固定化微生物技術(shù)的研究始于1959年，HAT-TORI等首次將大腸桿菌固定在樹脂載體上實(shí)現(xiàn)大腸桿菌的固定化。它是在固定化酶的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，目前固定化微生物技術(shù)的研究和應(yīng)用已趨于成熟。固定化微生物技術(shù)是利用物理或化學(xué)手段將游離微生物限定在特定區(qū)域內(nèi)，使其高濃度密集、保持較高生物活性且可持續(xù)使用的一種新型生物工程技術(shù)。固定化微生物技術(shù)可將選定的高效優(yōu)勢(shì)菌屬固定在載體上，使該菌屬在特定處理系統(tǒng)中具有活性高、專一性強(qiáng)、耐受性強(qiáng)(如pH、溫度、有毒有害物質(zhì))、處理效果穩(wěn)定、有毒有害物質(zhì)去除速率快和固液分離效果好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，固定化微生物技術(shù)還可以將混合菌屬集于同一載體，使混合菌屬協(xié)同處理污染物。此外，該技術(shù)還促使處理工藝的運(yùn)營管理簡單化、處理設(shè)備小型化以及反應(yīng)過程的可控制化。正是由于這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，固定化微生物技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)、食品工業(yè)、化學(xué)分析、能源開發(fā)、醫(yī)學(xué)和制藥等多種領(lǐng)域，并且已在廢水領(lǐng)域中的重金屬去除、有機(jī)污染物降解、脫氮等方面取得重大進(jìn)展。本研究綜述了固定化載體、固定化方法和固定化裝置，比較了不同固定化載體、方法，探討了固定化微生物在重金屬、有機(jī)污染物及氨氮等廢水處理中的去除機(jī)制，并展望了固定化微生物技術(shù)的發(fā)展前景，以期為實(shí)現(xiàn)固定化微生物技術(shù)的實(shí)用化、工業(yè)化提供參考。

固定化載體種類繁多，選擇理想的載體材料對(duì)固定化微生物的應(yīng)用很關(guān)鍵，需要考慮載體對(duì)固定化微生物的機(jī)械強(qiáng)度、傳質(zhì)性能、彈性、成球難易程度及其生物毒性等方面的影響。理想的載體材料應(yīng)具備以下特點(diǎn)：(1)生物相容性良好、不易被生物分解及無生物毒害性;(2)機(jī)械強(qiáng)度高、傳質(zhì)快、易成球、多孔且比表面積大等物理性質(zhì);(3)價(jià)格低廉、使用壽命長、存在可引入配基的官能團(tuán)。就目前而言，固定化微生物技術(shù)采用的載體材料主要由3大類組成：有機(jī)載體、無機(jī)載體和新型復(fù)合載體。

1.有機(jī)載體

①天然有機(jī)高分子載體

這類載體包括海藻酸鈉(SA)、甲殼素、殼聚糖、瓊脂、卡拉膠、骨膠原以及天然多糖、蛋白質(zhì)和植物纖維類物質(zhì)等。它們對(duì)微生物無毒害作用且傳質(zhì)性能良好，但存在機(jī)械性能低、微生物流失大、抗微生物分解性能差等缺陷。如SA的凝膠結(jié)構(gòu)會(huì)被溶液中高濃度的K+、Mg2+或其他金屬離子以及磷酸鹽破壞;甲殼素、殼聚糖及瓊脂的機(jī)械強(qiáng)度和比表面積均較小。

②人工合成有機(jī)高分子聚合物載體

聚乙二醇、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚氨酯泡沫、聚羥基丁酸酯(PHB)、光聚合樹脂、羧甲基纖維素和硅膠等均屬于人工合成有機(jī)高分子聚合物，其中PVA在國內(nèi)外的研究中較廣泛。該類載體大多具有機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗微生物分解性強(qiáng)、對(duì)微生物無毒害作用和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但PVA因其黏性和水溶脹性大而對(duì)固定化載體的制備產(chǎn)生附聚作用。PAM對(duì)微生物有毒害作用，使微生物活性降低且不易成型，因而得不到廣泛應(yīng)用。

2.無機(jī)載體

無機(jī)載體種類較多，如活性炭(AC)、石英砂、沸石、硅藻土、多孔陶珠、微孔玻璃、泡沫金屬等。其優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)械強(qiáng)度高、傳質(zhì)性能好、耐酸堿性、制備簡單、使用經(jīng)濟(jì)、多孔、通透性好、比表面積大，能較好地吸附微生物且有利于氧氣、底物、代謝產(chǎn)物的擴(kuò)散，不毒害微生物。存在的缺點(diǎn)是微生物易流化、吸附量有限且易脫落。

3.新型復(fù)合載體

新型復(fù)合載體主要包括新型載體和多種傳統(tǒng)載體的復(fù)合。新型復(fù)合載體將各種載體的特長集于一體，優(yōu)化了原有載體，為固定化微生物技術(shù)開拓了更廣闊的應(yīng)用前景。

新型載體可以通過改性載體材料表面基團(tuán)或孔結(jié)構(gòu)得到特定性能的載體。如LIU等采用聚乙烯亞胺和戊二醛處理纖維材料，制得改性固定化載體，并用其固定釀酒酵母，發(fā)現(xiàn)這種固定化載體在木薯的糖化和發(fā)酵過程中對(duì)淀粉的利用率明顯高于游離菌，并可長期、有效地生產(chǎn)乙醇。VERMA等對(duì)絲瓜瓤固定化黃孢原毛平革菌進(jìn)行酸化處理，實(shí)驗(yàn)表明，這種處理改進(jìn)了生物質(zhì)的還原能力;對(duì)生物質(zhì)的表面進(jìn)行了清理，為Cr(Ⅵ)的吸附提供更多的活性位點(diǎn);增加了表面功能基團(tuán)的數(shù)量，從而提高了Cr(Ⅵ)的去除效果。

磁性載體材料也屬于新型載體的一種，在環(huán)境工程領(lǐng)域中的應(yīng)用頗多。IVANOVA等將磁性納米顆粒分別與SA、殼聚糖及纖維素結(jié)合組成新的固定化載體，并對(duì)酵母細(xì)胞進(jìn)行固定化，研究表明，這些磁性載體固定化的酵母細(xì)胞不僅顯著提高了乙醇的成產(chǎn)量，而且其性能穩(wěn)定可長期保存。LIN等采用磁性Fe3O4殼聚糖載體制備了可去除NOX的固定化還原菌，大大改進(jìn)了目標(biāo)微生物的生物還原性。張斌等以微磁載體技術(shù)為機(jī)體，成功研制除了可固定化活性污泥微生物的多孔磁性聚苯乙烯載體，并提高了目標(biāo)微生物對(duì)氨氮和有機(jī)污染物的去除效果。

有機(jī)載體與無機(jī)載體組建為多功能復(fù)合載體的研究也較常見。李婷等利用PVA-SA-PHB-AC組成復(fù)合載體固定化間甲酚降解菌，發(fā)現(xiàn)經(jīng)吸附改性的載體對(duì)廢水中間甲酚的耐受能力更高，可實(shí)現(xiàn)更寬濃度范圍的高效降解，且可長期穩(wěn)定使用。BAO等研究了SA/AC復(fù)合材料固定化石油烴降解菌的性能，發(fā)現(xiàn)在同等條件下，與游離菌相比，該固定化菌不僅活性高，還明顯提高了重油的生物降解率(高出游離菌的33%)。BRYASKOVA等采用PVA/正硅酸乙酯(TEOS)固定化皮狀絲孢酵母，GEORGIEVA等用PVA/TEOS/3-巰丙基三乙氧基硅烷(MPTEOS)混合載體固定化皮狀絲孢酵母，這種固定化載體不是將各載體材料簡單混合，而是PVA的羥基與有機(jī)烷氧基硅烷(TEOS、MPTEOS)的硅烷醇基形成很強(qiáng)的氫鍵，MPTEOS為固定化微生物提供了額外的吸附位點(diǎn)，使載體的機(jī)械強(qiáng)度更高。