碳質(zhì)材料載體對微生物的固定化作用及其在環(huán)境污染控制中的應(yīng)用

韓 杰，蔡元奇，李 欣，翟 旻，黃明華，孟 軍

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)a.動物科學(xué)與醫(yī)學(xué)學(xué)院，b.農(nóng)學(xué)院/水稻研究所/國家生物炭研究院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生物炭與土壤改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110161）

近年來，微生物的生物降解作用已被廣泛應(yīng)用于生物制藥、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品工程等領(lǐng)域。由于微生物活性受外界環(huán)境因素影響較大，使得直接應(yīng)用游離微生物面臨諸多挑戰(zhàn)。微生物固定化技術(shù)是通過一定的物理或化學(xué)方法將微生物固定于載體上并被限制在一定的空間內(nèi)從而保持其生物活性的一種新型技術(shù)。該技術(shù)不但提高了單位體積內(nèi)微生物數(shù)量，其載體還為微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)和庇護(hù)空間，使微生物對環(huán)境干擾具有更高的抗性，有效緩解了傳統(tǒng)技術(shù)中游離微生物單獨(dú)作用所面臨的生物活性和生物降解效率低下等問題，從而成為生物工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

固定化載體是影響微生物固定化技術(shù)發(fā)揮作用的核心因素。其根本作用是在生物相容性前提下為固定化微生物營造良好的空間和環(huán)境，通過影響微生物活性、微生物的生長代謝、微生物的生物量、固定化產(chǎn)物的使用成本、效率、結(jié)構(gòu)、傳質(zhì)、強(qiáng)度及使用壽命等進(jìn)而影響固定化產(chǎn)品的使用效果及工程應(yīng)用[1]。目前固定化微生物載體主要面臨的生物相容性差、微生物負(fù)載效率低、載體成本較高等關(guān)鍵問題已經(jīng)成為制約該技術(shù)應(yīng)用的瓶頸。近年來，基于碳質(zhì)材料固定化微生物載體的開發(fā)與研究正在致力于推進(jìn)上述問題的解決。本研究通過對碳質(zhì)材料的性能特點(diǎn)和應(yīng)用效果等方面進(jìn)行綜述，以期為在微生物固定化技術(shù)中全面了解和使用碳質(zhì)材料提供參考。

1 固定化微生物載體種類和特性

固定微生物的效果因固定化載體材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同而有較大差別。生產(chǎn)上對載體材料的總體技術(shù)和質(zhì)量要求是：載體制備的原材料來源廣泛且價格低廉、載體材料無毒性且單位空間承載微生物的密度大、性能穩(wěn)定且固定化操作簡單易行、回收和再利用性能好等。目前，常見的固定化微生物載體材料按照化學(xué)性質(zhì)分為無機(jī)載體材料、有機(jī)載體材料和復(fù)合載體材料，其涵蓋的種類和各種類優(yōu)缺點(diǎn)見表1。此外，利用酸、堿、金屬氧化物、表面活性劑等化學(xué)試劑對上述常見載體材料進(jìn)行針對性的改性處理，可以獲得固定化性能及使用效果更好的新型載體，此類研究主要集中于對生物炭、活性炭、沸石和硅藻土等無機(jī)載體的改性。同時，針對有機(jī)和無機(jī)載體材料的優(yōu)缺點(diǎn)，將二者聯(lián)合應(yīng)用，相互取長補(bǔ)短，獲得綜合性能更加優(yōu)越的載體材料也成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)?？梢?，目前對固定化載體的研究已經(jīng)從使用單一載體材料逐漸向研制新型的改性材料和復(fù)合材料的方向發(fā)展。

表1 常見的載體材料種類及其應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Common types of carrier materials and their advantages and disadvantages

2 碳質(zhì)材料載體在微生物固定化技術(shù)中的應(yīng)用

近年來新的研究發(fā)現(xiàn)，碳質(zhì)材料可以作為微生物固定化的理想載體。其高穩(wěn)定性被認(rèn)為是推進(jìn)微生物固定化和遞送微生物的一種頗有前景的材料。生物炭、活性炭、碳納米管和石墨烯及其衍生物是應(yīng)用最為廣泛的碳質(zhì)材料。它們普遍具有不溶性、高機(jī)械強(qiáng)度、良好的孔隙度、較大的比表面積和可以修飾調(diào)節(jié)的表面功能，有利于微生物在材料表面附著和生長以及在其內(nèi)部繁殖和發(fā)育，為承載微生物奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.1 生物炭

生物炭是生物殘體在缺氧條件下經(jīng)高溫慢熱解（通常為300～700 ℃）產(chǎn)生的一類穩(wěn)定的高度芳香化富碳固態(tài)物質(zhì)[9]。其具有的多孔結(jié)構(gòu)為微生物提供了適宜的棲息環(huán)境，高孔隙率和高陽離子交換效率有利于較長時間保留水分和養(yǎng)分以滿足微生物生長發(fā)育的需求[10]。其含有的大量芳香族物質(zhì)和官能團(tuán)使其可以同時吸附陰、陽離子，還能與微生物表面官能團(tuán)形成共價鍵牢固的固定微生物。

2.1.1 生物炭固定化微生物在環(huán)境污染物去除中的應(yīng)用 目前，以生物炭為載體的微生物固定化技術(shù)的研究主要集中在環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。其中以治理重金屬和有機(jī)污染物為目的研究顯示不同原料制備的生物炭固定化微生物對于污染物的去除均有良好的效果。采用玉米秸稈生物炭吸附法固定戴爾福特菌（Delftiasp.）B9（B-CSB）對被Cd和As污染土壤中的Cd2+和As飽和吸附量分別達(dá)到75.38 mg·g-1和34.03 mg·g-1，顯著高于使用游離Delftiasp.B9菌時的飽和吸附量（49.43 mg·g-1和24.67 mg·g-1），而且添加B-CSB 能提高土壤中殘?jiān)鼞B(tài)Cd和As含量，使可溶態(tài)含量顯著減少[11]。表明玉米秸稈生物炭負(fù)載微生物能夠有效修復(fù)被Cd和As污染的土壤。通過吸附法用蘆葦生物炭固定化石油烴優(yōu)勢降解菌修復(fù)被石油烴污染的土壤40 d后，使石油烴去除率達(dá)55.01%[12]，表明蘆葦生物炭負(fù)載能夠去除石油烴污染物。采用竹炭吸附法固定壬基酚降解菌，7 d 后能使初始濃度30，50，80，100 mg·L-1的壬基酚降解率分別達(dá)到100%、75.3%、67.3%和78.7%，顯著優(yōu)于使用游離菌時的54.2%、51.5%、30.6%和23.5%；經(jīng)過8輪重復(fù)利用后，竹炭固定菌對壬基酚降解率仍可達(dá)36.5%，而游離菌僅為8.9%[13]。表明竹炭固定化微生物能有效降解壬基酚污染物，且表現(xiàn)出良好的重復(fù)使用性。以稻殼、棉桿、秸稈、杉木和竹子為原料制備的五種生物炭負(fù)載多環(huán)芳烴（PAHs）降解菌對PAHs 污染土壤的修復(fù)效果均高于單一生物炭和游離菌，說明生物炭強(qiáng)化了微生物修復(fù)的效果[14]。

研究表明，一些生物炭經(jīng)改性后或與其他載體復(fù)合后形成的微生物固定化體去除污染物效果顯著提高。NaOH 改性的稻殼生物炭比改性前pH 和pHpzc（表面零點(diǎn)電荷點(diǎn)）分別提高1.76和1.61，采用吸附法對惡臭假單胞菌N3（MN602471）吸附量較改性前增加129.77 nmol·g-1，且采用吸附法制備的改性炭的固定化體更有利于氨氮廢水中氨氮的去除和N3 活性恢復(fù)[15]。用MgCl2改性的生物炭灰分和酸性官能團(tuán)含量升高，采用吸附法將其與石油烴和PAHs 降解菌形成的固定化體能顯著去除石油烴和PAHs 污染物，有利于降解菌修復(fù)受污染的土壤[16]。在含Cr6+的土壤修復(fù)實(shí)驗(yàn)中，采用包埋法將蒙脫石磁鐵礦和生物炭的復(fù)合載體與Cr6+降解菌形成固定化體30 d 后對土壤中濃度為25，50，100 mg·kg-1Cr6+去除率分別為88.37%、74.13%和48.85%，比游離菌高出26.06%～32.31%；30 d 后蒙脫石磁鐵礦-生物炭固定化小球中的活菌數(shù)量顯著高于未添加蒙脫石磁鐵礦-生物炭固定化小球[17]。表明以蒙脫石磁鐵礦-生物炭為載體的包埋技術(shù)有利于微生物存活和發(fā)揮生物學(xué)作用，并且蒙脫石磁鐵礦提高了生物炭的穩(wěn)定性和對污染物的吸附性。采用包埋法以聚乙烯醇和海藻酸鈉為壁材包埋生物炭與磷酸鹽溶解細(xì)菌（PSBs）和納米零價鐵的固定化體制成的膠珠，與游離菌相比包埋體中的菌種顯示出更高的活性。膠珠平均表面積顯著高于生物炭，更利于PSBs生長發(fā)育。對Pb2+的去除效率（84.54%）也遠(yuǎn)高于單一的生物炭（1.33%）[18]。可見，生物炭負(fù)載微生物后能更好去除污染物，針對生物炭的改性和以生物炭為核心的復(fù)合載體的開發(fā)有望更好地提高其對污染物的去除效率。

2.1.2 生物炭固定化微生物在土壤改良中的應(yīng)用 在土壤改良中應(yīng)用生物炭固定化技術(shù)主要以治理受污染和貧瘠土壤性能為主要目的。氯化鐵改性的海帶渣生物炭增加了PAHs污染土壤的有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、有效磷和速效鉀含量，且增加了土壤中對PAHs有良好適應(yīng)和降解能力的優(yōu)勢功能微生物數(shù)量[19]。鹿糞生物炭耦合菌群HHP-3X制備復(fù)合菌劑能改善土壤酸化程度，增加土壤肥力[20]。以小麥秸稈生物炭為載體固定硫酸鹽還原菌，能使土壤速效磷和速效鉀含量分別提升37.86%和57.29%，土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性分別得到顯著改善[21]。使用莎草科植物制備的生物炭吸附并固定耐鹽好氧反硝化細(xì)菌能明顯改善潮汐流人工濕地處理含鹽廢水的脫氮能力[22]。此外，生物炭固定化功能菌劑對沙化土壤[23]和西北干旱礦區(qū)土壤[24]有機(jī)質(zhì)、有效氮磷等養(yǎng)分含量以及土壤菌群多樣性與群落功能均有明顯的改善作用。

2.1.3 生物炭在固定化菌肥中的應(yīng)用 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，生物炭在維持菌肥中菌種活性上也具有良好的效果。如利用松木炭、麻稈炭、玉米稈炭作為吸附載體制備的炭基木霉NJAU 4742菌肥，保存7～30 d時菌肥中有效活菌數(shù)均有所增長，且在30 d時有效活菌數(shù)達(dá)到最大。其中松木炭和麻稈炭制備的菌肥在保存30 d時有效活菌數(shù)均高于初始活菌數(shù)[25]。以生物炭為載體包埋固定米曲霉抑制黃曲霉產(chǎn)毒，生物炭與秸稈粉和高嶺土載體相比，顯示出更好的緩釋效果，而且提高了固定化微球的包埋率和機(jī)械強(qiáng)度[26]。

值得注意的是生物炭含有的多環(huán)芳烴、揮發(fā)性有機(jī)物、環(huán)境持久性自由基和重金屬等對微生物生長代謝活動具有抑制作用[27]。因此，合理控制裂解溫度，選擇具有邊緣毒性或無毒性的合適生物炭作為微生物固定化載體在生產(chǎn)應(yīng)用中具有重要意義。此外，生物炭的量化生產(chǎn)成為其大規(guī)模應(yīng)用的阻礙。

2.2 活性炭

活性炭是由木質(zhì)、煤質(zhì)和石油焦等含碳原料經(jīng)熱解、活化加工制備得到的一種特異性吸附能力較強(qiáng)的材料[28]?；钚蕴烤哂卸嗫捉Y(jié)構(gòu)、比表面積大、較強(qiáng)的吸附性等特點(diǎn)，能夠承載更大密度的微生物。豐富的官能團(tuán)有利于活性炭與微生物以共價鍵牢固地結(jié)合；性質(zhì)穩(wěn)定且細(xì)胞毒性低的特點(diǎn)使其成為固定化微生物的優(yōu)良載體。生產(chǎn)材料來源廣，成本較低，具有良好的經(jīng)濟(jì)前景，被廣泛研究用于微生物固定化。

2.2.1 活性炭固定化微生物在重金屬治理中的應(yīng)用 活性炭微生物固定化技術(shù)在環(huán)境重金屬去除方面有較多應(yīng)用。將耐砷細(xì)菌通過吸附法固定在顆?；钚蕴可夏茱@著提高As5+和As3+的去除率，耐砷細(xì)菌能夠產(chǎn)生砷酸還原酶將As5+還原為As3+，繼而將As3+結(jié)合在耐砷細(xì)菌產(chǎn)生的特定蛋白（如ArsR）的活性位點(diǎn)上，從而對As5+和As3+進(jìn)行去除。通過研究還發(fā)現(xiàn)耐砷細(xì)菌-活性炭固定化體能夠同時去除幾種重金屬(如Fe3+、Mn2+、Cu2+和Zn2+)，去除效率分別達(dá)到65.2%、72.8%、98.6%和99.3%[29]。采用粉末活性炭吸附法固定化酵母能夠?qū)d 污染進(jìn)行降解，活性炭表面的活性位點(diǎn)和官能基團(tuán)能夠與Cd2+結(jié)合，有助于Cd2+的降解。用粉末活性炭負(fù)載酵母對Cd2+的去除效率顯著高于單一的活性炭[30]。

2.2.2 活性炭固定化微生物在有害氣體治理中的應(yīng)用 采用吸附法在活性炭上固定化甲烷氧化細(xì)菌制成的生物過濾器表現(xiàn)出良好的甲烷氧化效率，該作用是單獨(dú)使用甲烷氧化細(xì)菌的4 倍[31]。采用吸附法固定在活性炭上的硫化物氧化細(xì)菌可以作為在生物過濾系統(tǒng)中處理硫化氫氣體的有效材料，由于吸附和生物氧化的協(xié)同作用，固定化細(xì)菌對硫化氫的去除效率超過90%，顯著高于單獨(dú)的活性炭或細(xì)菌[32]。除此之外，活性炭作為載體可以刺激硫化物氧化細(xì)菌的生長，縮短它們在生物過濾系統(tǒng)中的馴化期，有利于硫化氫的氧化。且固定化細(xì)菌后活性炭治理硫化氫的壽命也會相應(yīng)延長[33]?？梢?，活性炭多以吸附法固定微生物，且負(fù)載微生物后形成的固定化體對污染物去除效果要顯著好于單獨(dú)使用活性炭或微生物。

2.2.3 活性炭固定化微生物在養(yǎng)殖廢水凈化和食品工程中的應(yīng)用 活性炭負(fù)載微生物在農(nóng)業(yè)發(fā)展中凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的作用效果顯著。以活性炭為載體吸附光合細(xì)菌和有益菌堅(jiān)強(qiáng)芽孢桿菌y5處理養(yǎng)殖廢水48 h后，水中COD、氨氮、亞硝態(tài)氮及硝態(tài)氮含量均明顯降低。將處理48 h后的廢水倒出后加入未處理的養(yǎng)殖廢水，觀察混合菌固定化體系的后續(xù)處理效果，結(jié)果表明依然具有較好的處理效果，表明活性炭負(fù)載微生物可以應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中改善水質(zhì)，且在實(shí)際生產(chǎn)中可以循環(huán)使用[34]。在食品工程中，活性炭負(fù)載微生物可用于食品增鮮。采用聚乙烯醇-海藻酸鈉-活性炭作為壁材的包埋法對工程化大腸桿菌進(jìn)行固定化可以有效保持基因工程菌大腸桿菌的酶活力和機(jī)械穩(wěn)定性[35]。

綜上所述，活性炭作為載體固定化微生物在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用廣泛，綜合性能較為優(yōu)良。且其本身極強(qiáng)的吸附性為污染物的去除提供基礎(chǔ)，可以忽略的毒性使其可以應(yīng)用在食品工程領(lǐng)域。由于活性炭和生物炭的性質(zhì)較為接近，在應(yīng)用過程中二者可以相互參照。

2.3 碳納米管

碳納米管是由具有sp2雜化結(jié)構(gòu)的石墨片層卷曲而成的工程碳納米材料?？梢苑譃閱伪谔技{米管和多壁碳納米管。碳納米管具有較大的比表面積、較好的蛋白質(zhì)親和力和較高的機(jī)械強(qiáng)度等特性，為其承載微生提供了巨大優(yōu)勢。此外，碳納米管極高的長徑比、分子光滑的疏水石墨壁和納米級內(nèi)徑有助于微生物更好附著在碳納米管上[36]。碳納米管的快速電極動力學(xué)和精細(xì)的電導(dǎo)率可以促進(jìn)微生物和污染物之間的電子轉(zhuǎn)移，有助于污染物的去除[37]。

碳納米管負(fù)載微生物在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，且主要集中在重金屬污染物的去除方面。采用多壁碳納米管、海藻酸鈉和聚乙烯醇包埋法固定化銅綠假單胞菌，固定后對膠珠進(jìn)行冷凍以提高機(jī)械強(qiáng)度，將膠珠置于80 mg·L-1的Cr6+中時，固定化細(xì)菌在84 h 內(nèi)減少50%，但在此濃度下游離細(xì)胞失活；把濃度降低將膠珠置于50 mg·L-1的Cr6+中時，膠珠可以重復(fù)利用9次，前5次還原效率在90%以上，最后還原效率在65%以上。并且研究發(fā)現(xiàn)微生物分泌的還原酶介導(dǎo)的細(xì)胞外還原和碳納米管誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)電子向Cr6+的加速轉(zhuǎn)移可以促進(jìn)Cr6+的還原[38]。該實(shí)驗(yàn)證明碳納米管固定化微生物可以提高細(xì)菌對Cr6+的耐受性，使細(xì)菌得以重復(fù)利用。采用海藻酸鈉和碳納米管包埋法固定化希瓦氏菌Mr-1，與游離細(xì)胞和不含碳納米管的細(xì)胞珠相比，海藻酸鈣珠-碳納米管-細(xì)胞膠珠對Cr6+的還原率高出4倍，主要?dú)w因于碳納米管增強(qiáng)了電子轉(zhuǎn)移，而且碳納米管的加入極大地提高了膠珠的穩(wěn)定性，這可以使海藻酸鈣珠-碳納米管-細(xì)胞膠珠的重復(fù)使用具有很高的可行性[39]。碳納米管可多次重復(fù)使用的特性，可以大大提高其利用率。用碳納米管、海藻酸鈉和蒽醌-2、6-二磺酸鹽（AQDS）包埋法固定化鈾還原菌地桿菌、假單胞菌和芽孢桿菌用于去除鈾污染，向20 mg·L-1的U6+中加入含有0.7%AQDS-碳納米管的AQDS-碳納米管-鈾還原菌膠珠后，在8 h 內(nèi)對U6+去除率超過97.5%，而單獨(dú)的細(xì)菌對U6+去除率小于50%，表明碳納米管包埋微生物對U6+去除效果顯著[40]，碳納米管固定化微生物對放射性元素污染有一定的修復(fù)作用。

可見，在污染物去除的應(yīng)用中碳納米管往往與其他載體配合使用。但值得注意的是，納米毒理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)碳納米管具有一定的毒性，且其具有生物不可降解性，所以應(yīng)該密切關(guān)注其在使用過程中產(chǎn)生不良因素的影響。除此之外，碳納米管的產(chǎn)能較低也限制了其作為固定化微生物載體的應(yīng)用范圍。

2.4 石墨烯及其衍生物

石墨烯是由碳原子以sp2雜化軌道構(gòu)成的二維層狀碳納米材料[41]。其結(jié)構(gòu)上為納米級厚度的薄片，具有相當(dāng)高的表面積。夾層的納米碳結(jié)構(gòu)可容納更多的細(xì)胞，且易于薄片表面和微生物細(xì)胞間形成大量的化學(xué)鍵，使微生物更好地吸附在石墨烯表面，提高固定化微生物的負(fù)載效率[42]。石墨烯還能有效的與蛋白質(zhì)和低分子量生物調(diào)節(jié)劑相互作用，為微生物的生長發(fā)育提供良好的環(huán)境[43]。此外，石墨烯的衍生物氧化石墨烯和還原氧化石墨烯具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，較大的比表面積，豐富的表面官能團(tuán)，優(yōu)異的導(dǎo)電性和獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用作為微生物固定化載體[44]。

石墨烯負(fù)載微生物主要應(yīng)用在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域用于污染物的去除。石墨烯復(fù)合微生物菌劑能夠明顯促進(jìn)土壤中多環(huán)芳烴的微生物降解效率。研究表明以石墨烯和海藻酸鈉為壁材包埋法固定HPD-2 菌制成的微珠與高濃度多環(huán)芳烴土壤共培養(yǎng)35 d 后，對原土中12 種多環(huán)芳烴的總降解率高達(dá)70.31%；復(fù)合微生物菌劑明顯增加了土壤中細(xì)菌群落數(shù)量，提高了土壤中芘雙加氧酶基因和多環(huán)芳烴降解相關(guān)的功能基因的豐度[45]。通過自由基聚合方法將甲基丙烯酸和甲基丙烯酸丁酯共聚物修飾到氧化石墨烯表面，并通過改性石墨烯表面的官能團(tuán)將脫氮副球菌進(jìn)行固定，形成新的固定化微球。該微球集吸附與降解于一體，在10，14 h內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)初始濃度1 000，2 000 mg·L-1的N，N－二甲基甲酰胺（DMF）溶液的完全處理，并不需經(jīng)任何處理，在3 次循環(huán)使用后，對高濃度DMF（2 000 mg·L-1）的去除率仍可達(dá)到100%[46]。用氧化石墨烯溶液培養(yǎng)腐敗希瓦氏菌CN32，開發(fā)了自組裝生物還原氧化石墨烯水凝膠（BGH），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CN32-BGH 可以在20 h內(nèi)將Cr6+還原為Cr3+，而且固定化細(xì)胞對Cr3+的還原率和去除效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于懸浮細(xì)胞[47]。用還原性氧化石墨烯吸附法固定洋蔥伯克霍爾德氏菌能夠?qū)兹甘G進(jìn)行生物降解60 h 后孔雀石綠去除率達(dá)到98.5%，顯著高于單獨(dú)培養(yǎng)細(xì)胞的去除率87.7%[48]。上述說明石墨烯固定化微生物在污染物去除方面效果顯著。

石墨烯依靠物理吸附、靜電吸引、沉淀或化學(xué)反應(yīng)等能夠吸附水中的重金屬離子、放射性元素和陰離子等無機(jī)污染物；對污水中的有機(jī)污染物可以通過范德華力、π-π 鍵、靜電作用、氫鍵、陰離子-陽離子作用等將它們?nèi)コ齕49]。這使得石墨烯負(fù)載微生物在污染物去除方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，值得關(guān)注的是石墨烯鋒利的邊緣可能會對細(xì)胞造成物理損傷，而且有研究表明石墨烯能誘導(dǎo)ROS 活性氧水平升高[50]。石墨烯覆蓋在細(xì)胞表面還可能對傳質(zhì)效率造成影響[51]。除此之外，產(chǎn)能問題且具有一定的毒性阻礙了石墨烯作為固定化載體的發(fā)展。針對產(chǎn)能和毒性問題研發(fā)新的石墨烯衍生物和石墨烯復(fù)合載體是加強(qiáng)石墨烯應(yīng)用的切入點(diǎn)。

3 展望

為長效保持微生物初始特性和功能，載體固定化微生物技術(shù)被認(rèn)為是制備微生物制劑一個很有前途的發(fā)展方向。碳質(zhì)材料本身的結(jié)構(gòu)與功能成為其作為固定化載體的基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)方面，碳質(zhì)材料以其高穩(wěn)定性，較大的比表面積，豐富的含氧官能團(tuán)等諸多特性使其具有巨大優(yōu)勢，被認(rèn)為是一種較為理想的固定化載體。在功能方面碳質(zhì)材料具有較大的傳質(zhì)率，較高的生物親和力以及兼容性使其能夠?yàn)槲⑸锏脑鲋澈桶l(fā)育提供優(yōu)異的環(huán)境。并且碳質(zhì)材料豐富的官能團(tuán)（如羧基、胺、羥基、磷酸鹽和巰基）通過靜電相互作用、陽離子-π 相互作用、離子交換、表面絡(luò)合和沉淀作用有效提高了污染物的去除效率。

目前，基于碳質(zhì)材料載體的微生物固定化技術(shù)仍需從4 個方面加強(qiáng)研究：（1）采用包埋法的微生物固定化技術(shù)對載體的成型性能、傳質(zhì)性能和機(jī)械強(qiáng)度等要求較高。在滿足承載微生物密度和生物活性要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)該加強(qiáng)載體的改性研究或者單一載體的配伍以獲得生產(chǎn)實(shí)際所需的特定性能的新型載體。（2）單一載體往往難以滿足生產(chǎn)中對固定化復(fù)合物多性能的需要，在國家綠色可持續(xù)發(fā)展理念的指引下，挖掘以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料的生物炭等綠色載體的研究與開發(fā)，不斷優(yōu)化固定化配方和制備條件，同時在改性、功能化、緩慢可控等方面加強(qiáng)工程應(yīng)用研究。（3）環(huán)境污染物種類繁多，性質(zhì)各異，應(yīng)該加強(qiáng)針對單一或同時針對多種污染物防治的碳質(zhì)材料固定化微生物的多樣化和專用化產(chǎn)品開發(fā)。加強(qiáng)碳質(zhì)材料物理化學(xué)結(jié)構(gòu)與污染物分子性質(zhì)內(nèi)在關(guān)系研究。（4）加強(qiáng)各種碳質(zhì)材料的制造原料的開發(fā)，同時在制造技術(shù)上向大型化、自動化、連續(xù)化和無公害方向轉(zhuǎn)化。在載體的微細(xì)結(jié)構(gòu)、孔徑分布和理化性質(zhì)等方向加強(qiáng)研究，使碳質(zhì)材料載體的應(yīng)用領(lǐng)域從環(huán)境污染物防治向有機(jī)溶劑回收、公害防治等方向延伸。