制藥廢水，其活性污泥的污泥體積指數會快速下降，污泥異常膨脹的情況得到了解決，提高了活性污泥的沉降能力。

此外，微生物絮凝劑可有效吸附金屬離子，降低廢水中金屬離子類的含量，有效凈化廢水。劉燊等將化學絮凝劑與微生物絮凝劑對比發現，微生物絮凝劑在去除水體中金屬離子鉛、鋅等的含量時，效果比傳統化學絮凝劑更好。

5 微生物絮凝劑應用于凈化養殖尾水處理的應用前景

近年，我國水產養殖業迅速發展，大量的養殖尾水排入江河湖泊等，破壞水質生態環境。有研究表明水產行業實現集約化養殖確實具有周期短、產量高、效益高等優勢，但在養殖過程養殖水產物種僅能保留住20%～30%的飼料營養素，其余則被排出體外，快速在養殖水域環境內大量積累飼料殘渣、排泄物等，導致養殖水體惡化。因此，高濃度代謝產物引起的水質惡化是集約化養殖業面臨的一大難題，相關從業人員如何解決水產養殖尾水的凈化問題已成為當前我國水產養殖業可持續發展的一大關鍵。隨著微生物絮凝劑在生活污水、工業廢水等廢水處理上所體現出來的優勢，讓相關研究人員萌發了將微生物絮凝劑應用于水產養殖業實踐生產的念頭，并將其付諸于行動。Hende等人通過使用微藻細菌絮凝技術處理水產養殖廢水，使其達到現行排放標準；陳紅菊等在研究有益菌類絮凝劑時發現添加該類有益菌種能有效改善水質，降低養殖水體中的亞硝酸鹽含量，起到凈化水質的作用。此外，在水產養殖業中，微生物絮凝劑所形成的生物絮凝體可作為魚蝦類的餌料，在減少養殖污水排放的同時可促進水體內魚類、蝦類的生長，減少飼料消耗。Avnimelech等人推出了一種通過微生物蛋白質的合成從水中吸收氮來誘導氮控制的水產養殖系統控制方法，能有效的降低飼養成本，適用于魚、蝦養殖，且能有效凈化養殖水體。此外，有研究證明水產養殖尾水較之工業廢水和城市生活污水而言，水體中氮、磷等的含量相對較高，固體懸浮物等含量相對較低，更易于凈化處理。當前，微生物絮凝技術在我國水產養殖行業的應用仍處于起步階段。通過篩選出一系列適宜于水產養殖應用的微生物絮凝劑產生菌群，用以改善養殖水體環境、減少餌料消耗、促進水產品生長，最終形成一套高效、完善、健康的生物修復工藝。

6 總結展望

微生物絮凝劑作為備受關注的新興水處理劑，在水產養殖尾水凈化處理的過程中仍存在費用過高、工藝不成熟、徐凝不穩定等局限性。在未來，研究人員應在掌握微生物絮凝劑現有提煉技術或知識的前提下，做到更為有效的降低微生物絮凝劑生產成本并不斷提高其工藝技術，探索出能大規模、高產量提煉微生物絮凝劑的技術或方法，使得微生物絮凝劑在水產養殖尾水的處理上得到更為廣泛的推廣與應用。（參考文獻略）