微生物絮凝剂在净化水产养殖尾水研究中的应用

■ 文遥 刘小燕 冯兴浪 陈睿 李纯

（1 湖南农业大学动物科学技术学院 湖南 长沙 410128；2 桃江县竹产业发展服务中心 湖南 桃江 413413）

水产养殖中对水质环境要求较高。水质环境的优劣是关乎水产养殖成功与否关键的因素之一。在水产养殖中其影响水质环境的因素较多，其中溶氧、氨氮以及亚硝酸盐等最为常见。一般情况下，养殖水体溶氧量应保持在5mg/L～12mg/L之间，亚硝酸盐含量要低于0.1mg/L、氨氮浓度要低于0.2mg/L，这样才能保障水产品的健康生长。水产养殖业作为我国的重要行业之一，饲养规模的日益扩大，饲养管理模式由原有粗放型向集约化转型，水产增养殖业蓬勃发展。

但同时，在集约化养殖过程中，随养殖密度持续加大也使得水体环境污染问题日趋严重，养殖水体中产生了大量的养殖污染物，如过剩饲料，生物排泄物等会导致水体受污染严重，养殖水体中大量病菌滋生，不适于养殖水产品的生长。因此，探求低成本、高效率的“新型”养殖尾水净化技术，对推进水产养殖业健康稳定发展具有重要意义。

1 微生物絮凝剂的概述

1.1 微生物絮凝剂的定义

微生物絮凝剂是基于现代生物学技术的基础上，把微生物菌种类发酵、提取后被制出的安全无毒、高效环保且具备生物分解性的高分子水处理剂。因具备能让水体中悬浮颗粒以及各种有害菌体等凝聚并沉淀的特质，且不会对水环境造成二次污染，而成为研究领域的一大热点。不过，目前微生物絮凝剂还存在絮凝性能不稳定、处理成本较高以及发酵工艺不完善等问题，这些都限制了在实践应用中的发展。

1.2 絮凝剂的研究概况

1876年，微生物絮凝剂首次被Louis Pasteur发现于啤酒酿造中发酵酵母的絮凝现象。而后，国外学者Butterfield等相继发现某些菌种具备同等效果，经筛选与分离获得微生物絮凝菌。1976年，国外研究人员Nakamura等人通过从放线菌和细菌等214种微生物类菌种中精心筛选了共计19种具备絮凝功能的微生物菌种。这打开了我国研制新型细菌絮凝剂技术的大门，此后开始进行大量实验研究并应用于实践。国内相对起步较晚，复合型微生物絮凝剂已成为当前主要的研究趋势。马放等首次提复合型生物絮凝剂的概念，将其开研究开发应用于实际生活。国外由最初的传统类絮凝剂转向研究开发新型的微生物类絮凝剂。早年研究出来的微生物絮凝剂功能性较为单一，作用于水体后呈絮团状，广泛应用于处理城市居民生活污水、工业废水以及农业废水等。虽然此类絮凝剂在污水处理等方面具备相对较大的优势，但因国内外技术尚不成熟，制造成本过高，暂时仍无法将微生物絮凝剂大规模化投入生产使用，这也严重限制了微生物絮凝剂在未来的使用发展。

2 微生物絮凝剂的分类及絮凝机理

2.1 微生物絮凝剂的分类

微生物絮凝剂是由微生物自身或在其生长过程中衍生的具有絮凝形状的代谢产物，可大致分为4大类：这类微生物自身就能产生絮凝剂，如分布于土壤、活性淤泥等环境中的霉菌、藻类以及酵母放线菌等；从微生物细胞壁提取而来的絮凝剂；微生物细胞的代谢而来的絮凝剂；基于现代分子生物学和基因工程技术克隆产生的高效絮凝特性絮凝剂，可用于处理水产养殖中存在的水体富营养化等问题。

2.2 微生物絮凝剂的絮凝机理

微生物絮凝剂的形成过程较为复杂，大量研究表明其产生菌的种类不同，其所产生的絮凝剂性质、絮凝作用的机理也有所不同，当前较为受大众接受的絮凝机理理论主要有电荷中和、网捕卷扫以及吸附架桥作用等。

吸附架桥学说。当前“吸附架桥”学说的接受度较高，即微生物絮凝剂利用氢键和离子键这两个化学键结合范德华力吸附胶体颗粒物质，通过产生架桥作用将这些颗粒物质联结成网状结构的絮凝体，在重力作用下快速沉淀分离。邓述波等研究发现由硅酸盐芽孢杆菌产生的絮凝剂MBFA9的絮凝机理为吸附架桥，其絮凝效果较佳主要在于分子量较大，含有适宜的羧基，能更好地激活絮凝剂分子活性发挥吸附架桥的作用。张媛媛、王志等都在研究微生物絮凝剂时发现在其絮凝过程中存在吸附架桥作用；马放等认为虽在絮凝过程中存在架桥作用，但其关键在于离子键的结合，而张永奎等则认为与离子键结合的关联性不大。

网捕卷扫学说。网捕卷扫卷作用本质即机械作用，该学说认为在投放微生物絮凝剂到一定量时，絮凝剂就会聚集形成网状结构，与水体中的胶体微粒产生反应，将其卷扫网捕成沉淀物，最终在重力作用下而分离沉降。

电荷中和学说。水体中的胶体物质携带负电荷，当将带有正电荷的微生物絮凝剂投入水体，在适宜的条件之下，正反电荷间相互反应会减少电荷密度使得胶体颗粒之间产生吸附作用，相互迅速凝聚而沉淀。Takeda等在研究生物絮凝剂活性影响因素时发现通过改变反应体系如加入金属阳离子或调节pH值等能刺激微絮凝剂的活性从而影响其絮凝效果，使得电性中和学说得到验证。

此外，微生物絮凝剂的整个絮凝过程是较为复杂的，不能单靠某一种机理完全阐述。房亚玲等研究微生物凝集剂MBFS1发现其絮凝过程是多种机理共同作用的结果。

3 微生物絮凝剂产生菌培养的影响因素

3.1 絮凝剂产生菌培养基的组成

微生物絮凝剂产生菌的培养基种类较多，可以根据所挑选目标菌的功能而筛选不同的培养基。培养基的组成主要包括如下几种物质：

3.1.1 碳源

它是微生物生长的重要营养元素之一，能为其生长和繁殖供能，挑选合适的碳源能够有效的促进微生物的成长和减少培养成本。徐长绘等从土壤和活性污泥中筛选出一株絮凝能力稳定高效的新菌株H14菌株，对其形态、生态环境及营养方面特征进行研究，在以葡萄糖、可溶性淀粉以及蔗糖等作为碳源时，其产生菌的絮凝活性要优于果糖或乳糖等其他碳源，对H14菌株而言，葡萄糖更易于其吸收利用，有利于絮凝剂的产生，为最佳碳源。

3.1.2 氮源

它是微生物构成蛋白质的主要材料，选择适宜的氮源对微生物的繁殖十分重要。章素平等发现使用尿素和硫酸铵作为氮源能促进目标菌种的繁殖，有效提高微生物絮凝剂的产出。蔡芬芬等将筛选出的一株絮凝活力较好的S-2菌株，在进行絮凝剂产生菌的培养基优化时发现，S-2菌株在使用蛋白胨作为氮源时表现得效果最好，成为该产生菌的最适碳源。

3.1.3 金属离子及其它无机离子

在絮凝菌的生长和繁殖过程中，金属离子和无机离子或不可缺的营养物质。它能对絮凝产生菌的生长进行调节，影响其絮凝剂的产出。张学哲等研究发现，钙离子（Ca2+）、钠离子（Na+）、锌离子（Zn2+）、铁离子（Fe3+）都对K8菌株具有助凝作用，其中钙离子（Ca2+）的助凝效果最好；张晓飞等在研究产生菌死谷芽孢杆菌Z11时发现二价金属离子能减少胶体分子间的排斥力，有效激活絮凝活性，提高絮凝效果。

3.2 微生物絮凝剂产生菌的培养条件

3.2.1 pH值

在进行微生物絮凝剂产生菌培养时，每一种絮凝剂菌株都有最适宜的pH值范围。徐长绘等从土壤和活性污泥中富集纯化出的H14菌株，在培养初期，最适pH为7.0利于菌株的生长，但当繁殖量最大时，最适pH为5.0的絮凝剂产出最高。田瑜琳等研究志贺氏菌（Shigella Castellani）菌株ZF-1时发现，在初始pH为7时可达到最佳絮凝效果。

3.2.2 温度

温度也是影响微生物絮凝剂产生菌产出的重要因素之一，主要是蛋白质类絮凝剂受影响居多。适宜的温度有助于提高絮凝剂的产出速率，优化絮凝活性。温度过高或过低，都会导致絮凝剂产生菌生长变缓，其絮凝剂活性下降失去部分凝集能力。Ryuichiro Kurane等研究发现红球菌属（Rhodococcus erythropolis）在制备絮凝剂时的有利底物是果糖（或葡萄糖）、尿素和酵母提取物，其适宜pH范围为8.5～9.5，适宜培养温度30℃。

3.2.3 通气量

好氧型微生物絮凝剂产生菌需根据实际情况供氧才能促进生长，保证絮凝剂的产出率。李琳等发现不同的供氧量会对微生物絮凝剂的产生有影响，絮凝剂产生菌早期生长繁殖期要加大通气量，保证供氧充足，促进菌株的新陈代谢；絮凝剂产生菌培养后期，应适量降低通气量，以防微生物菌体繁殖的太快，导致过早的死亡，所产生的絮凝剂只能用于菌体自身的分解利用，其絮凝活性被降低。但也有学者发现，通气量的变化对于某些微生物絮凝剂产生菌的絮凝剂产出影响不大。

3.2.4 接种量

不同的接种量不仅影响微生物菌的繁殖与生长还会影响絮凝剂的产出。罗平等研究发现筛选出的微生物絮凝剂产生菌菌株C-6当接种量为2%时效果最佳。当接种量不足，菌体繁殖过慢很难在短期内形成一定的菌体浓度，不利于絮凝剂的累积；而接种量超标会导致菌株初始浓度太高，大量消耗营养物质，不利于絮凝剂的生成。

4 微生物絮凝剂的优势

与传统絮凝剂比较而言，微生物絮凝剂不仅絮凝效果更佳，其产生菌体来源十分广泛，培养周期较快，制成生物絮凝剂作用于水体后产生的絮体稳定且能达到良好的净化作用。其絮凝后的物质也易被生物降解，不会造成第二次污染，对环境伤害性小。具有适用广、絮凝活性高、处理效果好、安全无毒等特性。

同时，微生物絮凝剂的破乳能力强，能有效加快污泥絮凝聚集的速度，减少泥膨现象，提高脱泥处理效率，且絮凝沉淀物更易过滤，这是当前传统类絮凝剂所不具备的。研究表明，经MBF NOC-1处理后的医学制药废水，其活性污泥的污泥体积指数会快速下降，污泥异常膨胀的情况得到了解决，提高了活性污泥的沉降能力。

此外，微生物絮凝剂可有效吸附金属离子，降低废水中金属离子类的含量，有效净化废水。刘燊等将化学絮凝剂与微生物絮凝剂对比发现，微生物絮凝剂在去除水体中金属离子铅、锌等的含量时，效果比传统化学絮凝剂更好。

5 微生物絮凝剂应用于净化养殖尾水处理的应用前景

近年，我国水产养殖业迅速发展，大量的养殖尾水排入江河湖泊等，破坏水质生态环境。有研究表明水产行业实现集约化养殖确实具有周期短、产量高、效益高等优势，但在养殖过程养殖水产物种仅能保留住20%～30%的饲料营养素，其余则被排出体外，快速在养殖水域环境内大量积累饲料残渣、排泄物等，导致养殖水体恶化。因此，高浓度代谢产物引起的水质恶化是集约化养殖业面临的一大难题，相关从业人员如何解决水产养殖尾水的净化问题已成为当前我国水产养殖业可持续发展的一大关键。随着微生物絮凝剂在生活污水、工业废水等废水处理上所体现出来的优势，让相关研究人员萌发了将微生物絮凝剂应用于水产养殖业实践生产的念头，并将其付诸于行动。Hende等人通过使用微藻细菌絮凝技术处理水产养殖废水，使其达到现行排放标准；陈红菊等在研究有益菌类絮凝剂时发现添加该类有益菌种能有效改善水质，降低养殖水体中的亚硝酸盐含量，起到净化水质的作用。此外，在水产养殖业中，微生物絮凝剂所形成的生物絮凝体可作为鱼虾类的饵料，在减少养殖污水排放的同时可促进水体内鱼类、虾类的生长，减少饲料消耗。Avnimelech等人推出了一种通过微生物蛋白质的合成从水中吸收氮来诱导氮控制的水产养殖系统控制方法，能有效的降低饲养成本，适用于鱼、虾养殖，且能有效净化养殖水体。此外，有研究证明水产养殖尾水较之工业废水和城市生活污水而言，水体中氮、磷等的含量相对较高，固体悬浮物等含量相对较低，更易于净化处理。当前，微生物絮凝技术在我国水产养殖行业的应用仍处于起步阶段。通过筛选出一系列适宜于水产养殖应用的微生物絮凝剂产生菌群，用以改善养殖水体环境、减少饵料消耗、促进水产品生长，最终形成一套高效、完善、健康的生物修复工艺。

6 总结展望

微生物絮凝剂作为备受关注的新兴水处理剂，在水产养殖尾水净化处理的过程中仍存在费用过高、工艺不成熟、徐凝不稳定等局限性。在未来，研究人员应在掌握微生物絮凝剂现有提炼技术或知识的前提下，做到更为有效的降低微生物絮凝剂生产成本并不断提高其工艺技术，探索出能大规模、高产量提炼微生物絮凝剂的技术或方法，使得微生物絮凝剂在水产养殖尾水的处理上得到更为广泛的推广与应用。（参考文献略）