中國是世界上最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖國家，為世界糧食安全以及營養(yǎng)供給做出了重要貢獻(xiàn)。我國傳統(tǒng)的海水水產(chǎn)養(yǎng)殖以近岸養(yǎng)殖為主，隨著人民生活水平日益提高，我國對水產(chǎn)品的需求量不斷上升，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)也從產(chǎn)量較低的近岸放養(yǎng)型向著高密度、集約化的循環(huán)水養(yǎng)殖轉(zhuǎn)變。在高密度、集約化的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，殘餌糞便易于轉(zhuǎn)化為氨氮、亞硝態(tài)氮等可溶性無機(jī)污染物存在于養(yǎng)殖水體中，會(huì)對養(yǎng)殖產(chǎn)品的生長及繁殖造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。因此，利用高效的廢水處理技術(shù)去除水中過多的含氮無機(jī)污染物對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)至關(guān)重要。

目前，應(yīng)用于養(yǎng)殖廢水處理的工藝可主要分為物理法、化學(xué)法和生物法三種。物理法適用于處理水中顆粒污染物，對水中溶解性污染物去除效果較差；化學(xué)法可去除水中溶解性污染物，但需要實(shí)時(shí)添加化學(xué)試劑，不僅增加了運(yùn)行成本，還引入了外來物質(zhì)。

(相關(guān)資料圖)

因此，利用微生物降解的生物法因其去除效果好，運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于養(yǎng)殖廢水處理中。在生物法廢水處理工藝中，去除污染物的作業(yè)主體是微生物，因此微生物的數(shù)量、活性以及種群類別對工藝的去除效果有直接影響。

傳統(tǒng)方法是通過向廢水處理系統(tǒng)中投加游離菌增加系統(tǒng)中功能微生物數(shù)量以達(dá)到強(qiáng)化廢水處理效果的目的，但這種方式接種的微生物對不宜環(huán)境抗性較差，且易隨水體流失，常達(dá)不到理想的處理效果。因此，利用固定化材料為功能微生物提供附著載體，以保持微生物較高種群密度和生物活性的微生物固定化技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注，并被廣泛應(yīng)用于生物法廢水處理工藝中(石廣輝 等, 2015)。

微生物包埋固定化是利用孔隙率較高的高分子凝膠聚合物材料，將微生物吸附截留于孔隙之中進(jìn)行固定的工藝。包埋法小球具有機(jī)械強(qiáng)度高，抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)，微生物不易脫落等特點(diǎn)，在水處理領(lǐng)域有獨(dú)特優(yōu)勢。作為供微生物附著生長的載體，所選材料的物理化學(xué)性質(zhì)會(huì)直接影響到系統(tǒng)的傳質(zhì)性能和微生物活性。固定化使用的載體材料需要有充足的孔隙以保證底物的流入以及經(jīng)微生物去除后產(chǎn)物的流出，還需限制所固定微生物的流失，且對微生物的活性影響較小。此外，還需要對固定化操作難易程度、載體穩(wěn)定性、重復(fù)利用性及經(jīng)濟(jì)成本等多方進(jìn)行考量。因此，尋找合適有效的載體是影響系統(tǒng)去除性能的關(guān)鍵因素之一。

目前載體可分為無機(jī)類載體以及有機(jī)類載體兩大類。

無機(jī)類載體主要包括陶瓷、沸石、石英砂、沙粒、活性炭、泡沫金屬、無機(jī)玻璃等。無機(jī)載體機(jī)械強(qiáng)度高、傳質(zhì)性能好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、材料相對便宜，但細(xì)胞結(jié)合力較差，容易造成微生物的脫落流失。

有機(jī)載體又可分為包括瓊脂、海藻酸鹽、殼聚糖、稻殼等載體在內(nèi)的天然有機(jī)載體以及包括以及聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)等高分子材料在內(nèi)的合成有機(jī)載體(朱剛利, 2010)。天然有機(jī)載體傳質(zhì)性能良好、固定化操作簡單、對生物無毒，但機(jī)械強(qiáng)度低，穩(wěn)定性較差，易造成微生物的流失。合成有機(jī)載體機(jī)械強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、耐生物降解，但傳質(zhì)性能較差，固定化過程較為復(fù)雜，且部分載體存在少量毒性。

僅使用單一載體難以勝任多種需求，近年來專家學(xué)者對載體進(jìn)行改性和結(jié)合，并對交聯(lián)方式等做出改進(jìn)，均達(dá)到較理想的效果。但生產(chǎn)環(huán)境存在多樣性，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)需求，改變載體類型或組合，以保證系統(tǒng)最佳的去除性能。

微生物是生物法去除污染物的作業(yè)主體。因此，微生物的種類及特性也是影響系統(tǒng)去除性能的關(guān)鍵因素之一。應(yīng)用于養(yǎng)殖廢水處理的微生物應(yīng)具備本身安全、產(chǎn)物無毒無害、污染物降解迅速等特點(diǎn)，應(yīng)用于海水養(yǎng)殖的微生物還需要有耐鹽的特點(diǎn)。目前常利用的微生物主要有利用光能的光合細(xì)菌以及利用化學(xué)能的氮循環(huán)細(xì)菌。

光合細(xì)菌是一類在厭氧環(huán)境下利用光能和二氧化碳等無機(jī)碳源合成有機(jī)物維持自身生長發(fā)育的原核微生物。光合細(xì)菌有較強(qiáng)的環(huán)境耐受能力，可降解水中的無機(jī)含氮、硫等污染物，并且還可以作為養(yǎng)殖魚類的飼料添加劑進(jìn)行培養(yǎng)，在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)受到了較多的關(guān)注和研究。

氮循環(huán)細(xì)菌是利用化學(xué)能且對氨氮、硝氮、亞硝氮等含氮無機(jī)物具有去除作用的一類原核微生物。主要包括厭氧氨氧化菌、硝化菌和反硝化菌三類。厭氧氨氧化菌不需碳源、不需曝氣，去除效果好、運(yùn)行成本低，但其生長緩慢，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間長，生長條件苛刻。硝化菌可去除水中的氨氮、亞硝氮，對水產(chǎn)養(yǎng)殖有重要意義。而反硝化菌則可以去除水中的硝氮，最終產(chǎn)物為氮?dú)??？山档退械腡N，減少后續(xù)處理程序。傳統(tǒng)的反硝化理論認(rèn)為反硝化只能在厭氧環(huán)境下進(jìn)行。而隨著好氧反硝化菌的發(fā)現(xiàn)，證明了反硝化過程也可以發(fā)生在好氧環(huán)境下。在此基礎(chǔ)上，硝化菌和反硝化菌可接種于同一反應(yīng)器中，不僅減少了占地面積，也降低了運(yùn)行成本。因此，將硝化菌與反硝化菌制備復(fù)合菌劑經(jīng)固定后應(yīng)用于提高水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的去除效率值得進(jìn)一步研究(Zhang, 2022)。

包埋固定化技術(shù)可有效提高微生物豐度，增強(qiáng)微生物活性，改善出水水質(zhì)，且對養(yǎng)殖生物無毒無害，在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理中具有巨大的應(yīng)用空間。但由于養(yǎng)殖系統(tǒng)的復(fù)雜性，微生物群落的多樣性，水中污染物種類的廣泛性以及系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境多變等因素，包埋固定化技術(shù)多以模擬養(yǎng)殖廢水作為研究對象，未被大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境。因此，可在篩選高效復(fù)合菌種，研制高性能、低價(jià)格的載體以及優(yōu)化固定方式等方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以實(shí)現(xiàn)包埋固定化技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理的廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬洪婧, 2022. 包埋固定化好氧反硝化菌強(qiáng)化處理海水養(yǎng)殖廢水研究[D]. 大連海洋大學(xué).

[2] 石廣輝, 劉青松, 張旭豐, 等, 2015. 包埋固定化微生物技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖水處理領(lǐng)域的研究進(jìn)展[J]. 水處理技術(shù).

[3] 朱剛利, 2010. 厭氧氨氧化混培物包埋固定化特性的研究[D]. 華南理工大學(xué).

[4] Shuai Zhang, Amjad Ali, Junfeng Su, et al., 2022. Performance and enhancement mechanism of redox mediator for nitrate removal in immobilized bioreactor with preponderant microbes[J]. Water Research, 209, 117899.

作者：劉佩武、蘇鑫（大連海洋大學(xué)水產(chǎn)設(shè)施養(yǎng)殖與裝備工程研究中心研究生）

科學(xué)性審核：劉鷹（浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院博士生導(dǎo)師）、韓蕊（大連海洋大學(xué)水產(chǎn)設(shè)施養(yǎng)殖與裝備工程研究中心副教授、研究生導(dǎo)師）

策劃：劉雅丹（研究員、全國首席科學(xué)傳播專家、中國水產(chǎn)學(xué)會(huì)原秘書長助理）

編輯：武玥彤

來源：光明網(wǎng)-科普中國