■ 文遙 劉小燕 馮興浪 陳睿 李純

（1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410128；2 桃江縣竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心 湖南 桃江 413413）

水產(chǎn)養(yǎng)殖中對(duì)水質(zhì)環(huán)境要求較高。水質(zhì)環(huán)境的優(yōu)劣是關(guān)乎水產(chǎn)養(yǎng)殖成功與否關(guān)鍵的因素之一。在水產(chǎn)養(yǎng)殖中其影響水質(zhì)環(huán)境的因素較多，其中溶氧、氨氮以及亞硝酸鹽等最為常見(jiàn)。一般情況下，養(yǎng)殖水體溶氧量應(yīng)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(chǎn)品的健康生長(zhǎng)。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)作為我國(guó)的重要行業(yè)之一，飼養(yǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，飼養(yǎng)管理模式由原有粗放型向集約化轉(zhuǎn)型，水產(chǎn)增養(yǎng)殖業(yè)蓬勃發(fā)展。

但同時(shí)，在集約化養(yǎng)殖過(guò)程中，隨養(yǎng)殖密度持續(xù)加大也使得水體環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，養(yǎng)殖水體中產(chǎn)生了大量的養(yǎng)殖污染物，如過(guò)剩飼料，生物排泄物等會(huì)導(dǎo)致水體受污染嚴(yán)重，養(yǎng)殖水體中大量病菌滋生，不適于養(yǎng)殖水產(chǎn)品的生長(zhǎng)。因此，探求低成本、高效率的“新型”養(yǎng)殖尾水凈化技術(shù)，對(duì)推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)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(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，把微生物菌種類發(fā)酵、提取后被制出的安全無(wú)毒、高效環(huán)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(zhì)，且不會(huì)對(duì)水環(huán)境造成二次污染，而成為研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。不過(guò)，目前微生物絮凝劑還存在絮凝性能不穩(wěn)定、處理成本較高以及發(fā)酵工藝不完善等問(wèn)題，這些都限制了在實(shí)踐應(yīng)用中的發(fā)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(fā)現(xiàn)于啤酒釀造中發(fā)酵酵母的絮凝現(xiàn)象。而后，國(guó)外學(xué)者Butterfield等相繼發(fā)現(xiàn)某些菌種具備同等效果，經(jīng)篩選與分離獲得微生物絮凝菌。1976年，國(guó)外研究人員Nakamura等人通過(guò)從放線菌和細(xì)菌等214種微生物類菌種中精心篩選了共計(jì)19種具備絮凝功能的微生物菌種。這打開(kāi)了我國(guó)研制新型細(xì)菌絮凝劑技術(shù)的大門，此后開(kāi)始進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究并應(yīng)用于實(shí)踐。國(guó)內(nèi)相對(duì)起步較晚，復(fù)合型微生物絮凝劑已成為當(dāng)前主要的研究趨勢(shì)。馬放等首次提復(fù)合型生物絮凝劑的概念，將其開(kāi)研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用于實(shí)際生活。國(guó)外由最初的傳統(tǒng)類絮凝劑轉(zhuǎn)向研究開(kāi)發(fā)新型的微生物類絮凝劑。早年研究出來(lái)的微生物絮凝劑功能性較為單一，作用于水體后呈絮團(tuán)狀，廣泛應(yīng)用于處理城市居民生活污水、工業(yè)廢水以及農(nóng)業(yè)廢水等。雖然此類絮凝劑在污水處理等方面具備相對(duì)較大的優(yōu)勢(shì)，但因國(guó)內(nèi)外技術(shù)尚不成熟，制造成本過(guò)高，暫時(shí)仍無(wú)法將微生物絮凝劑大規(guī)?；度肷a(chǎn)使用，這也嚴(yán)重限制了微生物絮凝劑在未來(lái)的使用發(fā)展。

2 微生物絮凝劑的分類及絮凝機(jī)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(zhǎng)過(guò)程中衍生的具有絮凝形狀的代謝產(chǎn)物，可大致分為4大類：這類微生物自身就能產(chǎn)生絮凝劑，如分布于土壤、活性淤泥等環(huán)境中的霉菌、藻類以及酵母放線菌等；從微生物細(xì)胞壁提取而來(lái)的絮凝劑；微生物細(xì)胞的代謝而來(lái)的絮凝劑；基于現(xiàn)代分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)克隆產(chǎn)生的高效絮凝特性絮凝劑，可用于處理水產(chǎn)養(yǎng)殖中存在的水體富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題。

2.2 微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理

微生物絮凝劑的形成過(guò)程較為復(fù)雜，大量研究表明其產(chǎn)生菌的種類不同，其所產(chǎn)生的絮凝劑性質(zhì)、絮凝作用的機(jī)理也有所不同，當(dāng)前較為受大眾接受的絮凝機(jī)理理論主要有電荷中和、網(wǎng)捕卷掃以及吸附架橋作用等。

吸附架橋?qū)W說(shuō)。當(dāng)前“吸附架橋”學(xué)說(shuō)的接受度較高，即微生物絮凝劑利用氫鍵和離子鍵這兩個(gè)化學(xué)鍵結(jié)合范德華力吸附膠體顆粒物質(zhì)，通過(guò)產(chǎn)生架橋作用將這些顆粒物質(zhì)聯(lián)結(jié)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的絮凝體，在重力作用下快速沉淀分離。鄧述波等研究發(fā)現(xiàn)由硅酸鹽芽孢桿菌產(chǎn)生的絮凝劑MBFA9的絮凝機(jī)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(fā)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(shí)發(fā)現(xiàn)在其絮凝過(guò)程中存在吸附架橋作用；馬放等認(rèn)為雖在絮凝過(guò)程中存在架橋作用，但其關(guān)鍵在于離子鍵的結(jié)合，而張永奎等則認(rèn)為與離子鍵結(jié)合的關(guān)聯(lián)性不大。

網(wǎng)捕卷掃學(xué)說(shuō)。網(wǎng)捕卷掃卷作用本質(zhì)即機(jī)械作用，該學(xué)說(shuō)認(rèn)為在投放微生物絮凝劑到一定量時(shí)，絮凝劑就會(huì)聚集形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與水體中的膠體微粒產(chǎn)生反應(yīng)，將其卷掃網(wǎng)捕成沉淀物，最終在重力作用下而分離沉降。

電荷中和學(xué)說(shuō)。水體中的膠體物質(zhì)攜帶負(fù)電荷，當(dāng)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(yīng)會(huì)減少電荷密度使得膠體顆粒之間產(chǎn)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(shí)發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變反應(yīng)體系如加入金屬陽(yáng)離子或調(diào)節(jié)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(xué)說(shuō)得到驗(yàn)證。

此外，微生物絮凝劑的整個(gè)絮凝過(guò)程是較為復(fù)雜的，不能單靠某一種機(jī)理完全闡述。房亞玲等研究微生物凝集劑MBFS1發(fā)現(xiàn)其絮凝過(guò)程是多種機(jī)理共同作用的結(jié)果。

3 微生物絮凝劑產(chǎn)生菌培養(yǎng)的影響因素

3.1 絮凝劑產(chǎn)生菌培養(yǎng)基的組成

微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的培養(yǎng)基種類較多，可以根據(jù)所挑選目標(biāo)菌的功能而篩選不同的培養(yǎng)基。培養(yǎng)基的組成主要包括如下幾種物質(zhì)：

3.1.1 碳源

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

3.1.2 氮源

它是微生物構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要材料，選擇適宜的氮源對(duì)微生物的繁殖十分重要。章素平等發(fā)現(xiàn)使用尿素和硫酸銨作為氮源能促進(jìn)目標(biāo)菌種的繁殖，有效提高微生物絮凝劑的產(chǎn)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(jìn)行絮凝劑產(chǎn)生菌的培養(yǎng)基優(yōu)化時(shí)發(fā)現(xiàn)，S-2菌株在使用蛋白胨作為氮源時(shí)表現(xiàn)得效果最好，成為該產(chǎn)生菌的最適碳源。

3.1.3 金屬離子及其它無(wú)機(jī)離子

在絮凝菌的生長(zhǎng)和繁殖過(guò)程中，金屬離子和無(wú)機(jī)離子或不可缺的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。它能對(duì)絮凝產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，影響其絮凝劑的產(chǎn)出。張學(xué)哲等研究發(fā)現(xiàn)，鈣離子（Ca2+）、鈉離子（Na+）、鋅離子（Zn2+）、鐵離子（Fe3+）都對(duì)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(chǎn)生菌死谷芽孢桿菌Z11時(shí)發(fā)現(xiàn)二價(jià)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(chǎn)生菌的培養(yǎng)條件

3.2.1 pH值

在進(jìn)行微生物絮凝劑產(chǎn)生菌培養(yǎng)時(shí)，每一種絮凝劑菌株都有最適宜的pH值范圍。徐長(zhǎng)繪等從土壤和活性污泥中富集純化出的H14菌株，在培養(yǎng)初期，最適pH為7.0利于菌株的生長(zhǎng)，但當(dāng)繁殖量最大時(shí)，最適pH為5.0的絮凝劑產(chǎn)出最高。田瑜琳等研究志賀氏菌（Shigella Castellani）菌株ZF-1時(shí)發(fā)現(xiàn)，在初始pH為7時(shí)可達(dá)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(chǎn)生菌產(chǎn)出的重要因素之一，主要是蛋白質(zhì)類絮凝劑受影響居多。適宜的溫度有助于提高絮凝劑的產(chǎn)出速率，優(yōu)化絮凝活性。溫度過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)導(dǎo)致絮凝劑產(chǎn)生菌生長(zhǎng)變緩，其絮凝劑活性下降失去部分凝集能力。Ryuichiro Kurane等研究發(fā)現(xiàn)紅球菌屬（Rhodococcus erythropolis）在制備絮凝劑時(shí)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(yǎng)溫度30℃。

3.2.3 通氣量

好氧型微生物絮凝劑產(chǎn)生菌需根據(jù)實(shí)際情況供氧才能促進(jìn)生長(zhǎng)，保證絮凝劑的產(chǎn)出率。李琳等發(fā)現(xiàn)不同的供氧量會(huì)對(duì)微生物絮凝劑的產(chǎn)生有影響，絮凝劑產(chǎn)生菌早期生長(zhǎng)繁殖期要加大通氣量，保證供氧充足，促進(jìn)菌株的新陳代謝；絮凝劑產(chǎn)生菌培養(yǎng)后期，應(yīng)適量降低通氣量，以防微生物菌體繁殖的太快，導(dǎo)致過(guò)早的死亡，所產(chǎn)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(xué)者發(fā)現(xiàn)，通氣量的變化對(duì)于某些微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的絮凝劑產(chǎn)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(zhǎng)還會(huì)影響絮凝劑的產(chǎn)出。羅平等研究發(fā)現(xiàn)篩選出的微生物絮凝劑產(chǎn)生菌菌株C-6當(dāng)接種量為2%時(shí)效果最佳。當(dāng)接種量不足，菌體繁殖過(guò)慢很難在短期內(nèi)形成一定的菌體濃度，不利于絮凝劑的累積；而接種量超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致菌株初始濃度太高，大量消耗營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，不利于絮凝劑的生成。

4 微生物絮凝劑的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)絮凝劑比較而言，微生物絮凝劑不僅絮凝效果更佳，其產(chǎn)生菌體來(lái)源十分廣泛，培養(yǎng)周期較快，制成生物絮凝劑作用于水體后產(chǎn)生的絮體穩(wěn)定且能達(dá)到良好的凈化作用。其絮凝后的物質(zhì)也易被生物降解，不會(huì)造成第二次污染，對(duì)環(huán)境傷害性小。具有適用廣、絮凝活性高、處理效果好、安全無(wú)毒等特性。

同時(shí)，微生物絮凝劑的破乳能力強(qiáng)，能有效加快污泥絮凝聚集的速度，減少泥膨現(xiàn)象，提高脫泥處理效率，且絮凝沉淀物更易過(guò)濾，這是當(dāng)前傳統(tǒng)類絮凝劑所不具備的。研究表明，經(jīng)MBF NOC-1處理后的醫(yī)學(xué)制藥廢水，其活性污泥的污泥體積指數(shù)會(huì)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(xué)絮凝劑與微生物絮凝劑對(duì)比發(fā)現(xiàn)，微生物絮凝劑在去除水體中金屬離子鉛、鋅等的含量時(shí)，效果比傳統(tǒng)化學(xué)絮凝劑更好。

5 微生物絮凝劑應(yīng)用于凈化養(yǎng)殖尾水處理的應(yīng)用前景

近年，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，大量的養(yǎng)殖尾水排入江河湖泊等，破壞水質(zhì)生態(tài)環(huán)境。有研究表明水產(chǎn)行業(yè)實(shí)現(xiàn)集約化養(yǎng)殖確實(shí)具有周期短、產(chǎn)量高、效益高等優(yōu)勢(shì)，但在養(yǎng)殖過(guò)程養(yǎng)殖水產(chǎn)物種僅能保留住20%～30%的飼料營(yíng)養(yǎng)素，其余則被排出體外，快速在養(yǎng)殖水域環(huán)境內(nèi)大量積累飼料殘?jiān)?、排泄物等，?dǎo)致養(yǎng)殖水體惡化。因此，高濃度代謝產(chǎn)物引起的水質(zhì)惡化是集約化養(yǎng)殖業(yè)面臨的一大難題，相關(guān)從業(yè)人員如何解決水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的凈化問(wèn)題已成為當(dāng)前我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一大關(guān)鍵。隨著微生物絮凝劑在生活污水、工業(yè)廢水等廢水處理上所體現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)，讓相關(guān)研究人員萌發(fā)了將微生物絮凝劑應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)實(shí)踐生產(chǎn)的念頭，并將其付諸于行動(dòng)。Hende等人通過(guò)使用微藻細(xì)菌絮凝技術(shù)處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，使其達(dá)到現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)；陳紅菊等在研究有益菌類絮凝劑時(shí)發(fā)現(xiàn)添加該類有益菌種能有效改善水質(zhì)，降低養(yǎng)殖水體中的亞硝酸鹽含量，起到凈化水質(zhì)的作用。此外，在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中，微生物絮凝劑所形成的生物絮凝體可作為魚(yú)蝦類的餌料，在減少養(yǎng)殖污水排放的同時(shí)可促進(jìn)水體內(nèi)魚(yú)類、蝦類的生長(zhǎng)，減少飼料消耗。Avnimelech等人推出了一種通過(guò)微生物蛋白質(zhì)的合成從水中吸收氮來(lái)誘導(dǎo)氮控制的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)控制方法，能有效的降低飼養(yǎng)成本，適用于魚(yú)、蝦養(yǎng)殖，且能有效凈化養(yǎng)殖水體。此外，有研究證明水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水較之工業(yè)廢水和城市生活污水而言，水體中氮、磷等的含量相對(duì)較高，固體懸浮物等含量相對(duì)較低，更易于凈化處理。當(dāng)前，微生物絮凝技術(shù)在我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的應(yīng)用仍處于起步階段。通過(guò)篩選出一系列適宜于水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用的微生物絮凝劑產(chǎn)生菌群，用以改善養(yǎng)殖水體環(huán)境、減少餌料消耗、促進(jìn)水產(chǎn)品生長(zhǎng)，最終形成一套高效、完善、健康的生物修復(fù)工藝。

6 總結(jié)展望

微生物絮凝劑作為備受關(guān)注的新興水處理劑，在水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水凈化處理的過(guò)程中仍存在費(fèi)用過(guò)高、工藝不成熟、徐凝不穩(wěn)定等局限性。在未來(lái)，研究人員應(yīng)在掌握微生物絮凝劑現(xiàn)有提煉技術(shù)或知識(shí)的前提下，做到更為有效的降低微生物絮凝劑生產(chǎn)成本并不斷提高其工藝技術(shù)，探索出能大規(guī)模、高產(chǎn)量提煉微生物絮凝劑的技術(shù)或方法，使得微生物絮凝劑在水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的處理上得到更為廣泛的推廣與應(yīng)用。（參考文獻(xiàn)略）