于光辉等

摘 要 通过从固定化藻类所用材料和方法上介绍了微藻固定化技术，阐释了固定化对藻类生理的影响，综述了固定化微藻在环境监测和污水处理方面的应用，并对微藻固定化技术的应用前景进行了展望。

关键词 微藻；固定化；藻类生理；环境监测；污水处理

中图分类号：X703 文献标志码：B 文章编号：1673-890X（2014）21--02

微藻是地球上分布最广、最原始的一类营光自养、异养或兼养的低等生物。微藻具有生长周期短、光合作用效率高、油脂含量高及产品附加值高等诸多优点。固定化细胞技术，是指将具有一定生理功能的生物细胞，如微生物细胞、植物细胞或动物细胞等，用一定的方法将其固定，作为固体生物催化剂而加以利用的一门技术。固定化能够显著提高细胞的稳定性、寿命等，且便于自动化操作。微藻的固定化技术类似于固定化细胞技术，不同的是光能营养型微藻的生长需要提供光照条件。当前，微藻固定化作为一种重要的技术手段，已成为研究热点，其应用研究主要集中在种质保藏、能源生产、重金属污染物去除及毒性检测等方面，而在环境检测、污水处理和水质净化等方面的综述报道有限。由此，综述了微藻固定化技术及其在环境检测和污水处理等方面的应用进展。

1 微藻的固定化技术

微藻的固定化技术主要有3种：包埋法、侵入吸附法和偶联法。包埋法的原理是将微藻细胞截留在水不溶性的凝胶聚合物的网络空间中，通过聚合作用或通过离子网络形成，或通过沉淀作用，或改变溶剂、温度、pH使微藻细胞截留。该法操作简单，且具有高的保留容量，对细胞无毒性，从理论上说细胞和载体间没有束缚，对微生物活性影响小，颗粒强度高，适合大多数藻类的固定化，因此包埋法成为目前应用最广泛的微藻固定化方法。包埋法常用的载体有：琼脂、藻酸盐、交叉菜糖、骨胶原和果胶等。侵入吸附法主要是利用微藻细胞的侵入和集落的特性，微藻细胞可通过静电吸附结合在固相载体表面，固相载体表面可形成单层和多层的微藻细胞层，纤丝状藻类在固定化基质上具有侵入和集落的能力，利用藻类的这一特性可将其固定在基质上。这种固定化技术操作简便，成本低廉，但吸附法可固定细胞量有限，固定的细胞易脱落。吸附法常用的固相载体包括纤维素载体和无机载体，这些固相载体往往还需进行表面修饰以增强对微藻的吸附力。偶联法主要是通过具有多个相同功能基团的偶联剂与微藻细胞表面的基团反应，从而使微藻细胞相互连接呈网状结构而达到固定的目的。此方法操作简单，固定的微藻细胞稳定，但固定过程中的剧烈反应对微藻细胞会产生一定伤害，影响微藻细胞活力。

就目前的研究进展而言，微藻固定的3种方法中，吸附法和包埋法具有操作相对简便、成本较低、对细胞伤害较小等优点而被广泛采用。但因为吸附法具有细胞保留量较小的弱点，固包埋法成为目前最为广泛应用的固定方法。

2 固定化对微藻的影响

微藻经固定化处理后，由于生活环境的改变，微藻细胞会受到一定的影响。有研究表明，藻类细胞的形状受固定化影响不大，但其细胞大小会受到一定影响，海藻酸钠固定的丛粒藻平均直径增大约2倍，而海藻酸钙固定的小球藻形成直径略小的细胞。有学者认为，微藻细胞大小的改变是由于固定微藻细胞生理活动的改变和CO2在载体中的扩散受到限制等因素造成。藻类固定后，微环境发生改变，有一段“伤害期”或“适应期”，生长率通常比自由细胞略低，但最终产量高于自由细胞。

微藻经固定之后，其生长和生理特性发生了变化，其对氮、磷和重金属等物质的吸收和富集能力得到了提高。但目前这方面的机理研究还不系统，有研究学者认为固定化能一定程度上提高微藻的合成代谢活性，并在一定程度上降低微藻的分解代谢活性，延迟衰老。但另有研究表明固定化会对某些藻类细胞的正常新陈代谢产生一定的负面影响，会使微藻细胞与载体间产生一定压力，限制了微藻的活动范围。微藻细胞受到固定化载体的束缚，细胞代谢过程受到影响，细胞的生长分裂被抑制，一定程度上减缓了微藻的生长速度。总之，目前针对固定化技术对微藻影响的研究还不够系统，许多影响机理还需进一步深化研究，很多影响因素还需进一步系统研究。

3 微藻固定化技术在环境监测和污水处理中的应用

微藻是水相环境中的第一营养水平，微藻细胞的比表面积高，其对环境中不同的污染物具有较高的敏感性，因此在水环境监测中，微藻可作为一种重要的检测工具。微藻对抑制光合作用的化合物非常敏感，如某些除草剂、重金属等，其对污染物的敏感度比大多数鱼类和脊椎类动物都高。固定化微藻应用于水环境监测也得到了美国环保署、国际经合与发展组织、国际标准化组织等的认可。

固定化微藻在废水处理中的应用包括脱氮除磷、吸收污水中重金属、去除污染水体中的烃类化合物等。

微藻固定化后，藻细胞密度高，抗性提高，反应速度快，运行稳定可靠。固定化微藻能在生物处理装置内维持高浓度的生物量，在处理装置体积相对减少的同时，处理负荷得到显著提高。另外，根据需要选择固定优势藻种，可针对性地解决不同水体污染问题。例如，处理含氮、磷丰富的生活污水，可选择小球藻和栅藻等藻种；处理含酚类的印染废水，以选择颤藻为主，这样可提高对废水中的污染物的转化率或降解效率。De Bashan等的研究表明，将小球藻固定到多聚糖凝胶中对生活污水具有较高的处理效果，3 d内对NH4+和PO43-的去除率分别高达95%和99%，而在同等条件下，直接用悬浮态的藻细胞进行污水处理，氮、磷的去除率仅为50%。Akhtar Nasreen等的研究表明固定化小球藻可以高效去除水溶液中的Cr3+，吸附处理效率高达98%。

此外，将藻和菌混合固定培养，对水体中氮、磷的去除有显著效果。薛嵘等的研究表明，将藻与菌用改进的硫酸盐PVA固定化法混合固定，并用于废水中脱氮除磷，结果表明在不同藻菌比的情况下，固定化系统对氮去除率均可达100%。

4 展望

微藻固定化技术在国外已被广泛研究和应用，但我国微藻固定化技术研究工作还处于起步阶段，而微藻固定化方法大多因藻而异，某种固定化方法只适应一定种类的微藻，这对微藻固定化技术的应用推广带来一定的困难。因此，寻找一种具有普遍性且成本较低的微藻固定化方法，是微藻固定化技术及应用研究的当务之急。

固定化微藻技术在废水处理方面有广阔的应用前景，但因固定化材料昂贵、未开发出成型的固定化微藻传感器等因素限制，还无法适用于大规模的废水处理，其在污水处理和环境监测方面的应用还处于试验室研究阶段，有待于今后从固定化对象选取、载体材料优化和高效反应器制备等方面加大研发力度，推动技术向产业化发展。

参考文献

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（责任编辑：刘昀）endprint