寧 華， 涂衛(wèi)國， 王瓊瑤

(四川省自然資源科學(xué)研究院，四川成都 610015)

?

微生物在水葫蘆資源化利用中的應(yīng)用研究綜述

寧 華， 涂衛(wèi)國， 王瓊瑤

(四川省自然資源科學(xué)研究院，四川成都 610015)

對水葫蘆資源化利用中微生物的應(yīng)用研究進(jìn)行歸納和評述，并對如何進(jìn)一步提高微生物作用效率進(jìn)行探討，以期為進(jìn)一步開展水葫蘆的資源化利用工作提供參考。

水葫蘆；微生物；資源利用

水葫蘆(Waterhyacinth)，學(xué)名鳳眼蓮[Eichhornia crassipes (Martius)]，為雨久花科鳳眼蓮屬，是一種源自南美洲的水生漂浮草本植物[1]。水葫蘆因具有極強(qiáng)的耐污能力、繁殖力和生命力，在世界范圍內(nèi)眾多的江河湖泊泛濫，現(xiàn)已成為危害最嚴(yán)重的水生植物之一。由于我國城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展導(dǎo)致內(nèi)河內(nèi)湖水體富營養(yǎng)化加劇，水葫蘆在富營養(yǎng)化水體中適應(yīng)并生長，已在我國多個(gè)省(市、自治區(qū))泛濫成災(zāi)。泛濫成災(zāi)的水葫蘆也蘊(yùn)藏著巨大的生物資源，如何有效地利用和開發(fā)水葫蘆已引起各方重視。有研究表明水葫蘆可用于能源制造、肥料生產(chǎn)、飼料生產(chǎn)、水體凈化、重金屬或染料吸附劑等[2-3]。在水葫蘆的資源化利用途徑中微生物發(fā)揮著重要作用，微生物與水葫蘆聯(lián)合應(yīng)用的相關(guān)研究拓展了水葫蘆的利用途徑，提高了現(xiàn)有水葫蘆資源利用的效率。筆者對現(xiàn)有水葫蘆資源化利用中微生物的應(yīng)用研究進(jìn)行歸納和評述，以期為進(jìn)一步開展水葫蘆的資源化利用工作提供參考。

1　水葫蘆的生長特性和危害

水葫蘆是熱帶亞熱帶植物，喜溫，在平均溫度10 ℃以上才能生長繁殖，20～30 ℃最為適宜，全年中夏季生長繁殖最快，秋季生長放緩，冬季休眠、葉片發(fā)枯，春季返青[2]。水葫蘆可進(jìn)行無性和有性繁殖，無性繁殖靠匍匐莖增殖，具有極強(qiáng)的繁殖力，在適宜條件下每5d就能繁殖1株新植株，8個(gè)月就能繁衍成60萬株的群體[3]。水葫蘆的耐污性和抗逆性均很強(qiáng)，能在氮、磷含量很高的富營養(yǎng)化水體中生長，能忍耐污染水體中多種重金屬元素的脅迫，對稀土元素的積累能力也非常強(qiáng)[4]，但在不同水域生長的水葫蘆積累金屬的能力可以相差很多倍[5-6]。在水葫蘆泛濫地區(qū)，水葫蘆的瘋狂生長會影響水利運(yùn)輸；或是遮掩陽光，減少溶氧，給水體自凈帶來壓力，破壞生態(tài)平衡；水葫蘆也易腐爛，釋放出其所吸收的有害物質(zhì)，造成水體的二次污染。因此在水葫蘆泛濫水域，應(yīng)加強(qiáng)管理，及時(shí)打撈。

2　水葫蘆的營養(yǎng)成分及資源化利用方式

水葫蘆含有多種營養(yǎng)成分和氮、磷等物質(zhì)，其生物組成成分表明其是可多途徑利用的優(yōu)良生物資源，充分利用水葫蘆所具有的功能和營養(yǎng)成分開展資源化應(yīng)用可以在解決其帶來的危害同時(shí)變廢為寶，在一定程度上有效解決水葫蘆泛濫問題。

2.1能源化利用將水葫蘆作為原料來獲得生物質(zhì)能是較為常見的水葫蘆資源化利用方式，根據(jù)物料性質(zhì)不同，可分為氣體燃料、固體燃料和液體燃料[2]。

2.1.1氣體燃料。根據(jù)產(chǎn)氣種類不同可分為厭氧產(chǎn)沼氣和厭氧產(chǎn)氫兩大類。水葫蘆干物質(zhì)含氮量平均達(dá)2.5%以上，且碳氮比為15∶1～25∶1，其碳氮比對于厭氧發(fā)酵制備甲烷十分適宜[7]。同時(shí)，水葫蘆中含有大量的粗纖維、蛋白質(zhì)和各種氨基酸，也可以作為微生物發(fā)酵制氫的底料。

2.1.2液體燃料。水葫蘆含有豐富的木質(zhì)纖維素，其中纖維素含量為23.99%，半纖維素含量為25.98%[8]，可將其纖維素轉(zhuǎn)化成葡糖糖，半纖維素轉(zhuǎn)化為木糖，通過葡萄糖和木糖發(fā)酵酒精作為液體燃料。

2.1.3固體燃料?？刹捎霉袒尚图夹g(shù)將水葫蘆壓縮制成顆粒燃料[9]。

2.2肥料與飼料利用水葫蘆含有十分豐富的營養(yǎng)成分，包括粗蛋白、粗纖維、粗脂肪、無氮浸出物以及氨基酸、維生素C、胡蘿卜素和微量元素等[10]，這些營養(yǎng)元素是植株生長所必需的，因此可作為有機(jī)肥生產(chǎn)原料，同時(shí)也可通過加工用作飼料利用。

2.3環(huán)保利用水葫蘆能從水體中吸收大量氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，還能降低污水中鎘、鉛、汞、鉈、銀、鈷、鍶等重金屬元素的濃度[2]，具有極強(qiáng)的水體污染修復(fù)能力，在生物凈化水體領(lǐng)域受到國內(nèi)外關(guān)注。

2.4其他利用方式水葫蘆在造紙、藥用、食用、編織品、吸附劑等方面也有相關(guān)的應(yīng)用。

3　微生物在水葫蘆資源化利用中的應(yīng)用

微生物在水葫蘆的資源化利用中發(fā)揮了重要作用，在水葫蘆各種資源化利用途徑中均有微生物的應(yīng)用研究。

3.1制備燃料乙醇 通過微生物發(fā)酵水葫蘆制備燃料酒精是水葫蘆資源化利用的途徑之一。微生物通過利用水葫蘆中的纖維素作為碳水化合物原料，水解和發(fā)酵制取燃料乙醇，但只能利用纖維素轉(zhuǎn)化后的還原糖，故原料預(yù)處理是纖維素制生物酒精的關(guān)鍵因素。眾多研究探索了不同的水葫蘆預(yù)處理方式對微生物發(fā)酵乙醇的影響，如：Sowndarya等[11]在發(fā)酵前將水葫蘆經(jīng)過稀酸和FeSO4·7H2O、MnCl2·4H2O等誘導(dǎo)劑預(yù)處理；Mishima等[12]用NaOH和H2O2對水葫蘆粉末進(jìn)行了預(yù)處理；Ma等[13]聯(lián)合酸處理和白腐菌對水葫蘆進(jìn)行預(yù)處理；程軍等[8]、俞聰[14]首次提出了微波對水葫蘆酶解糖化的促進(jìn)機(jī)理，將水葫蘆經(jīng)過高壓微波稀酸預(yù)處理。以上研究均取得了比預(yù)處理前更好的產(chǎn)乙醇效果，證實(shí)了水葫蘆經(jīng)過預(yù)處理后更便于微生物發(fā)酵產(chǎn)乙醇。以上研究所采用的菌株有重組運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌CP4(Zymomonas mobilisCP4)、重組大腸桿菌KO11(Escherichia coliKO11)、釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)、樹干畢赤酵母(Pichia stipitis)等。對于發(fā)酵菌株，Manivannan等[15]比較了嗜鞣管囊酵母、中間假絲酵母(Candida intermedia)、樹干畢赤酵母及釀酒酵母的產(chǎn)乙醇率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)嗜鞣管囊酵母的產(chǎn)乙醇率最高，其次是樹干畢赤酵母和中間假絲酵母。但理想的發(fā)酵菌株應(yīng)能有效利用水葫蘆纖維素生物質(zhì)水解后的還原糖(包括五碳糖和六碳糖)，并對發(fā)酵副產(chǎn)物具有很好的抗性。劉茂玲[16]通過試驗(yàn)篩選出善于利用五碳糖的樹干畢赤酵母CICC1960和善于利用六碳糖的嗜鞣管囊酵母CICC1770用作發(fā)酵菌株，再利用水葫蘆微波稀酸水解液馴化混合酵母菌群，結(jié)果表明馴化細(xì)菌顯著提高了水葫蘆的發(fā)酵產(chǎn)乙醇能力，乙醇最高產(chǎn)量可達(dá)0.221 5g/g，達(dá)到理論值的76.3%，分析認(rèn)為經(jīng)過馴化后的菌株一方面對水葫蘆有更好的適應(yīng)性，另一方面對水解液中很多發(fā)酵抑制物具有了更高的耐受力。

3.2發(fā)酵制備沼氣水葫蘆發(fā)酵產(chǎn)沼氣是水葫蘆資源化利用的主要用途，國內(nèi)外針對以水葫蘆為底物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣開展了大量研究。微生物在厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用，在一定的水分、溫度、pH、有機(jī)物濃度、厭氧條件下，微生物分解代謝有機(jī)物，產(chǎn)甲烷菌獲得能量和物質(zhì)，產(chǎn)生甲烷。在水葫蘆產(chǎn)沼氣的實(shí)際運(yùn)用中，通常將水葫蘆與一些揮發(fā)性固體含量較高的有機(jī)廢物混合發(fā)酵，如新鮮牛糞、豬糞、老沼氣池的沼渣、腐敗河泥或城市污水處理廠的消化污泥等。有機(jī)廢物可為水葫蘆發(fā)酵提供更多微生物數(shù)量、更豐富的生物多樣性以及更多的養(yǎng)分，可增加水葫蘆的產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣效率[17]。同時(shí)因水葫蘆的木質(zhì)素含量較高，影響了水葫蘆發(fā)酵的生物產(chǎn)氣量。有研究表明在水葫蘆發(fā)酵產(chǎn)沼氣系統(tǒng)中添加纖維素降解菌可極大提高水葫蘆發(fā)酵產(chǎn)沼氣量[18-19]。目前針對水葫蘆發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究主要集中在發(fā)酵技術(shù)和發(fā)酵工藝等方面，針對產(chǎn)氣微生物的研究還較少，因此可以在微生物學(xué)方面進(jìn)行更深入地研究，如嘗試改造現(xiàn)有產(chǎn)甲烷菌，制備適宜水葫蘆發(fā)酵產(chǎn)沼氣的菌株或菌劑等[7]。

3.3發(fā)酵制備氫氣水葫蘆可作為微生物發(fā)酵制氫的底料，微生物厭氧發(fā)酵有機(jī)物制氫的過程是通過產(chǎn)氫發(fā)酵細(xì)菌的生理代謝對有機(jī)物脫氫，同時(shí)平衡氧化還原過程中的剩余電子，保證代謝過程順利進(jìn)行[20]。水葫蘆發(fā)酵制氫的難點(diǎn)主要是其纖維素含量高、糖類含量低，故針對微生物發(fā)酵水葫蘆制氫的關(guān)鍵點(diǎn)是如何有效提高產(chǎn)氣效率并降低阻礙因子。程軍等[21]以沼氣池污泥和水葫蘆混合作為發(fā)酵底物制氫，在未加入擴(kuò)大培養(yǎng)的優(yōu)勢產(chǎn)氫菌株作接種物時(shí)，產(chǎn)氫量很少，而將取自沼氣池的厭氧活性污泥煮沸30min，取其上清液擴(kuò)大培養(yǎng)后得到的優(yōu)勢產(chǎn)氫菌種作為接種物后，發(fā)酵產(chǎn)生了大量氫氣，得到的最大單位產(chǎn)氫量為116.3mL/g(TS)，說明僅利用沼氣池自身含有的天然混合菌株產(chǎn)氫效果有限，加入專門擴(kuò)大培養(yǎng)的優(yōu)勢產(chǎn)氫菌株后能有效提高產(chǎn)氫量。在最新研究中，Cheng等[22]在利用微波、稀酸和纖維素酶對水葫蘆預(yù)處理后，進(jìn)一步通過活性炭脫毒去除水解產(chǎn)物中的阻礙因子，并通過水葫蘆水解產(chǎn)物馴化發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌，提高其產(chǎn)氫能力，取得了較好效果，產(chǎn)氫量從104.0mL/g上升到134.9mL/g(TVS)，可見活性炭與馴化細(xì)菌的聯(lián)合作用具有較好的產(chǎn)氫效果。宋文路[23]嘗試對產(chǎn)氫細(xì)菌進(jìn)行基因改造，以產(chǎn)氫能力相對較強(qiáng)的陰溝腸桿菌(Enterobacter cloacaeCICC10017)和產(chǎn)氣腸桿菌(Enterobacter aerogenesATCC13408)為對象，對產(chǎn)氣促進(jìn)蛋白HPP基因等產(chǎn)氫相關(guān)基因進(jìn)行了過表達(dá)，提高氫酶等生物催化劑的表達(dá)水平，再對稀酸、微波、纖維素酶水解處理后的水葫蘆為底物進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫，與基因改造前對比，基因改造后的最大產(chǎn)氫速率和單位底物累積產(chǎn)氫量均明顯提高，表明基因工程改造可作為提高微生物產(chǎn)氫能力的有效手段。

3.4制備有機(jī)肥料 利用水葫蘆制備肥料的途徑有好氧堆肥、綠肥、漚肥等方式，其中好氧堆肥是水葫蘆制備肥料的主要方式，在實(shí)際應(yīng)用中通常通過加入污泥[24]、動(dòng)物糞便[25]等進(jìn)行發(fā)酵。在水葫蘆堆肥處理過程中微生物發(fā)揮著重要作用，微生物通過分解和利用堆料中的有機(jī)物來進(jìn)行生殖和繁殖，并促進(jìn)腐殖質(zhì)的形成，使堆肥腐熟和穩(wěn)定化，同時(shí)微生物活動(dòng)產(chǎn)生的熱量使堆肥溫度升高，可以殺死堆料中的有害病菌。有研究嘗試在堆肥過程中加入功能菌劑加速發(fā)酵過程，如黃東風(fēng)等[26]在堆肥過程中加入了含有纖維素分解菌劑的“快速發(fā)酵菌劑”，其加速了水葫蘆的有機(jī)物料完全發(fā)酵腐熟的進(jìn)程，堆肥第4天堆肥錐體的溫度就迅速上升并達(dá)到最高溫度59 ℃，對照組7d后才上升到最高溫度58 ℃。董志德等[25]采用微生物菌制劑堆制發(fā)酵技術(shù)制備水葫蘆有機(jī)肥料，并比較了3種微生物發(fā)酵劑的腐熟效果，結(jié)果表明腐熟效果表現(xiàn)為RW酵素劑>瑞萊特微生物腐熟劑>BM堆肥速效菌劑，所制備的肥料均達(dá)到了優(yōu)質(zhì)肥的標(biāo)準(zhǔn)；該研究還建議生產(chǎn)上大力推廣應(yīng)用微生物菌制劑堆制發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)水葫蘆有機(jī)肥。

3.5制備飼料水葫蘆養(yǎng)分含量較高，可用于制備飼料，將其作為青貯飼料時(shí)存在水葫蘆木質(zhì)素和纖維素含量較高、不易降解，含水量高、保存時(shí)間短等的缺點(diǎn)[27]，而將破碎后水葫蘆物料或水葫蘆壓濾液作為發(fā)酵底物，通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料能有效解決水葫蘆高水分、高纖維、低蛋白等缺點(diǎn)[27]，具有更廣泛的應(yīng)用前景。凌嘉茵等[28]采用霉菌和酵母菌雙菌協(xié)同作用的方式，在提高壓濾液COD去除率的同時(shí)提高單細(xì)胞蛋白的產(chǎn)量，在發(fā)酵過程中，黑曲霉(Aspergillus niger)用于降解纖維素和半纖維素為酵母菌提供還原糖，產(chǎn)朊假絲酵母(Candida utilis)消耗還原糖生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水葫蘆壓濾液原始COD值為7 280mg/L時(shí)，通過雙菌發(fā)酵，COD的去除率可達(dá)81.24%，菌體回收率達(dá)1.97g/L，粗蛋白含量達(dá)39.76%。潘開宇[27]、雷宇杰等[29]的相關(guān)研究也證明與單一菌株發(fā)酵相比，將不同用途的菌株共同組合混合發(fā)酵具有更好的協(xié)同作用，可發(fā)揮不同菌株降解纖維或提高蛋白含量的特色，采用的菌株主要有生孢噬纖維菌(Sporocytophaga)、產(chǎn)朊假絲酵母、黑曲霉等。利用微生物發(fā)酵水葫蘆制備蛋白飼料，可將其與其他營養(yǎng)材料配制成合理的飼料，這對于解決我國蛋白飼料相對缺乏的現(xiàn)狀及解決水葫蘆的生態(tài)防治問題均具有重要意義。

3.6水體凈化修復(fù)水葫蘆作為一種具有較強(qiáng)去污能力的水生植物，其根系微生物在污染水體修復(fù)過程中發(fā)揮了重要作用[30]，水葫蘆與其根系微生物間形成了根系微生態(tài)系統(tǒng)[31]，根系微生物不僅對污染物的降解轉(zhuǎn)化起著重要作用，而且也在一定程度上增強(qiáng)了植物對污染環(huán)境的適應(yīng)能力，從而促進(jìn)植物對有機(jī)物污染物的吸收[32]。除根系微生物外，也有研究將固定化氮循環(huán)細(xì)菌(Immobilizednitrogencyclingbacteria,INCB)或EM菌劑(Effectivemicroorganisms，由光合細(xì)菌、乳酸菌、芽孢桿菌、硝化細(xì)菌等多種有益菌群組成的復(fù)合微生物活性菌劑)等其他微生物與水葫蘆聯(lián)合作用應(yīng)用于水體的凈化和修復(fù)中并取得了較好效果。胡棉好等[33]將水葫蘆與固定化氮循環(huán)細(xì)菌聯(lián)合對富營養(yǎng)化水體進(jìn)行原位修復(fù)研究，固定化氮循環(huán)細(xì)菌包括氨化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌4個(gè)菌群，研究結(jié)果表明水葫蘆-固定化氮循環(huán)細(xì)菌的聯(lián)合作用對水體總氮和銨態(tài)氮的處理率分別達(dá)77.2%和49.2%，相比于單獨(dú)使用水葫蘆存在明顯差異，且更加有利于水體中葉綠素a和CODMn的降低。許國晶等[34]將有效微生物含量為1.0×1010cfu/mL的EM菌劑與水葫蘆聯(lián)合應(yīng)用于養(yǎng)殖池塘水體凈化中，水葫蘆聯(lián)合EM菌劑系統(tǒng)對水體中總氮、氨氮、亞硝氮、總磷、COD的凈化效果均明顯優(yōu)于單獨(dú)使用EM菌劑的效果(P<0.05)。以上研究均認(rèn)為水葫蘆-微生物系統(tǒng)中，水葫蘆發(fā)達(dá)的根系擴(kuò)大了微生物的附著面積，為微生物提供一個(gè)良好的棲息和繁殖場所，更有利于微生物發(fā)揮水體凈化作用，同時(shí)也有利于根系對污染物的吸附和過濾，從而提高了水體凈化效果，表明水葫蘆與適宜微生物構(gòu)建的協(xié)同凈化系統(tǒng)可作為水體凈化和修復(fù)工作中的重要途徑。

3.7發(fā)酵產(chǎn)漆酶漆酶(Laccase，EC1.10.3.2)是一種含銅離子的氧化還原酶，因最初發(fā)現(xiàn)于漆樹樹脂中而得名，漆酶屬于環(huán)境友好型酶類，可催化氧化酚類及其衍生物、芳胺及其衍生物等多種底物，近年來在環(huán)境保護(hù)、食品工業(yè)、造紙工業(yè)等方面得到了廣泛應(yīng)用[35-36]。水葫蘆來源廣泛、價(jià)格低廉，可作為發(fā)酵產(chǎn)漆酶的良好基質(zhì)。白腐菌是漆酶的主要產(chǎn)生菌類[35]，已有研究將其應(yīng)用于水葫蘆發(fā)酵產(chǎn)漆酶中。王志新等[37]采用水葫蘆固體發(fā)酵基本培養(yǎng)基對一種密孔菌屬的菌株(Pycnoporussp.SYBC-L1)發(fā)酵產(chǎn)漆酶進(jìn)行了研究，該菌在發(fā)酵過程中從第5天起開始分泌并積累漆酶，第9天達(dá)到產(chǎn)酶高峰，且該菌只分泌漆酶，酶系較單一，研究發(fā)現(xiàn)漆酶活力隨著水葫蘆濃度的上升而明顯增加，到12.5%(W/V)時(shí)漆酶活力達(dá)到最高，通過對培養(yǎng)基優(yōu)化，最大酶活可達(dá)19.17U/g。劉文華等[36]利用毛栓菌Trametes hirsuteSYBC-L19液態(tài)發(fā)酵水葫蘆產(chǎn)漆酶，采用單因素法和響應(yīng)面法對培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后最高酶活可達(dá)7 784U/L，是優(yōu)化前的17.3倍，同時(shí)液態(tài)發(fā)酵克服了固態(tài)發(fā)酵周期長、自動(dòng)化程度低、工藝參數(shù)難檢測等問題。相關(guān)研究表明可利用適宜的白腐菌株發(fā)酵水葫蘆產(chǎn)漆酶，研究結(jié)果為水葫蘆發(fā)酵產(chǎn)漆酶提供了一定的理論和試驗(yàn)依據(jù)，但對于進(jìn)一步開展工業(yè)化應(yīng)用還需要進(jìn)行更深入地研究。

3.8降解木質(zhì)纖維素在水葫蘆的資源化利用的相關(guān)研究中，木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)是水葫蘆資源化利用的主要瓶頸，纖維素降解菌株的應(yīng)用對水葫蘆資源化利用具有促進(jìn)作用。能分解纖維素的菌種很多，但研究最多且酶活較高的多為真菌，相關(guān)研究也證明了部分真菌對水葫蘆纖維素的降解效果較好。范曉娟等[19]研究發(fā)現(xiàn)黃孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)和糙皮側(cè)耳(Pleurotus ostreatus)2種白腐菌對水葫蘆的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素的降解效果均較好，其中對木質(zhì)素的降解效果最好，經(jīng)處理后的水葫蘆單位TS產(chǎn)氣量得到了明顯提高。同時(shí)，也有研究將關(guān)注點(diǎn)放在從水葫蘆中篩選獲得產(chǎn)纖維素酶的高產(chǎn)菌株。Kurup等[38]從水葫蘆中分離到的3株土著菌株WHB3、WHB4和SMB3在以水葫蘆為基質(zhì)的條件下均可產(chǎn)生纖維素酶，證實(shí)了水葫蘆可作為廉價(jià)的纖維素基質(zhì)用于纖維素酶的生產(chǎn)。Deshpande等[39]以水葫蘆作為基質(zhì)研究了里氏木霉(Trichoderma reesei)產(chǎn)纖維素酶的最佳條件，結(jié)果表明在最佳條件下，15d后可測到最高酶活為(0.22±0.04)IU/ml。邱曄平等[40]從富含纖維素分解菌的腐爛水葫蘆中篩選到透明圈直徑與菌落直徑的比值較高(產(chǎn)纖維素酶量大或纖維素酶活性強(qiáng) )的4株菌株，其中1株綠色木霉D1菌株(Trichoderm aviride)產(chǎn)纖維素酶能力較強(qiáng)，該菌CMC酶活最高為2.262μmol/(min·mL)，濾紙酶活最高為1.592μmol/(min·mL)，該酶對水葫蘆的降解效果較好，14d降解水葫蘆達(dá)39.12%，且該菌產(chǎn)纖維素酶系較全，適合天然纖維素的降解。

4　結(jié)論與討論

資源化應(yīng)用是水葫蘆變廢為寶的重要途徑，微生物作為關(guān)鍵的“轉(zhuǎn)化者”可極大提高水葫蘆的資源利用率。在歸納、梳理相關(guān)研究的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)結(jié)合具體的利用途徑，可通過水葫蘆的預(yù)處理、功能菌株的優(yōu)化、工程菌株的應(yīng)用等方式進(jìn)一步提高微生物對水葫蘆的作用效率，進(jìn)而提高水葫蘆的資源化利用效率。

4.1水葫蘆的預(yù)處理水葫蘆的預(yù)處理方式對其資源化利用有很大影響，結(jié)合相應(yīng)的預(yù)處理技術(shù)，可有效提高微生物對水葫蘆的作用效率。

4.1.1水葫蘆的選擇。水葫蘆因生長環(huán)境不同，所含的營養(yǎng)成分相差很多，在富營養(yǎng)化的水體中生長的水葫蘆氮、磷含量較高，而在重金屬污染的水體中生長的水葫蘆重金屬含量較高，且主要集中在根部，從根部到莖葉重金屬含量是逐級遞減的[6]。所以，應(yīng)根據(jù)具體情況對其進(jìn)行選擇和處理。如用作飼料利用時(shí)，需注意生長環(huán)境，并對水葫蘆進(jìn)行去根等處理后使用。研究發(fā)現(xiàn)利用水葫蘆發(fā)酵甲烷時(shí)，其產(chǎn)氣量和其生長水體氮、磷濃度呈顯著相關(guān)性，富營養(yǎng)化程度高的水體中生長的水葫蘆產(chǎn)氣量更高[41]。

4.1.2物理、化學(xué)及生物處理。相關(guān)研究表明，對水葫蘆進(jìn)行物理處理(切分、壓榨等)、化學(xué)處理(酸處理、堿處理和金屬離子處理等)和生物處理(酶法處理等)后可有效提高水葫蘆的利用效率。但預(yù)處理應(yīng)結(jié)合微生物與水葫蘆的具體作用方式進(jìn)行處理，如蘭吉武等[42]研究發(fā)現(xiàn)簡單切分比粉碎處理能獲得更高的產(chǎn)氣量，分析認(rèn)為粉碎顆粒過小，酸化速度過快，不利于酸化反應(yīng)與產(chǎn)甲烷反應(yīng)之間的平衡，且簡單切分后孔隙率更高，產(chǎn)氣更易溢出。

4.1.3纖維素降解菌株的應(yīng)用。木質(zhì)纖維素是水葫蘆資源化利用的主要瓶頸，許多研究在水葫蘆厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷、產(chǎn)氫、制備肥料、制備飼料等過程中加入了纖維素降解菌株，有效提高了水葫蘆利用效率。如范曉娟等[19]在利用水葫蘆發(fā)酵產(chǎn)甲烷中，利用2種白腐菌對水葫蘆進(jìn)行處理，顯著提高了單位TS產(chǎn)氣量；Ma等[13]通過聯(lián)合酸處理和白腐真菌降解纖維素對水葫蘆進(jìn)行預(yù)處理，有效提高了纖維素酶水解效率，經(jīng)發(fā)酵后乙醇產(chǎn)量提高了1.13～2.11倍。

4.2功能菌株的優(yōu)化對于試驗(yàn)獲得的可應(yīng)用于水葫蘆資源化利用中的微生物功能菌株，可通過物理或化學(xué)等方法對菌株進(jìn)行優(yōu)化處理，從而選育或馴化出具有更高效率的菌株，如劉茂玲[16]、Cheng等[22]利用水葫蘆微波稀酸水解液對功能菌株進(jìn)行了馴化，顯著提高了水葫蘆發(fā)酵產(chǎn)乙醇和產(chǎn)氫能力。

4.3基因工程菌株的應(yīng)用目前在水葫蘆的資源化利用方面對工程菌株的使用還較少，可嘗試通過基因工程操作構(gòu)建工程菌株或改造功能菌株，并將其應(yīng)用于水葫蘆資源化利用中。Mishima等[12]采用的重組大腸桿菌KO11菌株是通過植入運(yùn)動(dòng)單胞菌中的丙酮酸脫氫酶和醇脫氫酶來增強(qiáng)發(fā)酵產(chǎn)乙醇量；宋文路[23]通過對功能菌株產(chǎn)氫相關(guān)基因的過表達(dá)來增強(qiáng)發(fā)酵水葫蘆產(chǎn)氫效果，均取得了較好效果。在木質(zhì)纖維素的乙醇發(fā)酵領(lǐng)域，利用基因工程的方法來改造發(fā)酵菌株是近年來的研究熱點(diǎn)，有研究構(gòu)建出能同時(shí)利用葡萄糖和木糖生產(chǎn)乙醇的工程菌株，也可嘗試將該類菌株運(yùn)用到利用水葫蘆發(fā)酵乙醇中。

4.4菌劑的開發(fā)應(yīng)用已有研究將適用菌劑應(yīng)用在水葫蘆的資源化利用中，如在利用水葫蘆制備有機(jī)肥時(shí)應(yīng)用微生物發(fā)酵菌劑取得了較好效果[25-26]，應(yīng)用EM菌劑在利用水葫蘆開展水體凈化時(shí)也取得了較好效果[34]?？蓢L試在有機(jī)肥制備、木質(zhì)纖維素降解、水體凈化修復(fù)、飼料制備等領(lǐng)域根據(jù)實(shí)際需求篩選并組合微生物菌株，開發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)且高效的適用菌劑，從而進(jìn)一步提高水葫蘆的資源化利用效率。

4.5微生物應(yīng)用環(huán)境的優(yōu)化微生物生態(tài)環(huán)境對于微生物的應(yīng)用具有重要的影響，可采用分子生物學(xué)手段等進(jìn)一步研究微生物與水葫蘆相互作用的微生物生態(tài)，全面認(rèn)識微生物應(yīng)用環(huán)境，如群落結(jié)構(gòu)、適應(yīng)機(jī)制、演替規(guī)律等，全面解析微生物的代謝能力，從而構(gòu)建高效的植物、微生物耦合系統(tǒng)。如在水體凈化應(yīng)用中，可進(jìn)一步研究水葫蘆根系與微生物的相互作用關(guān)系，從而更利于功能菌的篩選和微生物在植物根際定殖條件的優(yōu)化。

[1]BOLENZS,OMRANH,GIERSCHNERK.Treatmentofwaterhyacinthtissuetoobtainusefulproducts[J].Biologicalwastes, 1990, 33(4):263-274.

[2] 張映蘭, 鄧玉誠, 張無敵, 等.濕地水生植物水葫蘆的資源化利用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 41(7):3092-3095.

[3] 朱磊, 胡國梁, 盧劍波, 等.水葫蘆的資源化利用[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2006(4):460-463.

[4]KAYSH,HALLERWT,GARRARDLA.Effectsofheavymetalonwaterhyacinths[J].Aquatictoxicology, 1984, 5(2):117-128.

[5] 余國營, 張曉華, 梁小民, 等.滇池水-植物系統(tǒng)金屬元素的分布特征和相關(guān)性研究[J].水生生物學(xué)報(bào), 2000, 24(2):172-176.

[6] 達(dá)良俊, 陳鳴.鳳眼蓮不同部位對重金屬的吸收、吸附作用研究[J].上海環(huán)境科學(xué), 2003, 22(11):765-767.

[7] 何加駿, 嚴(yán)少華, 葉小梅, 等.水葫蘆厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)研究進(jìn)展[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2008, 24(3):359-362.

[8] 程軍, 俞聰, 宋文路, 等.微光波對水葫蘆水解糖化的促進(jìn)機(jī)理研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2009(7):1337-1343.

[9] 吳創(chuàng)之, 馬隆龍.生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2003:82.

[10] 余有成.水葫蘆的營養(yǎng)成分及青貯方法[J].畜產(chǎn)研究, 1988(2):38-41.

[11]SOWNDARYAR,BAKYALAKSHSHMIKS,SOWNDHARYALAKSHMIC,etal.Effectofinducerinethanolproductionusingrecombinationbacterialstrainzymomonas mobilisCP4[J].Internationaljournalofchemtechresearch, 2012, 4:1754-1757.

[12]MISHIMAD,KUNIKIM,SEIK,etal.Ethanolproductionfromcandidateenergycrop:Waterhyacinth(Eichhornia crassipes)andwaterlettuce(Pistia stratiotesL.)[J].Bioresourcetechnology, 2008, 99(7):2495-2500.

[13]MAFY,YANGNA,XUC,etal.Combinationofbiologicalpretreatmentwithmildacidpretreatmentforenzymatichydrolysisandethanolproductionfromwaterhyacinth[J].Bioresourcetechnology, 2010, 101(24):9600-9604.

[14] 俞聰.水葫蘆微波水解和發(fā)酵制取燃料酒精的機(jī)理研究[D].杭州:浙江大學(xué), 2010.

[15]MANIVANNANA,NARENDHIRAKANNANRT.Bioethanolproductionfromaquaticweedwaterhyacinth(Eichhornia crassipes)byyeastfermentation[J].Wasteandbiomassvalorization, 2015, 6(2):209-216.

[16] 劉茂玲.馴化酵母菌發(fā)酵水葫蘆和微藻生物質(zhì)劑制取燃料乙醇研究[D].杭州:浙江大學(xué), 2013.

[17]KUMARS.Sudiesonefficienciesofbiogasproductioninanaerobicdigestersusingwaterhyacinthandnight-soilaloneaswellasincombination[J].Asianjournalofchemistry, 2005, 17(2):934-938.

[18] 楊曉瑞, 梁金花, 徐文龍, 等.D1菌株預(yù)處理水葫蘆單相厭氧發(fā)酵連續(xù)產(chǎn)沼氣試驗(yàn)[J].環(huán)境工程, 2014, 32(2):143-147.

[19] 范曉娟, 朱紅梅, 韓士群, 等.白腐菌對水葫蘆木質(zhì)纖維素的降解及對厭氧發(fā)酵的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2013, 29(5):1043-1050.

[20] 任南琪, 王寶貞.有機(jī)廢水處理制氫技術(shù)[J].中國環(huán)境科學(xué), 1994, 14(6):411-415.

[21] 程軍, 潘華引, 戚峰, 等.污泥和水葫蘆混合發(fā)酵產(chǎn)氫的影響因素分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 28(z1):209-214.

[22]CHENGJ,LINR,SONGW,etal.Enhancementoffermentativehydrogenproductionfromhydrolyzedwaterhyacinthwithactivatedcarbondetoxificationandbacteriadomestication[J].Internationaljournalofhydrogenenergy, 2015, 40(6):2545-2551.

[23] 宋文路.基因改造和馴化細(xì)菌利用水葫蘆發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷的機(jī)理研究[D].杭州:浙江大學(xué), 2011.

[24] 王麗芬, 鄧輔唐, 孫珮石, 等.水葫蘆渣與污泥混合好氧堆肥試驗(yàn)研究[J].科協(xié)論壇, 2012(1):117-119.

[25] 董志德, 石亮成, 周玲, 等.鳳眼蓮有機(jī)肥料堆制技術(shù)研究及肥料應(yīng)用[J].廣西農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 41(11):1205-1207.

[26] 黃東風(fēng), 李清華, 陳超.水葫蘆有機(jī)肥料的研制與應(yīng)用效果[J].中國土壤與肥料, 2007(5):48-52.

[27] 潘開宇.發(fā)酵鳳眼蓮的菌種篩選[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 37(30):15057-15059.

[28] 凌嘉茵, 李萍, 徐銳錕, 等.雙菌發(fā)酵水葫蘆壓濾液生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2010, 33(12):35-38.

[29] 雷宇杰, 黃光玲.微生物發(fā)酵提綱鳳眼蓮發(fā)酵產(chǎn)物蛋白含量的研究[J].信陽農(nóng)業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào), 2011, 21(1):119-120.

[30] 樂毅全, 鄭師章, 周紀(jì)綸.鳳眼蓮根際細(xì)菌的趨化性研究[J].復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1990, 29(3):314-319.

[31] 趙大君, 鄭師章.鳳眼蓮根分泌物氨基酸組分對根際腸桿菌屬F2細(xì)菌的趨化作用[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 1996, 7(2):435-438.

[32] 夏會龍, 吳良?xì)g, 陶勤南.鳳眼蓮植物修復(fù)幾種農(nóng)藥的效應(yīng)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)藥與生命科學(xué)版), 2002, 28(2):165-168.

[33] 胡棉好, 袁菊紅, 常會慶, 等.鳳眼蓮-固定化氮循環(huán)細(xì)菌聯(lián)合作用對富營養(yǎng)化水體原位修復(fù)的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2009, 3(12):2163-2169.

[34] 許國晶, 段登選, 杜興華, 等.養(yǎng)殖池塘利用水葫蘆與EM菌協(xié)同凈化水環(huán)境研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2014, 30(26):40-46.

[35]RIVAS.Laccases:Blueenzymesforgreenchemistry[J].Trendsinbiotechnology, 2006, 24(5):219-226.

[36] 劉文華, 蔡宇杰, 孫付寶, 等.白腐菌Trametes hirsuteSYBC-L19液態(tài)發(fā)酵水葫蘆產(chǎn)漆酶[J].食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào)，2012, 31(12):1252-1261.

[37] 王志新, 蔡宇杰, 廖詳儒, 等.Pycnoporussp.SYBC-L1 18SrDNA序列分析及其固態(tài)發(fā)酵水葫蘆產(chǎn)漆酶的研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè), 2009, 35(8):5-10.

[38]KURUPSC,SNISHAMOLC,PRABHUN.Cellulaseproductionbynativebacteriausingwaterhyacinthassubstrateundersolidstatefermentation[J].Malaysianjournalofmicrobiology, 2005, 1(2):25-29.

[39]DESHPANDEP,NAIRS,KHEDKARS.WaterhyacinthascarbonsourcefortheproductionofcellulasebyTrichoderma reesei[J].Appliedbiochemistryandbiotechnology, 2009, 158(3):552-560.

[40] 邱曄平, 楊曉瑞, 朱建良, 等.降解水葫蘆中纖維素的優(yōu)良菌株的篩選[J].纖維素科學(xué)與技術(shù), 2008, 16(2):53-58.

[41] 葉小梅.水葫蘆厭氧發(fā)酵特性及其工藝技術(shù)研究[D].南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011.

[42] 蘭吉武, 陳彬, 曹偉華, 等.水葫蘆厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣規(guī)律[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2004, 14(1):18-21.

ResearchReviewonApplicationofMicroorganisminResourcesUtilizationofWaterHyacinth

NINGHua,TUWei-guo,WANGQiong-yao

(SichuanProvincialInstituteofNatureResourceScience,Chengdu,Sichuan610015)

Studiesonapplicationofmicroorganisminresourcesutilizationofwaterhyacinthwerereviewed,thewaytoenhancetheefficiencyofmicroorganismswasdiscussed,soastoprovidereferenceforresourcesutilizationofwaterhyacinth.

Waterhyacinth;Microorganism;Resourcesutilization

四川省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013SZ0186，2013SZZ020)。

寧華(1983- )，女，四川成都人，助理研究員，碩士，從事資源與環(huán)境微生物研究。

2016-05-11

S182

A

0517-6611(2016)18-007-04