目前，水產養殖，特別是名特水產養殖大多實施高密度養殖，養殖水體自身污染日益嚴重，同時由于外源性污染物的影響，養殖水域環境質量日益下降。因此，水質調控技術已成為發展水產養殖的一個關鍵技術。由于通常所采用的理化方法控制水質的技術存有種種弊端，所以生物（主要是運用微生物）控制便得到重視。目前國內外一般采用單一或復合微生物菌種來控制水質，但由于微生物受外界環境影響較大，抗不良環境沖擊能力差，一旦系統受損難以恢復，因此處理效果不穩定。而固定化微生物技術不僅有利于優勢菌種的固定，提高難降解有機物的降解效率；還能在生物裝置內維持高濃度的生物量，在無細胞沖出的前提下，液流量大，提高了處理負荷，減少了處理裝置的容積；并且易于固液分離；同時微生物被高分子材料包埋后抗毒性能和耐受力明顯增加，因此成為研究的熱點。
1 固定化微生物技術
固定化微生物技術起始于1959年，由Hattori等人首次實現了大腸桿菌的固定化，此后發展迅速。該技術最初主要用于工業發酵，20世紀70年代以后，由于水污染嚴重，迫切需要一種高效、快速，能連續處理的廢水處理技術，從而微生物固定化技術才在污水處理中得到廣泛應用，效果較好，至今已經形成了較為完備的理論和方法。
固定化微生物技術是指利用化學的或物理的手段將游離的微生物定位于限定的空間區域，并使之成為不懸浮于水仍保持生物活性、可反復利用的方法[1]。這里的微生物主要是人為選定的特效降解菌的優勢菌種，應滿足以下3個基本條件：①投加的菌體活性高；②菌體可快速降解目標污染物；③在系統中不僅能競爭生存，而且可維持相當數量[2]。固定化載體為微生物創造了更不易解體的生存環境，所以，一個理想的固定化載體的選擇也很重要。適合于廢水處理的固定化載體應具有以下性能：①對微生物無毒，生物滯留量高；②傳質性能好；③性質穩定，不易被生物降解；④機械強度高，使用壽命長；⑤固定化操作簡單；⑥對其它生物的吸附??；⑦價格低廉[3]。
目前常用的載體可分為無機載體、有機高分子載體和復合載體3大類型。無機載體如多孔玻璃、硅藻土、活性炭、石英砂等。有機載體還可分為兩類：一類是高分子凝膠載體，如瓊脂、角叉萊膠和海藻酸鈣等；另一類有機合成高分子凝膠載體，如聚丙烯酰胺凝膠、聚乙烯醇凝膠、光硬化樹脂、聚丙烯酸凝膠等。復合載體是由無機載體和有機載體材料結合而成，使兩類材料的性能互補，從而顯示復合載體材料的優越性[4]。
2 固定化微生物的制備方法
目前，固定化微生物的制備方法多種多樣，國內外沒有統一的分類標準，根據對各種方法的分析，可將其分為物理固定法和化學固定法兩大類。物理固定法主要有包埋法、吸附法（載體結合法）和包絡法，化學固定法包括共價結合法和交聯法（架橋法）等。
2.1 包埋法
包埋法是將微生物菌體包埋在半透性的聚合物凝膠或膜內，小分子的底物和產物可以自由出入，而微生物卻不會漏出。包埋法可分為高分子合成包埋、離子網絡包埋及沉淀包埋，是目前研究最廣泛的固定化方法。常用的包埋法固定微生物的載體材料有天然高分子多糖類的海藻酸鈣凝膠和卡拉膠、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酰胺(ACAM)等。其中，天然高分子凝膠對微生物無毒，傳質阻力小，但結合強度??；有機合成高分子凝膠強度高，影響微生物的生物活性，同時傳質阻力大。
2.2 吸附法
吸附法是利用微生物所具有的可吸附到固體物質表面或其它細胞表面的能力，將微生物吸附在附加劑的表面的方法，這是一種非常廉價和有效、比較常用的微生物固定化方法。吸附法可分為物理吸附和離子吸附。物理吸附是使用具有高吸附能力的物質，如硅膠、活性炭、多孔玻璃、碎石、卵石、鉛炭、硅藻土、多孔磚等吸附劑，將微生物吸附在表面使其固定化。離子吸附是利用微生物在解離狀態下離子鍵作用而固定于帶有相反電荷的離子交換劑上，常見的離子交換劑有DEAE-纖維素、CM-纖維素等。
2.3 包絡法
20世紀90年代初期，為克服吸附法和包埋法固定微生物的缺點，又提出用包絡法固定微生物的新技術。包絡法以人工合成生物相容性好的聚丙烯酸酯共聚物基體型多孔顆粒為載體。鄭邦乾等[5]的研究表明，微生物即可在該多孔載體外表面生成機械強度高的生物膜，又可在載體內孔中聚集大量的微生物，增大了微生物的聚集密度，而且提高了生物粒子承受水力負荷的能力。
2.4 共價結合法
共價結合法是細胞表面上官能團和固相支持物表面的反應基團形成化學共價鍵連接，從而固定微生物。該方法固定化微生物穩定性好，不易脫落，但限制了微生物的活性，同時反應激烈，操作與控制復雜苛刻。
2.5 交聯法
交聯法是通過微生物與具有兩個或兩個以上官能基團的試劑反應，使微生物菌體相互連接成網狀結構而達到固定化微生物的目的。聚集-交聯固定法是使用凝聚劑將菌體細胞形成細胞聚集體，再利用雙功能或多功能交聯劑與細胞表面的活性基團發生反應，使細胞彼此交聯形成穩定的立體網狀結構。這樣，高效菌體不易流失，生物濃度高，而使處理效果提高。最為常見的交聯劑是戊二醛。
3 固定化微生物技術在養殖水體中的應用
我國淡水湖泊富營養化情況日趨嚴重，為了對富營養化水體進行原位脫氮處理，采用固定化微生物技術，將反硝化菌制成固定化小球，投加到富營養化模擬水環境中，在無外加碳源的條件下，研究模擬水環境中含氮化合物的變化規律，以及固定化反硝化菌利用水體中有機物，降解硝酸鹽氮的情況。研究結果表明，固定化反硝化菌能有效地去除富營養化模擬水環境中的硝酸鹽氮，并部分降解水樣中的有機物。固定化反硝化菌的脫氮率受有機物種類和硝酸鹽氮濃度等因素的影響。但是長期應用時的脫氮效果以及對原水生態系統的影響有待進一步研究[6]。Balderston等[7]在高密度、閉合式鮭魚養殖池中，利用柱狀固定化反硝化細菌，有效的去除了養殖廢水中的NO3--N。
光合細菌在養殖水體中的應用較多，但是游離光合細菌流水條件下易流失，不穩定，因此固定化光合細菌[8-11]逐漸得到重視。鄭耀通[12]應用固定化光合細菌凈化養魚水質試驗，也發現固定化光合細菌可顯著提高氨氮和COD的去除率，并能增加溶解氧。經1個月的魚種飼養試驗，固定化光合細菌組魚體重顯著大于對照組，成活率也高于對照組。不僅魚體質好，活潑，個體較大又整齊，而且體色鮮艷。王立華等[13]在密閉魚簍和敞開魚簍中投放固定化光合細菌、游離光合細菌，以不加光合細菌作對照運輸鯉魚種，結果發現，在密閉魚簍和敞開魚簍中，施放固定光合細菌組在運輸途中水質一直保持良好，魚種的成活率也是最高的，到達運輸地后，魚的狀態也是最好的。固定化光合細菌在中華絨螯蟹人工育苗中也有重要的作用[14]。Hisashi等[15]比較了PVA和海藻酸2種材料固定化光合細菌對魚池水質凈化與反硝化的效果，結果表明固定化PVA球比海藻酸鹽固定化球的水質凈化能力強。
由于硝化細菌生長緩慢(在低溫下則生長更慢)，一些學者作了固定化細胞的嘗試。研究發現，固定化硝化細菌具有較強的耐低溫能力[16]，這對含氨廢水的冬季生物處理十分有益。黃正等[17]富集、培養硝化細菌污泥，選用PVA作為載體，添加適量粉末活性炭包埋固定硝化細菌污泥，處理養殖廢水(COD＝243mg/l，NH4+-N＝45mg/l)，處理24h后COD去除率為74.9%，NH4+-N去除率達82.5%。Shan[18]等利用固定化的硝化細菌去除對蝦養殖池中高濃度的氨氮，結果表明固定化細胞能有效去除養殖池中的總氨氮，高達20mg/l，即使投入的固定化顆粒密度較小，也能獲得較高的總氨氮去除率。
吳偉等[19]用聚乙烯醇（PVA）的方法對沼澤紅假單胞菌、諾卡氏菌和假絲酵母3種菌株進行固定化，所得的凝膠顆粒機械強度好，經久耐用。運用這3種菌株的固定化細胞對養殖水體中NH4+-N和NO2--N進行轉化，發現3菌株經固定化后，其對養殖水體中NH4+-N和NO2--N的轉化效率明顯優于其游離細胞。若將3菌株按2：1：2組合成復合菌株并固定化，其對養殖水體中的NH4+-N和NO2--N轉化效果將更佳。
水產養殖過程中產生的廢棄物包括殘餌、魚蝦糞便排泄物、生物殘體、肥料等在池底積累起來，形成含有各種污物的淤泥，這些污染物是池塘水質惡化的源頭和各種病菌、病毒系列的溫床，特別是其中的有機物。為了降解蝦池底部的有機物污染，以沸石為載體，將Lt7511菌投入蝦池進行環境修復。發現每千克60目沸石可吸附0.46g菌體（干質量），沸石固定化菌對餌料浸出液的降解效果明顯高于非固定化菌[20]。
芽孢桿菌也是一種常用的水質凈化微生物。以砂?；蚍惺圩鳛檩d體分別固定芽孢桿菌作為微生物治理劑，并將其應用于試驗蝦池和生產性蝦池中，以NH4+-N和NO2--N含量作為指標判斷它們對蝦池水體水質的影響和控制。結果表明，此類新型的固定化微生物治理劑具有穩定的生物效應，持續發揮作用，對蝦池亞硝酸鹽有明顯的去除控制效果[21]。
4 存在的問題及展望
固定化微生物技術同樣也存在著許多亟待解決的問題：①廉價高效的固定微生物載體的開發。理想的載體能在生產中大量應用并產生經濟效益，要求它必須價廉高效，但現在常見的各種載體均無法在兩方面同時得到突破。各種吸附劑制備簡單，操作容易，反應條件溫和，制備價格低廉，但微生物與載體的結合力較弱、穩定性差，影響處理效果。而常用的高分子包埋載體制備工藝復雜，制備成本高，影響這類載體的大量使用。因此，提高吸附劑的吸附能力，簡化包埋載體的制備工藝，使用和研究新型廉價的適合制備載體的高分子材料，有機高分子材料與無機多孔材料的結合等將是今后的研究熱點；②提高載體的重復使用率，延長使用壽命。載體的重復使用，可延長使用壽命，降低使用成本。各種載體的可再生能力、再生工藝的研究，是目前微生物固定化處理中鮮見報道的方面，有待于眾多研究力量的投入；③適合特定處理的微生物種群的選擇。目前，微生物處理技術越來越廣泛的應用于廢水的處理中，微生物具有的可分離、篩選、馴化的特點，使其經過一定的試驗，可快速生產出適合特定廢水和環境變化的菌群，顯著增加參與反應的微生物的量，提高菌群的成活率、利用率和處理效果；④開發新型高效的固定化微生物反應器。在傳統反應器應用新型固定化微生物技術，無法充分發揮效用。因此，原有生物反應器的改進，適合固定化微生物的高效生化反應器的研究，也是一個急需解決的問題。
由于養殖廢水成分復雜再加上環境因素的影響，目前，固定化微生物技術在養殖水體中的應用主要還處在室內模擬階段，把固定化微生物技術應用于生產中還需做進一步的研究。但固定化微生物技術能夠高效地使養殖水體凈化，而建立高度凈化的廢水處理系統，有利于減少或避免養殖廢水的排出，降低環境污染，并有利于建立高效率的循環式高密度養殖系統，降低生產成本，從而促進養殖業的發展。因此，固定化微生物技術在養殖廢水處理中的應用前景十分廣闊，相信通過不斷的研究和改進，固定化微生物技術一定能在養殖廢水生物處理的實際應用中發揮其巨大的潛力。這也是廢水生物處理由生物自然凈化→人工培養微生物絮體(活性污泥)→人工強化高效高濃度微生物絮體(微膠囊)的必然發展階段。
參考文獻（略）
