摘要：基于微生物固定化载体材料的发展历程，论述了传统载体材料的分类、优缺点及应用场景，发现传统载体材料种类虽丰富，但各自存在一定的缺点。针对传统载体材料存在的问题，探讨了以改性载体、磁性纳米载体、生物缓释载体及大孔聚合物载体为代表的新型载体材料的特点及发展现状。从环保、成本及应用效果等角度综合考量，提出挖掘利于可持续发展的传统载体材料、完善新型载体的制备方法及丰富新型载体的种类是未来微生物固定化载体材料的发展趋势。
关键词：微生物;固定化;传统载体;新型载体;可持续发展
随着城市化、工业化的迅速发展，微生物的应用越来越广泛。在微生物应用过程中，微生物的活性及数量起到至关重要的作用，但游离分散的微生物细胞往往易受到环境因子的影响，导致菌活性及菌密度不高，进而影响了整个生物反应过程。针对这一缺点，研究者开始采用固定化技术将微生物进行固定。微生物固定化技术是指采用物理或化学的方法将微生物通过吸附、共价结合、截留及包埋等方式固定在特定的材料中，再将整体加入到反应体系的技术。
微生物论文范例：微生物检验应当注意的几个因素
相较于传统的微生物技术，该技术具有生物浓度高、固液分离简单、抗逆性强、稳定性好、机械性能强等优点，自20世纪60年代被提出以后，固定化技术就成为了微生物应用领域的研究热点，广泛应用于环保、食品、医药及能源等领域。作为固定化技术不可或缺的材料，固定化载体可以通过影响微生物活性，固定化产物的使用成本、效率、结构、传质、强度及使用寿命等，进而影响到固定化产品的使用效果及工程应用。
随着不同行业要求越来越精细及严格，固定化技术对所使用的载体材料的性能也有了更严格的要求。迄今为止，传统的载体材料(如无机载体材料、有机载体材料、复合载体材料等)已被进行了大量的研究与应用。但这些材料仍具有一定的缺点，如无机载体材料大都为惰性物质，对温度、剪切力都具有抵抗力，但其与微生物结合力度较弱，导致微生物菌密度仍较低;有机载体材料来源丰富，可通过严格控制获得理想的孔隙，但易受及压力的影响，且某些有机载体材料具有一定的微生物毒性;复合载体材料综合了不同的载体材料优点，但仍具有针对性差的缺点。
为完善目前载体材料的性能，近年来，研究者不再局限于常规的传统的载体材料，开始以更多视觉来挖掘新的载体材料，并通过改性、功能化等方式推出了新型载体材料。本文中根据国内外载体材料的研究进展，将目前载体材料归纳为传统载体材料及新型载体材料，并对传统载体材料的常见材料的优缺点、应用现状等进行了阐述，并进一步论述了传统载体材料的后续研究思路与方向;其次还论述了新型载体材料的类型、优势及应用场景等;最后对载体材料的未来发展进行了展望。传统固定化载体传统固定化载体通常可分为无机载体材料、有机高分子载体材料及复合载体材料。
在吸附固定化技术中，无机载体材料有着重要作用，常见的无机载体材料有沸石、多孔陶粒、活性炭、火山石、珍珠岩、硅藻土等，具有易操作、稳定性强、不易受酸碱腐蚀、成本低、传质性高及微生物活性高等优点，但存在着与微生物结合力度弱的问题。杨萌等用沸石作为硫氧化菌的固定化载体，研究发现，沸石为硫氧化菌的生长提供了合适的环境，在养殖海水中，负载有硫氧化菌的沸石对硫化物具有较好的去除效果，在温度为30℃、pH为7.0、转速150r/min的实验条件下，对硫化物的去除速率达到了33mg/(g·h·L)。
此外，该研究还发现沸石主要是通过自身的孔隙结构来固定微生物，吸附在沸石孔隙中的微生物活性较好，可直接与外界进行物质交换，一般情况下，当沸石用量较低时，微生物吸附量随着沸石的投加量增加而上升，但若沸石投加量过多，沸石间易形成重叠进而影响表面吸附位点的数量，从而降低微生物的吸附效果。Chakravarty等研究了游离玫瑰孢链球菌、玫瑰孢链球菌球团及多孔耐火砖固定化玫瑰孢链球菌对达托霉素产量的影响，研究发现，在第一批次培养时，游离细胞和球团细胞表现出相当大的达托霉素生产能力，但随着发酵时间的延长，相较于游离细胞和球团细胞，固定化细胞稳定性更强且培养基黏度更低，使得后续达托霉素的产量更高，在末批次培养中，固定化细胞中的达托霉素的产量达到了4895mg/L，较球团细胞及游离细胞分别提高了倍及倍以上，且该细胞重复利用性好(可重复利用次)。
陈爽等以粉煤灰和池塘底泥为主要原料制备了新型粉煤灰陶粒，并将该陶粒用于EM菌剂的固定，考察了固定化EM菌剂在模拟养殖废水中对氮磷的去除效果，研究发现，粉煤灰陶粒耐久度较好，比表面积大，具有良好的亲水性，对氮、磷有一定的吸附能力，在粉煤灰陶粒的吸附及EM菌剂降解的双重作用下，废水、的去除率分别达到了99.14、44.35。从上述研究案例可以看出，无机载体材料主要是通过吸附作用固定微生物，载体的比表面积及孔隙率影响着微生物的负载量，这类载体可保持较高的微生物活性及较好的传质性，但结合力度较弱。在后续的研究中，可通过改性、新材料挖掘等手段获取集特定功能、负载量更高、结合力度相对较强的无机载体材料。
相比无机载体材料，有机载体材料形式更加丰富，可通过一定的操作对孔隙进行控制，且某些有机载体表面具有丰富的官能团，进而能与微生物紧密结合。有机载体可根据来源的不同分为天然有机载体和合成有机载体大类。
天然载体种类丰富，常见的有海藻酸钠、壳聚糖、琼脂、琼脂糖和几丁质等。一般来说，这类载体具有无毒无害、传质性能好等优势，但存在着强度低、可被生物降解、使用寿命短、载体重复性差等缺点。以天然载体作为固定化载体时，海藻酸盐往往是首选的聚合物[1，它们易于处理，对人类、环境和被捕获的微生物无毒，价格低廉。Tariq等11将海藻酸钠作为固定化载体，分别对产硫化氢及非产硫化氢的细菌进行了固定，考察了固定化产硫化氢细菌与游离的硫化氢细菌对不同工业废水中汞的去除效果，结果显示，经过48h的处理，相比游离组，固定后的微生物显著地提高了汞的去除率。
此外，固定化非产硫化氢细菌亦有较好的除汞能力;上述研究结果表明，海藻酸钠固定化为微生物提供了相对较好的生存环境，避免了剪切力造成的影响，提高了遗传稳定性，且海藻酸钠表面亦可对汞进行吸附，在微生物降解及海藻酸钠吸附的协同作用下，固定化下汞的去除效果得到了提升。菌丝球是由丝状真菌在液体培养过程中菌丝互相缠绕而成，具备良好的生物活性，且重复利用性较强，是一种廉价的环境友好材料[1。在固定化过程中，菌丝球主要是通过内部的孔隙将微生物吸附固定。尤嘉懿[1将筛选获得的高效阿特拉津降解菌株固定于黑曲霉菌丝球上，结果表明，菌丝球固定化体系的稳定性良好，完整性系数保持在92%以上。
根据水中阿特拉津的降解情况，优化处理条件为：菌液(OD600=1)体积30mL、pH=7、吸附时间、温度30℃，菌球耦合体系可完全去除阿特拉津，且重复利用性能良好，在循环次后，仍可对阿特拉津保持90%以上的降解率。周梦娟[1利用黄色蓝状菌菌丝球作为高效化反硝化菌的载体，高效反硝化细菌经过菌丝球载体固定化后，生物量(VSS)较游离菌提高了0.41g/L，细胞的死亡率降低了13.65%，NO-、TN去除率分别提高了19.72%、24.78%，NO-、NH-的积累现象得到有效缓解，该载体在环境因子的扰动下仍能保持结构稳定和良好的脱氮效果，且菌丝球内的交叉结构有利于多次再利用，是固定化高效反硝化细菌的最佳载体。农业废弃物由于成本较低，来源广泛，作为低成本吸附剂受到广泛的关注15。
Hazaimeh等16将共培养的细胞液与锯末和油棕榈空果串按一定比例混合并经适当的处理，细菌通过载体表面的疏水性和自身产生的胞外多糖而被固定，然后将固定后的细菌处理原油烃，结果显示，相比游离细菌，在第周时，固定在锯末和油棕榈空果串的细菌对原油降解率分别提高了17.52%和15.85%，且对原油的完全降解时间缩短了25%(从周缩短到周)。从上述研究案例可以看出，天然有机载体材料可通过包埋及吸附的方式固定微生物，在后续的研究中，完善常规天然有机载体材料(如海藻酸钠、壳聚糖等)，丰富天然有机载体材料种类具有重要的现实意义。
相较于天然有机高分子材料寿命较短、强度低的问题，合成高分子材料由于强度高、稳定性好而受到广泛关注。常见的人工合成有机载体材料有聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙酰胺、羧甲基纤维素、聚酯泡沫等。聚乙烯醇无毒、价格低廉、强度高，是一种首选的固定化合成载体材料，但在使用过程中易出现固定化小球黏连、吸水溶胀，且交联液中硼酸具有一定的微生物毒害性等问题。Zhong等17将聚乙烯醇作为固定活性污泥，并将其应用于焦化废水中，结果表明，该活性污泥可有效去除焦化废水中的COD，而经包埋后，对COD的降解效率更高，当聚乙烯醇质量分数为10、活性污泥的质量分数为时，对焦化废水的COD去除率最佳，达到了84.23。
聚氨酯泡沫塑料也是一种经济且性能优越的合成高分子有机载体材料，孔隙结构丰富，可为微生物提供比较多的附着点，生物负载量大，但亦存在稳定性不足、生物相容性差等问题。Alessandrello等18提出了一种经济的石油生物修复方法，即将聚氨酯泡沫作为PseudomonasmonteiliiP26和Gordoniasp.H19的载体，并将固定后的微生物应用于人工海水中原油的去除，然后研究了30℃下聚氨酯泡沫共固定化微生物对原油去除效果的影响，结果表明，在30℃下效果最佳，经过7的处理，原油的去除率达到了75。人工合成有机高分子载体材料虽可控性、稳定性及强度较好，但传质性相对较弱，且某些载体材料或单体具有一定的微生物毒害性，因此，仍需进一步完善以达到最佳的状态。
改性载体材料针对传统载体存在的一些问题，研究者开始采取一定的措施对载体进行改性，改性方式多样，可根据不同的目的采取不同的改性手段，进而实现针对性更强、性能更优的载体材料。氧化石墨烯GO是石墨烯的氧化产物，性质优越，能增强各种类型细胞的黏附、生长、增殖和分化;海藻酸钠(SA)是一类线性阴离子多糖大分子，具有良好的生物相容性和生物功能。Huang等[2将液晶(LC)结构的GO修饰SA，形成新型载体材料LCGO-SA，单纯SA泡沫呈现无序的微观结构，没有明显的孔隙结构;单纯LC-GO泡沫具有随机定向的连续大孔，孔径大小不一;而CGO-SA泡沫为高度有序的三维结构。
研究结果表明，在SA溶液中加入适量的GO可以改善SA体系的性能及结构，获得的CGO-SA具有结构高度有序、力学性能优良、生物相容性好等优点;此外，将MC3T3-E1小鼠成骨细胞接种于纯SA膜、纯LC-GO膜和LC-GO/SA复合膜上培养，结果发现，随着培养时间的延长，接种于LC-GO/SA膜上的成骨细胞的代谢活性、存活率都显著高于SA膜和GO膜，说明新制备的CGO-SA有利于细胞的附着与增殖，增强了MC3T3-E1小鼠成骨细胞的代谢活性和生存能力。此外，氧化石墨烯比表面积大且富含官能团，表面丰富的官能团使其容易被修饰，亦是一种新型、性能优异、可改良的碳载体材料。
郑媛23通过自由基聚合方法将甲基丙烯酸(MAA)和甲基丙烯酸丁酯(BMA)共聚物修饰到氧化石墨烯表面，并通过改性石墨烯表面的官能团将脱氮副球菌进行固定，形成新的固定化微球，该微球集吸附与降解于一体，在10、14内即可实现初始浓度1000、2000mg/L的NN-二甲基甲酰胺(DMF)溶液的完全处理，并不需经任何处理，在次循环使用后，对高浓度DMF(2000mg/L)的去除率仍可达到100%。针对海水养殖环境中硫化物含量过高的问题，王晓琼等24利用普通陶粒及改性陶粒对耐盐硫氧化菌嗜热氢弧菌进行了固定化，结果发现，改性后的陶粒孔隙增多、比表面积增大，硫化菌株对硫化物的去除能力大幅度提升，相比未改性的陶粒，改性陶粒固定后的微生物对硫化物的去除率提高了约35，达到了75。
此外，该陶粒重复性能好，更有利于实际工程应用。磁性纳米载体材料磁性材料以尺寸小、比表面积大、表面可改性、优异的磁性和良好的生物相容性等独特性能受到人们的广泛关注，可与微生物一起固定而得到磁性固定化微球，该微球在应用过程中可通过磁场的控制避免搅拌速度等造成的影响，也可通过磁场进行回收，减少人工成本，适于连续生产。
Ahmad等25通过在功能性聚氨酯泡沫塑料(FPUF)表面涂覆氧化铁纳米粒子(IONPs)制备多孔立方载体，并吸附异养菌、厌氧氨氧化菌和氨氧化菌，形成的固定化菌群用于去除焦化废水中的高浓度喹啉、COD和含氮化合物，该载体可以为异养菌对芳香族化合物的吸附和选择性处理提供良好的外层屏障，为内层的厌氧氨氧化菌提供有利的环境，为中间层的氨氧化菌提供一个互惠的环境，在此条件下，-、-、的去除率分别达到了98%、99%、97%，同时，COD及喹啉的去除率分别达到了98%及100%。Xu等26以超顺磁性Fe纳米粒子为载体，在亲盐碱性条件下固定硫氧化细菌，并将其应用于高浓度含硫模拟废水中，结果显示，固定化细胞的硫氧化能力与游离细胞接近，但稳定性较高，可重复使用次以上，且回收简便，回收成本低，具有良好的应用前景。
生物缓释载体材料缓释载体可通过缓慢释放营养、生长因子等物质来促进微生物的生长或代谢，增强了微生物的自我繁殖能力及活性;缓释载体亦可缓慢释放微生物，有利于微生物水力停留时间的延长，减少了微生物的流失，提高了单位体积内微生物的含量。宋超27以粉红菌-、异养硝化好氧反硝化假单胞菌为研究对象，采用细菌纤维素分别将上述种菌进行固定化并应用于高氨氮模拟废水中，研究结果显示，细菌纤维素负载微生物的能力较佳，与菌株的结合力度较强，固定后的菌株活性较高，并具有良好的菌株缓释能力;在高氨氮模拟废水中，D05固定化菌剂对COD、-的去除率分别达到了81、86;宋超还将湿态细菌纤维素应用至模拟构筑物中，发现NH-、COD的去除率均有所提高，分别达到了2.5%、6.8%。
Li等28以聚乙烯醇为骨架材料，淀粉为碳源，将聚乙烯醇与糊化淀粉在水溶液体系中共混制备了淀粉聚乙烯醇碳源缓释载体材料，并将该载体材料与活性污泥混合后用于二级出水中的三级反硝化处理，研究结果发现，该缓释载体材料中的有机碳源仅能通过微生物的水解才能释放，这使得碳源可自动响应进水硝酸盐的变化而进行释放，因而无需复杂的控制系统就可以避免有机残留物且保持相对稳定的碳氮比;当淀粉含量达70，温度为30℃时，废水中的氮去除率达到最高，为94，因此，以聚乙烯醇和淀粉为电子供体和碳源的混合工艺处理城市污水经济有效，适于大规模推广。
结语与展望
微生物固定化技术凭借着回收方便、菌密度高、对不良因子抵抗力强等优势，被广泛应用于各种领域。作为固定化技术的关键部分，载体材料的性能限制了固定化技术的实际应用。近年来，固定化载体的研究已从单一化走向复合化，进而走向新型化，尽管其研究取得了较大的进步，但仍有一些问题有待进一步探讨及注意：①随着载体材料的发展，研究者已不再局限于常规的传统载体材料，开始挖掘绿色、更利于可持续发展的载体材料，但这类研究尚不够深入，材料类型较为单一(多为农业废弃物)，且性能有待进一步完善。在绿色、协调等生态发展理念下，加强此类载体材料的研究是未来的发展趋势之一。②为了改善传统载体，制备稳定高效的新型载体材料已成当前研究的主流方向。
相较于传统载体材料，新型载体材料具有使用效果更佳、针对性更强的特点，但该材料大都存在着预处理程序烦琐、成本较高的缺点，此外，该材料的研究基本集中于实验室阶段。因此，深入研究新型载体材料的低成本制备、处理方式的优化及工程应用等具有重要的现实意义。③载体材料种类繁多，不存在一种载体材料适用于所有场景;此外，载体优化处理的方式也较多。因此，不同的固定化方法需要采用相应特定性质的载体及增强这一性质的改良方法，例如，用于表面吸附或结合的载体应具有高孔隙率，以确保固定化材料与微生物的接触面积尽可能大;而用于包埋的载体应具有合适的孔隙大小及较多的官能团，以确保其与微生物的结合力度。
参考文献
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作者：彭春燕，刘天翔，高育慧，曹华英，郑卫国*
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