工业水处理, 2021, 41(11): 40-44, 50 doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2020-0805

• 专论与综述 •

固定化微生物处理农药废水的研究进展

周玲,, 梁媛,, 丁丽娜, 陈壮

苏州科技大学环境科学与工程学院, 江苏苏州 215009

Research progress of immobilized microorganism technology in pesticide wastewater treatment

ZHOU Ling,, LIANG Yuan,, DING Lina, CHEN Zhuang

School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China

通讯作者: 梁媛, 博士, 副教授, 硕士生导师。E-mail: liangyuan@usts.edu.cn

收稿日期: 2021-07-22  

基金资助: “十三五”国家水体污染控制与治理科技重大专项.  2017ZX07205002
国家自然科学基金（青年）.  21507097
苏州市科技发展计划项目（民生科技）.  SS2019027

Received: 2021-07-22  

作者简介 About authors

周玲(1996-),硕士电话:18251127511,E-mail:1169831029@qq.com , E-mail：1169831029@qq.com

Abstract

Pesticide pollution is becoming more and more serious. The immobilized microorganism has higher degradation efficiency than the free microorganism, which can be used as a strategic mean of pesticide degradation. This paper reviewed the selection, the advantages and disadvantages of carriers. The selection of functional microorganism, the remediation effect and mechanism of immobilized microorganism technology in the process of pesticide degradation were elaborated. Meanwhile, the latest applications of immobilized microorganism technology used in different kinds of pesticide wastewater(organochlorine, organophosphorus, carbamate, pyrethroid, triazine and neonicotinoid) were discussed. It is suggested that selecting suitable carrier materials is the key of pesticide degradation. And it is also important to select targeted functional microorganism to prepare immobilized microbial materials. Deeply exploring the mechanism of degradation is necessary. In this paper, immobilized microorganism technology in the treatment of pesticide contaminated wastewater was prospected, so as to provide references for the practical application of immobilized microbial technology in the treatment of various pesticide wastewater.

Keywords： immobilized microbial ; pesticides ; degradation ; carriers

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本文引用格式

周玲, 梁媛, 丁丽娜, 陈壮. 固定化微生物处理农药废水的研究进展. 工业水处理[J], 2021, 41(11): 40-44, 50 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-0805

ZHOU Ling. Research progress of immobilized microorganism technology in pesticide wastewater treatment. Industrial Water Treatment[J], 2021, 41(11): 40-44, 50 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-0805

我国每年的农药使用量约170万t〔1〕，农药给农业带来高产的同时也产生了农药残留问题〔2-3〕，六六六、DDT等农药禁用几十年后，仍可在水体中检出，对人群健康、生态环境产生一定的影响，因此需要开展农药污染水体的修复。按照化学组分农药被分为有机氯、有机磷、氨基甲酸酯、拟除虫菊酯、三嗪类和新烟碱类等〔4〕。目前，农药污染物的去除手段主要包括吸附、氧化、催化降解、膜过滤和生物处理〔5〕。生物降解可有效去除农药污染物，但受到细胞生长、底物抑制和对环境因素的敏感性等限制〔6〕。

固定化微生物技术是一项运用物理-化学方式将微生物固定在载体材料上，并将其限制在特定空间区域内高度富集的技术。细胞固定化较传统的生物降解手段具有细胞浓度高、耐受性好、对有毒物质的敏感性较低，可重复使用和保护细胞抵抗恶劣环境〔7-8〕等特点。在实际应用中，针对不同的目标污染物，菌种和载体的选择以及固定化的方法各异。为此，笔者就这一技术在上述六大类型农药废水中的具体应用进行综述，为固定化微生物技术在特定种类农药中的载体、微生物、固定化方式的选择提供参考。

1 固定化微生物技术

1.1 固定化的方法

固定化微生物的方法一般分为吸附法、包埋法、共价结合法和交联法4种〔9-10〕。吸附法包括表面物理吸附和化学吸附。物理吸附是通过物理方法将微生物吸附到载体表面使之固定化；化学吸附是通过离子键合作用将微生物固着于带有相异电荷的载体材料上。H. LEON-SANTIESTEBAN等〔11〕将根霉菌ENHE固定于尼龙纤维中，其对五氯苯酚去除率可达92%。包埋法是将微生物细胞分散到多孔载体内部或利用高聚物形成凝胶时将细胞包埋在内部，从而达到固定细胞的目的，运用最为广泛。M. S. FU- ENTES等〔12〕用包埋法制备海藻酸钠小球去除五氯苯酚和毒死蜱，相比于游离态微生物，固定化微生物对五氯苯酚和毒死蜱的去除率分别提高了30%和13%。共价结合法是利用微生物表面反应基团与载体反应，形成共价键来制得固定化细胞。交联法利用双功能或多功能试剂直接与细胞表面反应基团进行反应，使细胞彼此交联形成网状结构。对上述4种固定化方法的优缺点进行比较，如表 1所示。

表1   4种固定化方法的优缺点

Table 1  The advantages and disadvantages of four immobilization methods

方法优点缺点
吸附法操作简单，成本低，可重复利用，空间位阻小牢固性较差，细胞易从载体上脱落，微生物量及活性受载体材料影响大
包埋法操作简单，成本低，对微生物活性影响小，可同时固定多种细胞或载体聚合物对细胞有损伤，传质阻力较大
共价结合法细胞与载体间结合力较强操作复杂，对细胞活性影响较大，普遍应用性较差
交联法细胞与载体联结牢固，稳定性好操作复杂，抑制微生物活性，适用范围狭窄

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1.2 固定化的载体

固定化技术的关键是选择高效的载体材料〔13〕。不同的固定化方法对载体要求不同，例如，用于表面吸附或结合的载体应具有较高的孔隙率，以提高固定化材料与载体的接触面积〔14〕。用于生物强化的载体应易于生物降解，在废水处理中，由于载体可能会受到物理应力的作用，所以载体需具有机械阻力高且方便回收的特性。

用于固定化微生物的材料有很多，无机材料有黏土、硅酸盐、石英砂、陶瓷、硅藻土、微孔玻璃、砖粒、活性炭、多孔火山石、尼龙纤维等。有机材料包括聚氨酯泡沫塑料、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇凝胶、纤维素、琼脂、海藻酸盐、卡拉胶、壳聚糖、胶原质、生物炭、丝瓜络、植物碎屑纤维和谷粒等〔15〕。无机载体具有很高的化学、物理和生物抗性，机械强度大、不易降解。其中，火山石形状、大小不规则，多孔，具有良好的吸附性能和较高的机械强度，对有机磷农药的去除效果明显〔16-17〕。李启武等〔18〕采用海藻酸钠-活性炭复合载体包埋不动杆菌，其对残杀威的降解率为69%。但无机材料由于官能团数量少，阻碍了与细胞的充分结合〔9〕，易出现细胞脱落现象。有机载体作为固定化微生物载体效果好，其拥有丰富的官能团，有利于微生物的黏附和增殖〔19〕。丝瓜络〔20〕、玉米芯〔21〕等作为固定化载体对农药的原位修复效果明显。碳质材料有利于微生物生长，常被用作固定载体，用于降解有机污染物。生物炭因其成本低和良好的理化性质而备受关注，其比表面积大，孔隙率高，为细菌提供了宝贵的栖息地〔22〕，可大大提高细胞浓度和污染物的去除效率。近年来，生物炭被用作载体接种微生物进行固定化并应用于废水处理中。

1.3 功能微生物

微生物可通过水解作用、氧化作用、脱卤作用等产生酶促反应来降解农药。目前已报道的降解农药的微生物主要包括假单胞菌属〔23〕、曲霉属〔24〕、芽孢杆菌属〔25-26〕、克雷伯氏肺炎菌〔27〕、寡养单胞菌〔28〕、乳杆菌属〔29〕等。

固定化技术在降解农药过程中使用的载体和微生物见表 2。

表2   不同固定化载体材料和微生物在农药降解中的使用

Table 2  Use of different immobilized carrier materials and microorganisms in pesticide degradation

固定化载体目标污染物微生物生物修复效果修复机理
甘蔗渣硝磺草酮〔30〕芽孢杆菌HZ-2未固定：52.5%固定后：75.1%多孔结构增加酶活性
吡虫啉〔24〕曲霉和木霉99%为微生物提供碳源及良好的生存环境
海藻酸盐毒死蜱〔31〕假单胞菌、沙雷氏菌、杆菌、克雷伯氏菌混合100%与聚砜合成微胶囊对微生物降解活性起保护作用
吡虫啉〔24〕曲霉和木霉95%提高细胞紧密性
生物炭氯氰菊酯〔32〕芽孢杆菌混合菌群82.18%生物炭中的石墨结构为降解提供吸附和氧化还原反应场所
火山岩阿特拉津〔33〕鲁氏不动杆菌DNS32未固定：70%固定后：94%提高细菌活性、促进功能基因的表达
甲基对硫磷〔17〕黄杆菌100%火山岩有一定吸附作用，并可提高细胞酶活性
甲基对硫磷〔34〕混合菌群未固定：41%固定后：72%生物催化，载体降低农药的生物有效性
敌稗〔23〕假单胞菌36.78 mg/（L·d）微生物脱氯，火山岩的多孔性及机械阻力为微生物提供有利场所
海藻酸钠-聚乙烯醇蝇毒磷〔35〕大肠杆菌未固定的2.5倍保护细胞不受抑制物质影响
三嗪类农药〔36〕Leucobacter sp. JW-1阿特拉津、莠灭净、扑灭津、西玛津、特丁津几乎完全降解保持胞内酶活性

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2 固定化微生物技术在不同种类农药废水处理中的应用

2.1 有机氯农药

有机氯农药毒性大、残留期长、难降解，需选择耐毒性高的微生物和载体基质。J. M. SAEZ等〔37〕将4种链霉菌固定在巴里纱布袋上制成复合材料，96 h后可去除81%的林丹。与单一微生物作用相比，多种微生物复合体系存在协同代谢作用，可显著提高对难降解污染物的去除效率。V. PRADEEP等〔38〕利用海藻酸钙固定铜绿假单胞菌制备得到的复合材料36 min内可完全降解2%的硫丹废水，检测中间产物为硫丹醚和硫丹内酯，均为硫丹非氧化降解途径的产物，这一过程可能涉及到水解酶、单氧酶等酶的作用，通过质粒消除法证明铜绿假单胞菌降解硫丹的基因位于染色体上，而非质粒上；且经海藻酸钙包裹的细菌可耐受高浓度硫丹。L. FERRANDO等〔39〕首次使用微藻固定在丝瓜络和聚氨酯泡沫上去除杀虫剂，在固定化微藻水处理反应器中去除敌草隆的效果比游离微藻反应器中提高了20%~30%，表明微藻的固定化增强了生物降解作用。

2.2 有机磷农药

有机磷农药的化学结构复杂、水溶性较低，若直接利用分离的微生物菌株往往达不到预期效果，固定化微生物技术则可作为有力手段。G. YANEZ- OCAMPO等〔34〕选择多孔火山岩为载体固定混合菌群去除甲基对硫磷（Methy Parathion，MP）和杀虫威（Te-trachlorvinphos，TCF），相比于游离菌群，固定化后材料对MP和TCF的吸附量分别提高了8.5%和5.5%，说明火山岩对MP和TCF起到了吸附作用。M. G. FERNANDEZ-LOPEZ等〔16〕分别以沸石粉和植物纤维为载体固定伯克霍尔德菌S5-2制备复合材料，与游离菌相比，2种材料均提高了对MP的降解速率，同时可去除降解产物4-硝基酚，但载体对微生物活性有一定影响，21 d后，沸石粉上微生物活性明显降低，植物纤维上的无明显变化。

2.3 氨基甲酸酯类农药

氨基甲酸酯类农药是一类较为新型的有机合成农药，活性高、毒性中等、分解代谢较快，在世界范围内广泛使用，用量仅次于有机磷农药〔40〕。S. LAO- CHAROEN等〔21〕利用椰壳、芦苇、香蕉皮、水葫芦4种农作物作为固定化洋葱伯克霍氏菌的载体以强化处理呋喃丹废水的能力，结果显示，椰壳固定后去除效果最好，由于其多孔性，能有效地物理吸附呋喃丹，使呋喃丹的半衰期大幅缩短。C. S. CHEN等〔20〕从天然河流生物膜中驯化分离能降解灭多威的鞘氨醇单胞菌，在7 d内可去除44.7%的灭多威，如以丝瓜络为固定载体，由于其孔道密集、比表面积大使得微生物附着量大，7 d内能达到完全去除的效果。

2.4 拟除虫菊酯农药

拟除虫菊酯农药由于活性高及毒性低逐渐取代了有机氯农药而被广泛使用〔41〕，残留在环境中常引起中毒和皮肤问题。P. N. TALLUR等〔42〕分别研究了聚氨酯泡沫塑料（Polyurethane Foaming plastic，PUF）、聚丙烯酰胺、海藻酸钠和琼脂4种基质固定微球菌菌株对氯氰菊酯的降解情况。结果显示4种固定方法的去除速率均比游离菌快，且微球菌在PUF中活性最强、最稳定，可在120 h内完全降解氯氰菊酯，并提高了材料的重复利用率；海藻酸钠小球机械性差导致微生物从中渗漏，使降解率降低。于波〔43〕利用海藻酸钠和生物炭固定黑曲霉修复溴氰菊酯污染水体，海藻酸钠、氯化钙、生物炭的最佳质量浓度分别为20、20、2 g/L，制备的固定化黑曲霉具有较高的机械强度和生物活性，当溴氰菊酯初始质量浓度为100 mg/L时，去除率为95%，相比于游离黑曲霉，去除率提高了15%。

2.5 三嗪类农药

三嗪类化合物在环境中性质稳定，不易降解。在M. E. A. ABIGAIL等〔44〕的研究中，使用了海藻酸钠-聚乙烯醇包埋法和生物膜附着黏土砖两种不同的固定化方法，探究固定化库德毕赤酵母菌去除阿特拉津的能力。与包埋的海藻酸钠小球相比，以黏土砖颗粒为载体的复合材料对阿特拉津的降解率和降解速度更高，阿特拉津质量浓度为1 000 mg/L时，5 d内海藻酸钠固定化微生物小球的去除率为70%，黏土砖固定生物膜可在6 d内完全降解阿特拉津。

2.6 新烟碱类农药

许多报道指出由于新烟碱类农药的大量使用，导致非靶标生物受到威胁，如美国蜜蜂种群数量锐减等。Xiaochu CHEN等〔45〕从曲霉中提取获得漆酶，以戊二醛为表面活化剂，花生壳、麦秸为载体，利用共价结合法固定漆酶，在花生壳、麦秸上的固定率分别为52.9%和58.8%。实验将两种复合材料用于9种农药污水的处理，在烯啶虫胺的质量浓度为6 mg/L，丁香醛（作为漆酶的氧化还原介体）的浓度为1 mmol/L，固定化漆酶的投加量为25 g/L时，花生壳和麦秸固定化漆酶对烯啶虫胺的去除率分别达到74.7%、73.7%；研究同时证明，介质浓度的适当增加，可使漆酶-介质体系产生更多的活性自由基，从而提高对农药的降解效率。

3 总结和展望

相比于游离态微生物，固定化微生物技术通过载体对微生物起到保护作用，具有更高效、稳定和更广泛的适应性，有利于提高对农药的降解能力。因此需要针对农药的化学结构和毒性等选择适合的材料作为固定载体，同时也需要更多的研究来明确不同方法和条件下固定微生物的特定固定机制和降解机理，这将为农药原位修复的实际应用提供新的思路。未来可从以下2个方面深入探究。

（1）针对目标污染物，筛选、驯化或通过基因工程改造出具有广谱性或特异性的污染物降解菌是固定化微生物材料的基础。

（2）固定化微生物材料的复合作用机制研究，关注其作用途径及其二次污染问题。研究固定化微生物复合材料对农药的吸附和降解作用占比，分析何为主导作用。

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