点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:新技术为微生物在水中“安家落户”
首页> 光明科普云> 科普中国智惠农民> 农科前沿 > 正文

新技术为微生物在水中“安家落户”

来源:光明网-科普中国2023-08-18 11:10

  中国是世界上最大的水产养殖国家,为世界粮食安全以及营养供给做出了重要贡献。我国传统的海水水产养殖以近岸养殖为主,随着人民生活水平日益提高,我国对水产品的需求量不断上升,水产养殖业也从产量较低的近岸放养型向着高密度、集约化的循环水养殖转变。在高密度、集约化的循环水养殖系统中,残饵粪便易于转化为氨氮、亚硝态氮等可溶性无机污染物存在于养殖水体中,会对养殖产品的生长及繁殖造成严重的负面影响。因此,利用高效的废水处理技术去除水中过多的含氮无机污染物对循环水养殖系统至关重要。

  目前,应用于养殖废水处理的工艺可主要分为物理法、化学法和生物法三种。物理法适用于处理水中颗粒污染物,对水中溶解性污染物去除效果较差;化学法可去除水中溶解性污染物,但需要实时添加化学试剂,不仅增加了运行成本,还引入了外来物质。

  因此,利用微生物降解的生物法因其去除效果好,运行成本低等优点被广泛应用于养殖废水处理中。在生物法废水处理工艺中,去除污染物的作业主体是微生物,因此微生物的数量、活性以及种群类别对工艺的去除效果有直接影响。

  传统方法是通过向废水处理系统中投加游离菌增加系统中功能微生物数量以达到强化废水处理效果的目的,但这种方式接种的微生物对不宜环境抗性较差,且易随水体流失,常达不到理想的处理效果。因此,利用固定化材料为功能微生物提供附着载体,以保持微生物较高种群密度和生物活性的微生物固定化技术得到了越来越多的关注,并被广泛应用于生物法废水处理工艺中(石广辉 等, 2015)。

新技术为微生物在水中“安家落户”

  微生物包埋固定化是利用孔隙率较高的高分子凝胶聚合物材料,将微生物吸附截留于孔隙之中进行固定的工艺。包埋法小球具有机械强度高,抗冲击负荷强,微生物不易脱落等特点,在水处理领域有独特优势。作为供微生物附着生长的载体,所选材料的物理化学性质会直接影响到系统的传质性能和微生物活性。固定化使用的载体材料需要有充足的孔隙以保证底物的流入以及经微生物去除后产物的流出,还需限制所固定微生物的流失,且对微生物的活性影响较小。此外,还需要对固定化操作难易程度、载体稳定性、重复利用性及经济成本等多方进行考量。因此,寻找合适有效的载体是影响系统去除性能的关键因素之一。

  目前载体可分为无机类载体以及有机类载体两大类。

  无机类载体主要包括陶瓷、沸石、石英砂、沙粒、活性炭、泡沫金属、无机玻璃等。无机载体机械强度高、传质性能好、化学性质稳定、材料相对便宜,但细胞结合力较差,容易造成微生物的脱落流失。

  有机载体又可分为包括琼脂、海藻酸盐、壳聚糖、稻壳等载体在内的天然有机载体以及包括以及聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)等高分子材料在内的合成有机载体(朱刚利, 2010)。天然有机载体传质性能良好、固定化操作简单、对生物无毒,但机械强度低,稳定性较差,易造成微生物的流失。合成有机载体机械强度高、稳定性好、耐生物降解,但传质性能较差,固定化过程较为复杂,且部分载体存在少量毒性。

  仅使用单一载体难以胜任多种需求,近年来专家学者对载体进行改性和结合,并对交联方式等做出改进,均达到较理想的效果。但生产环境存在多样性,在实际应用时应根据需求,改变载体类型或组合,以保证系统最佳的去除性能。

  微生物是生物法去除污染物的作业主体。因此,微生物的种类及特性也是影响系统去除性能的关键因素之一。应用于养殖废水处理的微生物应具备本身安全、产物无毒无害、污染物降解迅速等特点,应用于海水养殖的微生物还需要有耐盐的特点。目前常利用的微生物主要有利用光能的光合细菌以及利用化学能的氮循环细菌。

  光合细菌是一类在厌氧环境下利用光能和二氧化碳等无机碳源合成有机物维持自身生长发育的原核微生物。光合细菌有较强的环境耐受能力,可降解水中的无机含氮、硫等污染物,并且还可以作为养殖鱼类的饲料添加剂进行培养,在水产养殖业受到了较多的关注和研究。

  氮循环细菌是利用化学能且对氨氮、硝氮、亚硝氮等含氮无机物具有去除作用的一类原核微生物。主要包括厌氧氨氧化菌、硝化菌和反硝化菌三类。厌氧氨氧化菌不需碳源、不需曝气,去除效果好、运行成本低,但其生长缓慢,系统启动时间长,生长条件苛刻。硝化菌可去除水中的氨氮、亚硝氮,对水产养殖有重要意义。而反硝化菌则可以去除水中的硝氮,最终产物为氮气。可降低水中的TN,减少后续处理程序。传统的反硝化理论认为反硝化只能在厌氧环境下进行。而随着好氧反硝化菌的发现,证明了反硝化过程也可以发生在好氧环境下。在此基础上,硝化菌和反硝化菌可接种于同一反应器中,不仅减少了占地面积,也降低了运行成本。因此,将硝化菌与反硝化菌制备复合菌剂经固定后应用于提高水产养殖废水的去除效率值得进一步研究(Zhang, 2022)。

  包埋固定化技术可有效提高微生物丰度,增强微生物活性,改善出水水质,且对养殖生物无毒无害,在水产养殖废水处理中具有巨大的应用空间。但由于养殖系统的复杂性,微生物群落的多样性,水中污染物种类的广泛性以及系统运行环境多变等因素,包埋固定化技术多以模拟养殖废水作为研究对象,未被大规模应用于实际环境。因此,可在筛选高效复合菌种,研制高性能、低价格的载体以及优化固定方式等方面进行进一步的研究,以实现包埋固定化技术在水产养殖废水处理的广泛应用。

  参考文献:

  [1] 马洪婧, 2022. 包埋固定化好氧反硝化菌强化处理海水养殖废水研究[D]. 大连海洋大学.

  [2] 石广辉, 刘青松, 张旭丰, 等, 2015. 包埋固定化微生物技术在水产养殖水处理领域的研究进展[J]. 水处理技术.

  [3] 朱刚利, 2010. 厌氧氨氧化混培物包埋固定化特性的研究[D]. 华南理工大学.

  [4] Shuai Zhang, Amjad Ali, Junfeng Su, et al., 2022. Performance and enhancement mechanism of redox mediator for nitrate removal in immobilized bioreactor with preponderant microbes[J]. Water Research, 209, 117899.

  作者:刘佩武、苏鑫(大连海洋大学水产设施养殖与装备工程研究中心研究生)

  科学性审核:刘鹰(浙江大学生物系统工程与食品科学学院博士生导师)、韩蕊(大连海洋大学水产设施养殖与装备工程研究中心副教授、研究生导师)

  策划:刘雅丹(研究员、全国首席科学传播专家、中国水产学会原秘书长助理)

  编辑:武玥彤

新技术为微生物在水中“安家落户”

 

[ 责编:武玥彤 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 探访北京市密云区新农村中学安置点

  • 走进智利港口之城——瓦尔帕莱索

独家策划

推荐阅读
习近平总书记在国家科学技术奖励大会、两院院士大会、中国科协第十一次全国代表大会上强调,“十五五”时期是科技强国建设的关键攻坚期。必须抓住历史机遇,迎接时代挑战,加快推进高水平科技自立自强,向着到2035年建成科技强国的目标坚定迈进,扎扎实实以科技创新支撑和引领中国式现代化。
2026-07-10 09:45
围棋长期被视为高度依赖经验、直觉和审美判断的领域,棋手通过棋谱、布局、定式、手筋和长期对局积累对“好棋”的理解。这类进展的意义,不只是“提高实验效率”,更深层的变化在于,它改变了科学发现中“候选对象”生成的方式。
2026-07-10 09:43
丁烈云认为,面向工程难题,要用工程理论支撑技术突破,打通“工程科学—工程技术—产业应用”完整链条,让前沿科技真正服务于社会。针对高端装备制造转型升级痛点,中国工程院院士郭东明系统阐释了高性能制造的全新发展理念。
2026-07-10 09:41
在9日举行的两院院士大会上,我国石油地质与勘探专家邱中建院士荣获第十六届光华工程科技奖成就奖,高性能精密制造专家郭东明院士等39人荣获光华工程科技奖。
2026-07-10 09:40
人民大会堂万人大礼堂的巨大天幕上,灯光璀璨,熠熠生辉;礼堂内,中国科技界的杰出代表们,肩负全国科技工作者的重托,济济一堂、共襄盛会。
2026-07-10 09:39
水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究:在一滴水中探寻物理之美 在王恩哥看来,物理学研究有一个很大的特点,就是它能把复杂的事情简单化,并且抓住其中最本质的问题——这就是物理学的魅力所在。
2026-07-09 09:51
而这一切的起点,要回到半个世纪前——在中国科学院物理研究所那间废弃的鸡舍里,陈立泉铺开了这张后来冠绝全球的“电动”蓝图。自1981年起,在中国科学院的持续支持下,实验室瞄准真正实用的锂电池,牵头组织并承担了一系列国家重大项目。
2026-07-09 09:51
谈及荣获国家最高科学技术奖,贲德谦虚地说:“这不是我个人的奖,而是所有‘雷达人’的荣誉。从原理探索到技术攻关再到雷达建造,10余载春秋,为了研制代号“7010”的远程相控阵雷达,贲德与团队闯过了一个又一个难关。
2026-07-09 09:50
发展数智经济,通过促进科技创新和产业创新深度融合培育新质生产力。为此,笔者建议,应从要素供给、产业融合、创新转化和制度保障四个方面发力,把数智经济的技术势能转化为新质生产力的发展动能。
2026-07-09 09:50
耄耋之年,她坐着轮椅来到采访室,一身深蓝素装,神情温和。她,就是“七一勋章”获得者、中国工程院院士、中南大学教授钟掘。1960年,钟掘毕业后来到岳麓山下的中南矿冶学院,一头扎进被人称作“傻大黑粗”的冶金机械行业。
2026-07-09 09:49
中国科协第十一次全国代表大会是在“十五五”开局之年召开的一次重要会议,是科协系统和广大科技工作者的一次盛会。实践充分证明,我国科技工作者始终胸怀祖国、服务人民、勇攀高峰、敢为人先,不愧为党和国家充分信赖的优秀队伍和建设科技强国的中坚力量。
2026-07-09 09:49
从安装智能芯片的比赛用球,到协助裁判的视频技术,再到支持百万球迷转运的中国列车……这支“中国队”被美国消费者新闻与商业频道誉为世界杯供应链“不可或缺的一环”。
2026-07-08 10:08
7月7日是小暑节气,恰逢年度“最小太阳”现身天宇。当日凌晨2时左右,地球过远日点,这是一年中地球距离太阳最远的位置,这天观测到的太阳视直径为全年最小。
2026-07-08 10:06
近日,西南石油大学新能源与材料学院光伏材料与技术科研团队传出好消息:其研发的小尺寸超高效叠层太阳能电池光电转换效率接近35%,大幅超越常规太阳能电池的光电转换效率。
2026-07-08 10:04
目前,大连海事大学已与72家行业单位建立联合培养,共建162个专业实践基地、4个工程技术中心,聘任600余名企业导师,真正实现“工程出题、校企共答、产业阅卷”。
2026-07-08 09:52
一生钢铁报国,一生慷慨无私。崔崑院士走了,但他留下的,是钢的筋骨,是火的温度,是一颗永远滚烫的赤子之心。
2026-07-08 09:45
在河北雄安人工智能产业园的一楼展厅里,一台工业机器人正利落地演示货物搬运,机械臂精准而有力;楼上,键盘敲击声此起彼伏,研发人员专注地写着代码。产业园一年前才“开业”,如今已成为人工智能公司发展的产业高地。这里诞生的国内首个处理结构化数据的通用大模型,适用于多个工业场景;这里诞生了便携式颅脑出血检测分析仪,让医学检查更加快捷便利……
2026-07-07 09:44
从“争第一”的局部超越,到“创唯一”的向上突围,再到“守专一”的产业韧性,这三重创新路径相互交织,共同勾勒出中国从“世界工厂”迈向“创新引擎”的壮阔图景
2026-07-07 09:42
近日,在内蒙古阿拉善盟额济纳旗东风镇古日乃嘎查的航天育种试验基地内,曾搭载实践十九号卫星的荒漠肉苁蓉“太空种子”,在地面选育试验中取得关键进展——首批试验植株成功开花。
2026-07-07 09:40
高校专业目录的更新,绝非简单的名称变动,而是立足国家需要、顺应产业发展、面向科技前沿之举。新农科教育已不再是单纯的“种地养猪”,而是要有系统思维和交叉学科背景,特别是打破农学、工学、理学等传统学科壁垒。
2026-07-07 09:39
加载更多