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　　（1.中国水产科学研究院南海水产研究所/农业部南海渔业资源环境科学观测实验站，广东广州510300；2.上海海洋大学海洋科学学院，上海201306）

　　摘要：近年来中国近海渔业水域环境污染和生物栖息生境破坏现象日益严重，海水富营养化程度趋势加剧，严重影响了海洋生态平衡，据调查，氮、磷（N、P）污染是造成海水富营养化的主要因素。微生物作为水域生态系统中的分解者，可对富营养化物质进行分解、吸收，驱动着水体中氮、磷等元素的生物化学循环。利用微生物净水技术和其他技术相结合的新型技术在研究和实践中被广泛应用,将微生物净水技术广泛应用于富营养化海域,是一种有效的防止海水富营养化措施。对国内外微生物净水的研究进展进行综述,以期为近海富营养化渔业水域的微生物净化、海洋生态修复和近海渔业发展提供参考。

　　富营养化（eutrophication）是一种氮、磷等营养物质大量进入流动缓慢的水体，引起藻类及其他浮游生物大量繁殖和生长，使水体中溶解氧含量迅速下降，最终导致鱼类和其他水生生物死亡的现象[1]。

　　富营养化水体不能依靠自身的自净能力实现复原，需要投加各种制剂并借助水处理设施来强化富营养化水体的净化过程[2]。天然水体和养殖水体的净水方法主要包括物理方法、化学方法和生物修复方法，物理

　　基金项目：国家公益性行业（农业）科研专项（201003068）；国家科技支撑计划项目（2012BAD18B02）

　　方法主要包括换水法、沉淀通气法、过滤法、清淤法、吸附法和磁分离方法；化学方法主要包括絮凝法、中和法、络合法和氧化还原法；生物修复主要包括原位修复和异位修复，指在富营养化水体中人工增加有益动植物而实现净水的方法。其中，微生物净水是指投加特定的有益微生物于富营养化水体中，以减少或消除水体污染，促进水域生态功能恢复的方法，这种方法具有处理费用低、操作简便、处理效果显著等优点。

　　根据《2012年中国海洋环境状况公报》[3]：我国劣于第四类海水水质标准的海域面积为67880km2，较上年增加了24080km2，严重污染区域主要分布于大中型河口、海湾和部分大中城市近岸海域，主要超标物质是无机氮、活性磷酸盐和石油类；海水中无机氮和活性磷酸盐含量超标导致近岸局部海域富营养化，呈富营

　　养化状态的海域面积约 9.8 万 km2， 较上年增加 2.4 万 km2。 目前我国近岸海水富营养化现象严重，海域生态 失衡，生物多样性降低，赤潮频发，对沿海渔业生产和 滨海旅游业造成严重危害， 制约了近海渔业和海洋生 态的可持续发展。

　　微 生 物 净 水 应 用 于 中 国 广 阔 的 富 营 养 化 海 域 面 积，是一种有效的措施。 本文综述了国内外微生物净水 研究的主要进展， 以期为近海富营养化渔业水域的微 生物净化、海洋生态修复和近海渔业发展提供参考。

　　作为整个生态系统中的分解者， 微生物对水体污 染物的去除和循环起着至关重要的作用， 富营养化水

　　体的污染物也是微生态制剂中有益菌类生长繁殖的营 养物质。 有益菌类利用环境所提供的营养物质生长繁 殖，将营养物质变成自身物质的同时，也将大量污染物 质分解成为水、二氧化碳、氮气等无害的物质归还到环 境中去。 在利用微生态制剂治理水环境的同时既不用 消耗外界能量，又不会产生二次污染[4]。 据调查发现，在 利用 16rRNA 基因分析污水反应器的实验中，总共发现 有 36 种细菌， 这说明污水中微生物具有多样性的特 点。 水污染控制工程中所涉及的细菌几乎包括所有的 细菌的纲、目，可以用于生物净水的微生物已有多种， 包括原核微生物和线 大类， 目前应用的净 水微生物主要种类有硝化细菌、芽孢杆菌、光合细菌、 乳酸菌、丝状真菌、酵母菌和基因工程菌等（表 1）。

　　)富营养化水体除氮主要有硝化作用和反硝化作用 两个主要的脱氮过程。 硝化作用可分为 2 个主要阶段： 第 1 阶段是将氨态氮（NH3）氧化为亚硝酸盐，第 2 阶段 是亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐。 而反硝化作用是将 硝酸盐转化为氮气排出水体。 对于富营养化水体的去 磷主要是指沉淀除磷， 而絮凝作用是沉淀除磷的重要 方法；减少水体中磷含量，还有一个重要的方法就是抑 制沉积物中磷的释放，促进沉积物对磷营养盐的吸附。 目前对于微生物净水应用最多的有硝化细菌、芽 孢杆菌和光合细菌等，下面主要介绍这 3 种微生物的净 水原理。 硝化细菌(Nitrifying bacteriar)是一种专性化能 自养菌，过硝化作用氧化无机化合物获取能量，分为两 个独立而又联系紧密的阶段，第 1 阶段氨氮（NH4+-N） 被氧化为（NO2 -N），称为亚硝化作用或氨氧化作用，由 亚硝酸细菌（氨氧化细菌）完成；第 2 阶段是（NO2--N） 氧化为（NO3--N） 的 过 程 ， 称 为 硝 化 作 用 ， 由 硝 酸 细 菌

　　为 20～30℃。 如果生长环境的温度高于 35℃，硝化细菌 体内的酶系会受到破坏； 如果生长环境的温度在 10℃ 以下，硝化细菌的生长及硝化作用会显著减慢[7]。 芽孢 杆菌(Bacillus subtilhls)是普遍存在的好氧类细菌，是土 壤中的优势细菌种群， 可直接利用水体中的硝酸盐和

　　亚硝酸盐，还可以产生大量的胞外酶（蛋白酶、淀粉酶 和半纤维素水解酶等），这些酶类可以促进水生生物生 长，从而把水中及沉积物中的蛋白质、淀粉、脂肪等有 机物分解、吸收，降低水体富营养化。 光合细菌是地球 上出现最早、 自然界中普遍存在的具有原始光能合成 体系的原核微生物， 主要包括蓝细菌和不产氧光合细 菌。 光合细菌的细胞内含有菌绿素，在厌氧光照和好氧 黑暗条件下，利用水体中的 CO2 或有机物为碳源，以氨 气、氢气或硫化物等有机物进行光合作用。 光合细菌还 能将富营养化水体中的氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐和活性 磷酸盐等转化为易被水生生物吸收的营养物质。 不但 创造了水生生物可利用的生长环境， 而且促进了污染 水体的循环净化[8]。 各种菌群的作用效果不同，针对不 同的净水目的可选择相应的净水作用菌种（表 2）。

　　微生物菌群投放在污染水体中能在局部形成优势 菌群，引导环境微生物群向良性方向活动，并抑制腐败 菌、病源菌的增殖，发挥其氧化、氨化、硝化、反硝化、解 磷、 硫化、 固氮等作用， 把水体中有机物迅速分解为 CO2、硝酸盐、氮气、磷酸盐等，从而起到改善、改良水质 的作用。 选育高效菌株的微生物制剂应用于水体改善，

　　氨化菌：芽孢杆菌、光合细菌、假单胞菌、分支杆菌、青霉、曲霉、毛霉、木霉、镰刀霉

　　芽孢杆菌、光合细菌、无色杆菌、不动杆菌、假单孢菌、气单胞杆菌、产碱杆菌、黄杆 菌等

　　除磷的本质是聚磷， 以聚磷酸盐的 形式积累于胞内 ，形成高磷污泥 ，作 为剩余污泥迁出

　　处理污染水体，通过微生物体内酶的作用，消除恶臭、 分解淤泥、解磷除氮、净化水质、抑制藻类生长，达到控 制富营养化的作用。 最近几十年，有诸多关于微生物净 水研究和应用的报道， 关于微生物菌剂在对畜牧和水 产养殖以及生活污水等水体中的报道大多集中在对生 物需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）和氮、磷营养盐等 的去除方面[9]。

　　早在 20 世纪 90 年代，Schuster 等[10]用硝化细菌处 理闭合循环养殖水系统，氨氮含量比对照降低 77%。 任 保振等[11]在温室养鳌池投喂含有蜡质芽孢杆菌制剂，池 水和底沙中的异养细菌数量显著增加， 水体中有机污 染物的 COD、氨氮以及亚硝酸氮的含量均降低。 应用有 益微生物对虾养殖海水池塘的水体中异养菌总数和弧 菌数量有明显的抑制效果，能有效抑制对虾的发病率[12]。 曹煜成等[13]在珠江三角洲优质草鱼养殖池塘施用地衣 芽孢杆菌 De， 水体中氨氮和亚硝态氮浓度分别降低 74.6%、69.3%，草鱼的成活率显著提高。 汪文俊[14]以COD 去除率高低衡量枯草芽孢杆菌净水能力， 研究了不同 投菌量、处理方式、水样 pH 值、处理温度、水样富营养 化程度对枯草芽孢杆菌净化淡水湖水能力的影响。 结 果表明， 该菌株最佳处理条件为投菌量 10％、 振荡培 养、pH 值 7.0、温度 37℃及 COD 较低的水样。 微生物净 水技术对城市中受污染河道的治理效果显著， 利用微 生物技术和其他技术相结合的新型技术将会更多地应 用到研究和实践中[15]。

　　沉积物中含有大量营养盐， 会重新释放到上覆水 中，所以微生物对于沉积物的净化也很重要。 日本佐贺 县外津渔养 场底 部 的 残 饵 、 鱼 粪 等 有 机 物 污 泥 厚 达 1.0～2.5 m，水环境严重恶化，经常发生赤潮和鱼病，佐 贺新闻[16]用枯草芽孢杆菌对海水养殖池塘淤泥进行分 解净化，对底泥散播枯草菌 2 个月后，污泥平均厚度减 少了 10～20 cm，污泥被分解为土粒状。 蔡慧凤等[17]在不 同实验室模拟生态条件下，试验时间为 60 d，对海水养 殖池塘污染底泥投放复合微生物，进行生物生态修复， 底层上覆水 COD 的消除率达到 70%，底泥生物降解能

　　力(G 值)从 12.00 kg/kg·h 上升 到 45.60 kg/kg·h， 底泥 表层形成了 1.80～2.20 cm 厚度的灰白色氧化层。 邹文 娟等[18]利用光合细菌和枯草芽孢杆菌的混合菌对生活 污水进行处理， 发现混合菌的去除效果相对单一菌效 果最好，其中亚硝酸盐氮、氨氮、COD 去除率分别达到 71.96%、86.13%和 58.73%；溶氧增加率为 87.75%。

　　利用多种菌混合直接投加的方法处理污染河流效 果明显比单一菌种投加效果好[19]。 刘青等[20]以枯草芽孢 杆菌制剂为主的混合菌制剂， 对城市污染河流进行修 复，各取样点总磷效果最好的去除率达到 73.7%，达到 了 净 化 水 质 、 修 复 水 体 的 作 用 ； 总 氮 的 去 除 率 达 60.5%；COD 去达到 78.5%， 各标段降解的差异主要是 各取样点流速不同以及污染程度不同引起的。 吴定心 等[21]利用光合细菌和芽孢杆菌 2 种混合，采用直接投加 的方法对严重富营养化湖泊进行治理， 富营养化各项 指标都有很大程度降低。杨小龙等[22]从富营养化鱼塘淤 泥和猪场废水中筛选出 4 株细菌，制成混合菌后，处理 合 成 废 水 的 氨 氮 、 硝 态 氮 和 COD 的 去 除 率 分 别 达 84.4%、86.91%和 81.36%。

　　另外， 污染水体中存在很多具有净水作用的土著 微生物，对其分离、纯化，再投放到水体中能快速形成 优势菌群，充分发挥其适应性强的优势[23]。 李秋芬等[24] 从虾池底泥中分离筛选出多株有效降解菌， 利用筛选 菌培养后，在室内模拟试验条件投放，投放后有机物含 量明显降低，虾池环境明显改善。

　　利用微生物净水时， 微生物制剂投放到水体容易 与其中的土著微生物竞争，在水体中状态不稳定，发挥 净水的作用受到影响。 利用本土微生物降解有机物有 很大的发展空间，但本土微生物往往生长速度很慢、代 谢活性低，对有机物的降解效率会受到限制，因此，接 种外来高效微生物成为降解有机污染有效措施之一。 如果利用直接投加微生物的净水技术， 一般会需要每 隔数天再次投加菌剂。 微生物制剂如果投入近海流动 海域，最大的问题是容易随水流动扩散而密度降低，不 易形成优势菌种，影响净水效果，导致实际应用中菌剂 使用量大，成本变高。 因此，研究如何克服微生物净水

　　技术在流动水体的净水过程中受到水流限制等问题、 如何节约微生物净水制剂使用量、 延长微生物净水作 用时间等， 将会促使其在流动性大的开阔海域的污染 治理上得到实质性推广应用，完善微生物净水技术。

　　对微生物的固定化技术的研究可以逐渐应用于近 海海域的富营养化修复，这成为现今研究的热点[25]。 固 定化微生物技术是 20 世纪 70 年代发展起来的新型生 物技术， 这种技术降解能力和承受有毒物质冲击能力 强[26-27]。 固定化技术是用化学或物理方法将游离微生物 固定到限定的空间内，并使其保持活性、反复利用，具 有污水处理效率高、稳定性强、能保持高效菌种、固液 分离效果好、易于控制等优点，可重复使用、提高微生 物或酶的浓度、减少微生物流失[28]。 固定化微生物技术 在废水生物处理中获得了广泛的应用研究。 到目前为 止，固定化微生物技术已应用于水质净化的很多指标， 包括 BOD 去除、硝化-反硝化、脱磷、去酚、氰的降解、 重金属离子的去除等。

　　硝化细菌群在适宜环境条件下消化效果显著，但 其生长缓慢，对低温异常敏感，固定化硝化细菌能够提 高硝化菌群的浓度，便于硝化细菌形成优势菌群，增加 硝化菌对温度的抵抗力和耐受性， 取得较好的硝化效 果[29]。 张爽等[30]采用聚乙烯醇-硼酸包埋法固定硝化细

　　菌处理常温和低温生活污水， 在 10℃以下氨氮的去除 率可达 80.0%。 李正魁等[31]在镇江金山湖用固定化氮循

　　环细菌技术(NICB)对富营养化水体进行原位修复，结果 表明，总氮和氨氮去除效果明显。 姚秀清等[32]采用海藻

　　酸钠-CaCl2 和 PVA-硼酸法 2 种固定化方法对实验室 富集的硝化细菌进行固定化， 采用海藻酸钠-CaCl2 制 备的固定化硝化细菌去除氨氮浓度为 330.0 mg/L 的自 配水体，经过 7 d 处理后氨氮去除率接近 100%。 蔡昌 凤等[33]在传统的 PVA 固定化方法中加入麦秸粉末，混 合固定硝化细菌和反硝化细菌， 对焦化废水进行 12 h 的 暴 气 脱 氮 处 理 后 ，COD 和 氨 氮 浓 度 去 除 率 高 达 63.15%和 94.30%。 固定化技术除磷研究主要是利用固 定化聚磷菌除磷，采用固定化技术，可以提供厌氧和好 氧交替的环境，使聚磷菌成为优势菌群，达到除磷的目 的[34]。

　　各种固定化方法相对比 （表 3）， 都存在一定的缺 陷。 为了获得具有高固定化强度和高微生物活性的固 定化体系， 可以结合表 3 中的多种方法对固定化方法 进行改进。 如先用吸附微生物后再用高分子聚合物进 行包埋处理，或先用吸附法将微生物结合到载体上，再 利用交联法将微生物细胞交联起来， 这样可以克服交 联法影响微生物活性和吸附法强度低的问题。 目前，固 定化微生物技术处理富营养化水体的应用还处在实验 室阶段， 把固定化微生物技术应用于生产中还需做更 进一步的研究。 固定化微生物技术在污水处理中的应 用前景十分广阔， 因此要解决如何克服微生物净水技 术在净水过程中受到溶氧限制问题、 如何使载体重复 利用、如何延长微生物净水作用时间等问题。 明确最佳 反应条件和载体比例，开发多种共生复合微生物体系、 开发新型载体和包埋剂种类将有助于完善微生物净水 技术， 并促使其在流动性大的开阔海域富营养化治理 上得到推广应用。

　　利用 氨 基酸 上 的 残基(如 氨 基 、 氢 基)与载体间通过共价键结合

　　微生物制剂是以高效改善环境状况和处理系统稳 定为目标， 通过构建共生菌群等方法得到的具有特定 功能的生物制剂， 近几十年来在水体修复领域已得到 广泛应用[36]。 复合微生物制剂由多种有益菌组成，对环 境的适应性更强。 微生物制剂应用在水体中一方面可

　　以改善养殖水体的水质状况， 另一方面作为拮抗病原 菌，增强水生动物的抗病能力。 国外主要有日本、美国、 马来西亚等国家在使用微生物<a href="https://www.xindayouge.com" target="_blank" hre AG九游会f=https://www.xindayouge.com target=_blank>AG九游会制剂用于净化水质。

　　日本首先开展了用微生物制剂处理工业废水的实 验研究，20 世纪 60 年代起小林正泰先后成功地用光合 细菌制剂对粪尿、食品、淀粉、皮革、豆制品等废水进行 处 理 。 20 世 纪 80 年 代 ， 有 效 微 生 物 菌 群 （Effective

　　Microoganisms,EM） 被广泛用来 降解废水 中 的 有 机 物 质，EM 是日本硫球大学比嘉照夫教授发明的微生物技 术， 自然界筛选出的各种包括好氧菌及厌氧菌在内的 多种有益微生物， 用特定的发酵技术使其形成微生物 复合体系，其微生物组合以光合细菌、放线菌、酵母菌 和乳酸菌为主，兼有好氧和厌氧双重代谢机制[37]。

　　我国对于微生物制剂的研究起步较晚， 对微生物 净水剂的研究首先在光合细菌上取得进展。20 世纪 90 年代初期， 最早应用于水产养殖调节水质的微生物制 剂是光合细菌，在光合细菌的培养和扩增、干法和湿法 保存技术及应用效果方面做了很多工作。 同时期，我国 自行研制的“神威”微生物制剂在各地废水处理被推广 应用[38]。 2001 年，青岛几家研究单位联合研发成功一种 水产专用微生态活菌制剂，其主要成分为芽孢杆菌、枯 草杆菌、硫化细菌及硝化菌等多种复合有益活菌，能有 效地降低氨氮、亚硝基氮、硫化氢等含量。 由中国南海 水产研究所利生生物科技有限公司生产的利生菌王等 系列微生物制剂广泛应用于水产养殖水质净化。