郭冰冰 尹静萍 姚昱凡 柳文睿 王新

（沈阳工业大学环境与化学工程学院，辽宁沈阳 110870）

1 引言

在经历快速发展阶段后，菌剂和酶制剂走进人们的日常生活，比如在净化水体、土壤修复、生产清洁制品方面都得到广泛的应用。治理有机污染，菌剂和酶制剂的应用原理都是利用微生物的生理功能将有机污染物转化为无污染的物质。在这一过程中，如何实现大规模量产，如何高效去除污染是研究的重点，虽然目前仍存在一些问题，但随着技术的进步，这一产业正向着“高档次、高活性、高质量、高水平、多领域”方向［1］不断前进。

2 菌剂及酶制剂的研究现状

2.1 菌剂的研究现状

菌剂的大规模生产使用始于1970 年欧美及日本等国家和地区研制的复合菌剂，主要用于处理生活污水、工农业废水和某些有机化合物的降解等［2］。20 世纪80 年代，近百个国家和地区在土壤增肥、养殖及环境治理方面使用比嘉照夫教授研制的EM 菌剂［3］，此后菌剂的应用越来越普遍。国内自20 世纪80 年代开始研究微生物菌剂，从单一菌种的利用到多个菌种的混合应用，并产生许多科研成果，如我国具有完全自主知识产权的“神威”制剂主要应用于畜牧、水产养殖及生产生活垃圾、污水处理等方面［2］。在环境净化方面的研究主要集中在对水体中的需氧量、氨氮和磷的去除、除臭及活性污泥的净化［4-6］，在一定程度上缓解了环境治理方面的压力。此前关于有机污染物的研究大都处于实验室阶段，近几年来越来越多的研究进入中试试验或现场实施，如唐建等通过模拟实验发现复合微生物菌剂有利于促进渗滤液快速稳定化，能加快降解木质素、纤维素，为垃圾填埋场的渗滤液处理指明方向［7］；胥九兵等［8］将制备的菌剂以土壤质量的5%投加至石油污染土壤中，经2 个月的修复实验，土壤中的石油降解了67.7%，为石油污染治理提供了思路；此外，也有研究发现微生物菌剂与秸秆等物质联用可获得更佳的效果，如Ali 等研究发现，将稻草生物炭作为光合菌的载体与不同浓度的磷肥配合使用，比单独使用光合菌对玉米植株的生长更有益处［9］，菌剂研究自此迈进了一个新阶段。

2.2 酶制剂的研究现状

目前实现大规模工业化生产的酶有60 多种，在环境污染物降解过程中应用最为广泛的一种酶是过氧化酶。过氧化酶类往往采用白腐真菌降解有机污染物，如芳香族类有机物，经扩大培养制成酶制剂后拓展应用至工业废水处理，这已经是一个较为成熟的研究方向。早期Krik 等在限氮培养黄孢原毛革菌时发现了10 种过氧化物同工酶，此后酶制剂的研究便如雨后春笋般迅速发展；20 世纪80 年代中期，发现了提高酶活性的有效方法，并突破了产酶只能静置培养的局限，这成为酶制剂研究史上不可越过的两个重要研究成果［10］。此外，国外在研究极端环境下能同样发挥催化作用的酶方面也取得进展，如诺和诺德公司已开发出不依赖钙离子的高温α－淀粉酶、可用于洗涤剂降解的碱性α－淀粉酶及极端耐热、耐酸的酶等［11］，酶制剂的研究成果极大满足了工业生产的需求。

国内于20 世纪中叶开始酶制剂研究，研究成果也从单一的应用领域拓展到多方面。如20 世纪中叶主要的酶制剂为用于纺织业的BF7658α-淀粉酶；90年代末高温α-淀粉酶和高转化液糖化酶已在食品及医药行业广泛应用［1］；此后酶制剂研究进程不断加快，目前除单一酶外复合酶的研究应用占据酶制剂领域的半壁江山。复合酶制剂研究主要集中在食品、畜牧、养殖、种植等方面，如酒精发酵中用到的酸性蛋白酶、纤维素酶等［12］，玉米淀粉加工中用到的纤维素酶、木聚糖酶等［13］。根据酶制剂的特性利用定向酶应对特定有机物污染已经成为行业共识，如处理造纸工业废水可利用纤维素酶、漆酶等，处理芳香族化合物利用过氧化氢酶、萘双氧合酶等［14］，以达到较好的污染治理效果。

3 菌剂及酶制剂的作用原理

3.1 菌剂及酶制剂的制备

菌剂按剂型不同可以细分为液体菌剂和固体菌剂。制备液体菌剂，首先需要筛选出多株实验菌种，然后将各个菌种分别进行培养繁殖。然后依据实际情况所需，对菌种进行单独发酵培养或者按比例混合发酵培养［15］，等到达发酵终点，获得高浓度的菌种发酵液即为液体菌剂。固体菌剂前期工艺制备操作流程和液体菌剂相同，得到高浓度菌种发酵液后，将其进行离心沉淀处理，在离心得到的菌泥里面放入保护剂，增加菌种存活率［16］。随后根据菌剂自身适用情况，进行一系列干燥、粉碎和再处理，按照一定量的比例进行混合，加入减缓菌体衰亡的辅助剂得到固体菌剂［17］。

酶制剂本质上就是一种具有生物活性的蛋白质［18］。酶制剂的制备是利用细菌、真菌等微生物在严格操作条件下发酵产生［19］。通常采取不同分离酶和提纯酶的技术，从天然微生物胶体细胞及其生物发酵液，或者从动植物胶体细胞及其生物培养液中分离出来提纯各种酶，制成高活性的、专一性好的、不同纯度的酶制剂。

3.2 菌剂及酶制剂的作用原理

微生物菌剂在有机污染应用上的主要作用原理就是通过酶催化所产生的生化反应［19］对有机污染物进行降解的过程。有机污染物中存在部分微生物生长发育、新陈代谢所需要的营养物质和能源，以此来促进微生物生长过程中分泌一定的活性酶用于污染物降解。在自然界中有机污染物伴随着微生物存在，但受有机污染的水体或土壤中微生物占很少一部分，且受自然环境中各种因素的影响，通过自然降解不能达到去除污染物的效果。通过向含有有害污染物的各类水体或其他土壤中同时投加有害微生物菌剂，一次可以同时投加多种类型且不同数量的有害微生物，利用微生物菌剂繁殖快速缩短降解所需要的时间，利用微生物加速分解污染物，将有毒有害物质迅速转化为无毒无害物质，从而去除污染物。

酶制剂利用了酶活性高、专一性好的特点，例如蛋白酶能够分解蛋白质、脂肪酶能够分解脂肪等。有机污染物中含有大量有机物（包括纤维素、脂肪、蛋白质和芳香族化合物等）［20］，通过一定比例将酶混合，制备复合酶制剂，从而达到去除有机污染物的目的。

4 菌剂和酶制剂的应用及发展前景

有机污染物是在自然界中长期存在且难以被生物体分解的有机物，对绝大多数生物具有致癌性、致畸性、致突变等［21］危害影响，高浓度有机污染甚至还存在着需氧性、感官性污染和致毒性等潜在危险［22］。

4.1 菌剂在有机污染治理方面的应用及发展前景

4.1.1 国内外菌剂的应用

菌剂治理有机污染具有降解能力强、成本低、对环境不会造成二次污染等特点，且随着菌剂制备工艺的不断提高，其在有机污染治理方面的应用前景越来越广阔。国内外商品化微生物菌剂的应用状况见表1。

表1 国内外商品化微生物菌剂的应用状况［23］

4.1.2 菌剂的具体应用

4.1.2.1 净化水质

随着工农业经济的迅速发展，人类生产活动中产生的工业废水和生活污水给自然生态造成了很大危害。菌剂能够借助微生物特性去除有机污染，利用微生物的新陈代谢将有害物质转化为对水环境和养殖生物无害的物质，减少水体中NH3－N，NO2－－N，H2S等有害物质的浓度。除此之外，它还能结合固定化、曝气复氧、疏浚等辅助技术修复被污染水体，使其达到更好的处理效果，即净化水质的目的［24］，增强水体的自身净化能力。微生物菌剂在净化水质方面的应用集中于对生活污水以及畜牧和水产养殖水体等水体中BOD、COD 和氨氮的去除［25-26］。

4.1.2.2 修复土壤

工业污水和农药污染不仅危害水体，同时损伤了土壤内部的生态系统。残留的大量有机物污染不仅淘汰了部分对土壤有益的微生物，且很大程度地改变了部分土壤的酸碱性，降低了土壤中供土壤内生物利用的有机物和部分无机盐的平均含量，影响了农作物的健康生长。投加多种微生物菌剂后，在不产生任何二次污染的情况下，依靠多种微生物的相互协同作用降解去除二次污染物，并将其转化为所需有机物，改善土壤酸碱程度。在各种堆肥中微生物菌剂也已经广泛应用，通过不同堆肥菌种之间的相互配合，缩短了各种堆肥的时间，也起到了修复土壤的作用。

4.2 酶制剂在有机污染治理方面的应用及发展前景

目前酶制剂被用来作为清洁剂的添加剂仍然是其最大的用途［19］。在清洁剂中加入少量酶制剂，不但可以提高去污能力，保护设施及物品的颜色，而且可以降低助洗剂和表面活性剂等的使用频率［27］。生产生活中常见的酶主要是蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶。蛋白酶能催化肽键水解，应用于布料织物上的血渍、牛奶渍及其他食物汁液的清洗；淀粉酶能分解淀粉，并与其他酶有比较好的兼容性，可以与其他酶混合配制复合酶；脂肪酶能将甘油三酯分解成易去除的脂肪酸、甘油二酯、甘油一酯和甘油等，可以提高油污的清洁效果。不同种类的酶制剂、复合型酶制剂可以满足对清洁剂性能的要求，并且酶制剂的配制和应用都在不断发展。

5 存在的问题

5.1 不同条件对制剂的影响

5.1.1 非生物因素对制剂的影响

自然环境中温度、pH 值、紫外辐射等都会对微生物制剂产生影响［28］。温度对菌种群落结构和酶的活性有很大影响［29］，且在实验室中多为对单一的污染物降解进行研究，在多种污染物并存的实际情况下，所研制试剂可能存在稳定性差、治理效果不佳的问题［24］。

5.1.2 生物因素对制剂的影响

在微生物细胞内，如基质跨细胞膜运输、酶促反应、生物表面活性剂的产生等也与其降解相关［30］，且在菌剂中的微生物菌群存在着共生、拮抗、竞争、寄生等复杂的种间关系［31］，要从微生物代谢和产能方式详细了解微生物的生理生化特性以及降解机理，并依此加强微生物的筛选与驯化，制备更高效的微生物菌剂［32］，此过程加大了菌剂制备的难度。

5.2 微生物作用效果不理想

在水体中，微生物菌剂一般以游离态存在，水流等外界作用会导致菌种的流失，难以形成优势菌种，需要载体将微生物固定。载体不参与生物处理，但往往涉及污染物的过滤、沉淀、吸附、离子交换等物理化学过程［17，33］。因此，还需另外探讨对不同的菌种所选用的不同载体。

5.3 关于制剂安全性的论证

在修复土壤及水体时，不仅仅是将其中的有害物质去除，并且要使其能够在将来发挥预防污染的作用。因此，采用适当的方法和相关的指标来评估微生物在修复中的生态安全性十分重要［34］。如土壤微生物量碳可以反映土壤肥力与被污染程度，土壤微生物呼吸强度象征着土壤微生物生理代谢的敏感程度［35］，微生物制剂对这些指标的影响仍然有待考证。

6 结语

综上所述，随着科学技术的不断进步，各种有机试剂的使用量逐年增加，土壤、水等被有机物污染的现象也愈发严重，修复这些被污染的自然资源成为重要课题。相比于传统的物理修复及化学修复方法，使用菌剂和酶制剂的生物修复法具有社会经济效益高、不易破坏生态环境等优点。但是将其引入受污染的环境中进行环境修复仍存在问题，在许多情况下，极易受到温度、pH 值、营养物质及其他微生物竞争性抑制的影响，因此需要开展对污染物微生物修复的综合研究。

进一步探究微生物法降解污染物并且推广使用，可以降低化学农药等对生态环境的污染，进而推动绿色农业的发展，提高农产品附加值，增加农民的收入，促进农业农村繁荣。对不同的菌剂及酶制剂采用适当的技术进行开发，便可形成产业，提高作物的安全性。推动菌剂及酶制剂的开发及产业化应用，可降低有机污染物在作物内的富集，满足绿色农业的要求。