固定化微生物技術在難降解有機污染物治理中的研究進展

文_

1 固定化技術在難分解廢渣處置中的運用

固定化方法主要是指利用物理、化學等方法將游離細菌固化于一定介質中，這也是生物工程領域中的一種新興技術。固定化載體主要對細菌表面起了一個防護作用，固定化介質對化學物質的傳播也可以造成一定抑制效果，從而導致了細菌表面的實際物質含量減少，生物危害性降低。細菌經固定化后，其載體結構與細菌的內部形成了一種物理或化學連接關系，提高了細菌細胞壁的安全性。固定化細菌所處的微環境也和一般游離脂肪酸細菌有所不同，這些微環境的改變將會導致細菌的形態構造、生物特征和新陳代謝活動的變化。微生物固定化技術在難降解有機廢水處理上的應用研究也非常深入。目前用來處理難降解有機廢水的固定化方法主要有包埋法、海藻酸鈣包埋法和各種媒介的生物吸收法。

1.1 酚類化合物的降解

酚類化合物是指帶有較高放射性的化學物質,可以導致蛋白質改變、細菌中毒或者致死，當苯酚物質在人身體富集至足夠量后，其毒性才開始表現起來，并經由消化吸收體系、呼吸和肌肉流入人身體，最后引起全身致死。含酚廢水來源較廣、排放過程復雜且規模很大，所以需要對含酚廢物加以高效處置。將酚類除去的主要方式分為物理性質法、生化法、物理化學方法以及生物降解法等，當中生物降解法因其經濟效益、快捷、有效、無二次污染等特性，是分解酚類廢水的優選方法。

處理含酚、氯酚及酚類化合物的廢水處理方法大致分兩類：一類是采用物理或物化的方法解決,如萃取法、化學吸收法、超聲與過氧化氫結合法濕式催化氧化法等；另一種是生物處理方法,最常用的是傳統的活性污泥法。微生物處理技術就是從大自然中,篩選并分離出可以降解某些物質的有效微生物菌株,通過研究并探索其降解特性,利用生物周定的方法,有針對性的投用于現有的污水處理體系中,在有毒有害廢水處理領域將表現出很大的發展潛力,為污水處理工程提供了廣泛的應用前景。固定化微生物降解技術利用其特有的優點和特性,在含酚廢水工藝中起到了基礎性作用,進而開展了其它催化降解技術的廣闊前景。

1.2 芳香族類化合物的降解

針對環境中的某些特定的芳香族類化合物而言,傳統的生物處置技術往往無法適應特定環境污染源的發展需要,而使用了固定化微生物技術。固定化微生物技術在處理過程中，先要對其進行科學的篩選；然后將細菌穩定在載體上，使細菌的密度維持在活躍的狀況下,使細菌大量生長，結束之后更有利于固液分開，減少了處理的時間。

該技術可以處理一般微生物學所無法解決的工業廢氣和生活污水難題。通過微生物固定化技術，將活炭核、海藻酸鈣、N-假絲通過發酵工程進行攪拌，生成了混合產甲烷菌,然后再將其投放到不同的需氧條件下,進行污水中芳香族類化合物凈化處理。芳香族類化合物通過固定微生物后,水在溫和pH值下的應用條件比較寬廣,而且對有機物的分解性能也好于一般微生物學。

1.3 多環芳烴的微生物降解

現代科學研究已經證實,細菌分解多環芳烴通常有兩個途徑：一個就是多環芳烴為唯一物質和能量；另一個則是使多環芳烴和某些重要的生物質發生共新陳代謝。

固定化微生物對多環芳烴的細胞分解通常都要求大量氧的加入,從而生成氧化酶,使苯環迅速分解。所以,對多環芳烴苯環的生物分解首先依賴細胞生成雙加氧酶的作用,但由于酶對多環芳烴迅速分解的專一性,環內多環輪烯的復雜性,對多環芳烴的生物分解也要求許多細胞參加。所以細胞加氧酶分成二類,即單加氧酶和雙加氧酶。連續不斷的真菌通常生成單加氧酶,而對多環烴迅速分解的首先通常是羥基化多環芳烴,即將幾個氧分子加入至底物內生成輪烯衍生物,進而氧化鋨成反式雙氫乙醇和多酚；細胞中首先出現雙加氧酶,而進行多環芳烴分解過程的首先是苯環的斷裂,將二個氧分子加入其中到底物中生成雙氧乙醇,再進一步作用為順式雙氫乙醇,雙氫乙醇隨后又持續作用成兒茶酸、原兒茶酸和龍膽酸等的中間和代謝物,然后苯環斷裂,生成琥珀酸、延胡索酸、乙酸、丙酮酸和乙酮。快速分解中的物質被細胞用于合成自身的微生物含量,并生成了CO2和H2O。

1.4 氰化物降解

微生物擁有分解周圍環境中物質的生理代謝功能,但是由于環境中或水體的氰化物含量對生物降解的作用較大。因此,高濃度的乙腈可破壞腈快速分解酶和腈水解酶,使高產酸克雷伯氏菌中毒,進而有效控制了細菌等有機體對上述物質的生物降解。營養素的使用也會降低金屬氰化物的生物降解能力。碳也是細菌分解金屬氰化液晶聚合物的限制因子,可抑制環境中含氰物質的生物降解。由于氰化物在分解的多個過程中均消耗了氧氣,所以氧對金屬氰化物的代謝作用很重要。

溫度也是判斷細菌降解速度的關鍵參數。氰化物的降解酶,通常由在土壤中分解得到的中低溫細菌所形成,進行降解的適宜溫度在20～40℃。另外,pH值也是阻礙微生物分解環境中氰化物的主要原因,一般微生物和菌類產生的最理想pH值分別是6～8和4～5,但產生氰化物快速分解酶的最理想pH值卻通常在6～9,極限pH值會嚴重干擾其化學降解的效果,而山茄病鐮刀菌與真菌(包含錘形真菌、木霉菌屬、柱霉屬和青霉菌)的混合培養物可以在pH值為4的情況下分解氰化鐵。

2 固定化微生物用于治理難降解有機污染物的技術優勢

2.1 成本低

微生物來自于自然界中，進行誘變篩選出所需菌種后進行培養，由于其自身繁殖能力很強，培養成本就低，大量的微生物對污染物進行處理能夠達到高效且快速處理的目的。

2.2 適用范圍廣

由于微生物種類多，且能很好的適應不同的環境，因此對于不同類型及不同環境中的污染物可以選用不同的微生物進行很好的處理，這就體現了微生物技術適用范圍廣的特點。

2.3 治理徹底、無二次污染

固定化微生物技術已應用于有機污染物的分解，并具備了許多優勢，如能在反應器內長期維持較高濃度的生物含量，反應啟動速度快，處置效率高，運行平穩，產生的污水量較少，固液分離比較容易等。相對于其它處理方法，微生物對污染物的處理更為徹底，它能將污染物自身利用后再排到自然界中，處理了污染的同時不產生二次污染。

2.4 生物危害性降低

經過大量的科學研究證實，利用固定性技術進行難降解有機污染物的處理，除了具備有機污染物容易分解的優勢之外，還具備了其自身的特性，如固定化微生物技術對高毒性化合物的承受能力和分解力量均有了明顯提高。這是由于固定化載體對細胞表面起了某種防護作用，而固定化載體對有機污染物質的傳播也會形成抑制效果，從而導致了細胞表面的實際污染含量減少，生物危害性降低。

2.5 穩定性

細胞經固定性后，在載體和細胞之間又形成了某種物理或化學聯系，從而增加了細菌細胞壁的穩定性。但固定化細菌所處的微環境和游離于細胞表面有所不同，這些微環境的改變也會導致細胞的外形構造、生物特征和代謝活性的變化。

3 固定化微生物在用于難以降解生物治理中的前景所及發展趨勢

在細胞表面固定化技術中以吸附法和包埋法研究較多，而其他方法的作用機制和實際效果則還有待進一步探討，主要在以下問題：①廢水系統是一種十分復雜的混合系統，用單個菌種解決，很難滿足實際使用的需要。所以，應用混合菌種的固定化技術，并使用某一有效菌株進行分類處理，具有良好的應用前景。②高效固定化反應器的開發，使之能克服包埋載體對基質（尤其是氧氣）和代謝物質擴散產生的抑制效果，從而使固定化微生物處在良好的微環境中，實現生長發育和代謝作用。③廉價耐久的固定化載體和復合固定化材料的發展，使固定性研究中使用的介質及其固化技術必須更加完善，力求減少載體對生物功能和傳質的不良影響。④已設計成型的高穩定型微生物傳感器。經過持續的發展，穩定化技術將能夠在有機廢物的降解和環境工程方面起到更加關鍵的角色。

4 結語

固定化微生物技術除可進行有機廢水的降解外，還具有在化學反應器中穩定的生物含量、化學反應啟動速度快、處置效率高、運行過程平穩、產生污水數量較小、固液分離簡便等優勢。在通常狀態下，固定化微生物細菌對毒性污染物的承載力和分解性能均會明顯提高。隨著生態科學技術的迅速發展，固定化微生物技術在廢水處理領域的應用潛能也將更好地發揮。并且隨著進一步地深入研究與探索，固定化微生物污水處理技術將作為一種有效且實用的廢水生態處置方法，在有機廢水的生物降解過程中發揮著關鍵的作用。