细胞固定化技术的研究进展

固定化微生物技术在环境工程中的应用研究进展张露翔摘要：固定化微生物技术在环境工程中的应用已经起到了相当可观的效果，在废水处理工作中，固定化的微生物细胞效果远远超过了游离状态的微生物对废水处理的效果。

固定化微生物技术对于大气污染和土壤污染的处理也正处在实验阶段。

本文较为详细阐述了固定化微生物技术在环境工程中的相关应用，现阶段，固定化微生物技术主要被采用到废水的处理中，其效果明显比游离状态下的微生物效果要好，因此，在我国的到了广泛的应用。

其次，本文还对固定化微生物在大气污染和土壤污染方面的研究与应用进行了相关阐述。

关键词：固定化微生物技术；环境工程；应用研究固定化微生物技术诞生的时间并不长，该技术的优点是不需要把酶进行纯化，操作也相对简单，现今阶段，固定化微生物技术主要被应用到环境工程当中，暂时还没有涉及到其它领域。

经过多年的理论与实践探究，目前，我国的固定化微生物技术在对废水的处理上已经取得了一定的成果，对于固定化微生物技术的实行是充分发挥其自身优点，采用相应的载体进行承载，固定化微生物技术的载体主要分为有机载体和无机载体。

于此同时，也在研究固定化微生物技术在大气污染处理和土壤污染处理等方面的表现。

一、固定化的方法及载体固定化的方法按照载体使用的划分可划分为两大类，既有载体固定化方法和无载体固定化方法。

无载体固定化方法正在发展当中，技术手段尚且不成熟，现阶段我国通常采用有载体的固定化方法[1]。

有载体的固定化方法大致可以分为几种，既交联法、吸附法、共价结合法和包埋法等方法。

（一）交联法交联法的反应过程激烈，是使微生物细胞与2个以上功能团进行非水溶性交联，反应稳定性相对较好，可同时也会在一定程度上使细胞的活性降低。

（二）吸附法吸附法是指依靠载体自身的吸附能力，利用其自身的静电与微生物细胞相互吸引，以达到将其固定的目的，优点是操作相对简单，对细胞的活性影响较小，并且使载体可以重复利用，也是最传统的方法。

环境生态huan jing sheng tai155固定化微生物技术在环境工程中的应用研究进展◎严家强摘要：固定化微生物技术在环境工程中的应用发挥了重要作用。

在废水处理中，固定化微生物细胞的作用远大于分散微生物的作用。

目前，固定化微生物技术在废水、大气和土壤环境工程的处理过程中得到了有效应用。

基于此，本文总结固定化微生物载体的选择，阐述了固定化微生物技术的应用和发展过程。

关键词：固定化微生物；环境工程；研究进展由于这项技术不需要从细胞中提取纯化酶，酶的活性只会略有损失。

相关研究表明，固定化微生物具有微生物损失少、反应速度快、操作简便等优点。

随着环境污染的日益加重，固定化微生物技术广泛应用于环境研究中，特别是废水处理。

经过多年的理论和实践研究，目前我国固定化微生物技术在环境治理方面取得了一定的成果。

一、微生物固定化的方法和载体微生物固定化的方法。

目前，微生物固定化的形式多样，但大致可分为四种：包埋法、吸附法、连接法和共价结合法。

第一，就包埋法而言将微生物限制在凝胶的微小格子或者受限的空间里使微生物细胞在多孔介质中扩散进入载体内部，让基质深入，产物分散。

包埋法固定化的操作比较简单，对微生物活性的影响很小，颗粒强度大，是目前应用较多的一种方法。

但是会在一定程度上阻止底物和氧气的扩散，不适合大分子底物；第二，吸附法是通过带电微生物细胞与载体之间的静电、表面张力和粘附力的作用进行的，使微生物细胞附着在载体表面形成生物膜。

该方法是物理吸附，操作简便，条件温和，微生物固定化过程有对细胞活性影响不大，但固定化微生物数量受载体类型和表面的限制，组合不够牢固，响应稳定性和重复性低；第三，交联法，也称为无载体固定化法，是利用微生物中酶分子的氨基和羟基，与分子功能相关者反应形成共价键，在微生物之间形成网络结构，实现微生物的不动性。

可分为物理施肥和化学施肥[1]。

第一种是指在微生物培养过程中培养条件的改变，使细菌之间直接造粒和固定，同时形成合适的代谢环境。

延伸阅读1 细胞固定化技术1.1细胞固定化技术概要1.1.1 固定化细胞[1]固定化细胞是在固定化酶的基础上发展起来的新技术，即一项利用物理或化学手段将游离的微生物（细胞）或酶，定位于限定的空间区域，并使其保持活性且能反复利用的技术。

由于固定化细胞保持了细胞的生命活动能力，它不但比游离细胞的发酵更具有优越性，而且比固定化酶有更多的优点，因为固定化细胞省去了制备酶或含酶细胞处理过程所需要的完整酶系.并能不断产生新酶及其所需的辅助因子，而且固定化方法较简单，成本也较低。

1.1.2 固定化细胞的优缺点[2]固定化细胞主要具有6个优点：一是不需要将酶从微生物细胞中提取出来并加以纯化，酶活力损失小、成本低。

二是细胞生长停滞时间短，细胞多、反应快，抗污染能力强，可以连续发酵，反复使用，应用成本低。

三是酶处于天然细胞的环境中，稳定性高。

四是使用固定化细胞反应器，可边加入培养基，边培养排出发酵液，能有效地避免反馈抑制和产物消耗。

五是适合于进行多酶顺序连续反应。

六是易于进行辅助因子的再生，因而更适合于需要辅助因子的反应，如氧化还原反应、合成反应等。

当然，固定化细胞也存在一些缺点，主要表现为：必须保持菌体的完整，防止菌体的自溶，否则会影响产物的纯度；必须抑制细胞内蛋白酶的分解作用；由于细胞内有多种酶存在，往往有副产物形成。

为防止副产物必须抑制其他酶活力；细胞膜或细胞壁会造成底物渗透与扩散的障碍。

1.2固定化细胞的特性[2]1.2.1 形态学特征固定化细胞多为球形颗粒，但也有制成立方块或膜状的。

用吸附法时，则取决于吸附物质的形状。

在球形固定凝胶内，细胞的分布并不均匀，而是接近于球的外表面。

有时细胞会在凝胶内的小泡中繁殖，直到最后充满整个可利用的空间。

1.2.2 生理学特征固定化细胞必需具有生命活力，因此创造良好的细胞载体或基质，选择恰当的固定化方法和生物反应器，最佳的反应溶液和周围微环境，维持细胞适度的生长和繁殖等尤为重要。

一、实验目的1. 了解细胞固定化的原理和方法。

2. 掌握固定化酶和固定化细胞的制备技术。

3. 研究固定化酶和固定化细胞在催化反应中的性能。

二、实验原理细胞固定化是将酶或细胞固定在固体载体上，使其在反应过程中保持活性，并便于与反应物和产物分离。

固定化酶和固定化细胞具有以下优点：1. 增加酶或细胞的稳定性，延长使用寿命。

2. 实现酶或细胞在反应过程中的重复使用。

3. 降低反应物的损失，提高产率。

4. 实现连续化、自动化生产。

三、实验材料与试剂1. 实验材料：大肠杆菌、酵母菌、固定化酶载体、固定化细胞载体。

2. 实验试剂：葡萄糖、酵母提取物、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、氯化钠、CaCl2、海藻酸钠、葡萄糖标准溶液、苯酚、硫酸铜、氢氧化钠、盐酸、氢氧化钠标准溶液。

四、实验步骤1. 固定化酶制备（1）将大肠杆菌接种于含有葡萄糖、酵母提取物、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、氯化钠的培养基中，培养24小时。

（2）收集菌体，用CaCl2溶液处理，得到固定化酶。

（3）将固定化酶与葡萄糖标准溶液进行酶活性测定，比较固定化酶和游离酶的催化性能。

2. 固定化细胞制备（1）将酵母菌接种于含有葡萄糖、酵母提取物、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、氯化钠的培养基中，培养24小时。

（2）将酵母菌用海藻酸钠溶液固定，得到固定化细胞。

（3）将固定化细胞与葡萄糖标准溶液进行酶活性测定，比较固定化细胞和游离细胞的催化性能。

3. 固定化酶和固定化细胞催化反应（1）将固定化酶和固定化细胞分别与葡萄糖标准溶液进行催化反应，观察反应速率。

（2）比较固定化酶和固定化细胞在催化反应中的性能差异。

五、实验结果与分析1. 固定化酶制备结果通过实验，成功制备了固定化酶，其酶活性比游离酶高，稳定性好。

2. 固定化细胞制备结果通过实验，成功制备了固定化细胞，其酶活性比游离细胞高，稳定性好。

3. 固定化酶和固定化细胞催化反应结果固定化酶和固定化细胞在催化反应中表现出良好的性能，反应速率较快，稳定性好。

酵母细胞固定化实验的实验总结酵母细胞固定化实验是高中生物选修一中的一个操作实验。

通过必修一和选修一的学习，学生已经掌握了酶的概念、特性、影响活性的因素、传统发酵技术等有关知识和酶制剂在生产中的一些应用，也了解了固定化酶和固定化细胞技术及其应用。

本实验旨在通过学生动手操作了解固定化细胞的包埋法，并在活动中理解和体会生物技术的魅力和与我们生活的密切关系。

一、选择适合配方本试验成功的关键是海藻酸钠溶液的配置，其配方在不同的教材中存在差异。

苏教版教材中海藻酸钠溶液的配方是：4克聚乙烯醇和0.2克海藻酸钠，加入40 ml无菌水，适当加热至完全溶化。

聚乙烯醇是一种胶黏剂，它和海藻酸钠构成的联合载体包埋效果较好，但是聚乙烯醇对人体有害，吸入、摄入或经皮肤吸收后对身体有害，对眼睛和皮肤有刺激作用。

人教版上的配方：称取0.7 g海藻酸钠，放入10 ml水加热溶解。

二、实验操作中常遇到的问题1.关于加热本实验中海藻酸钠为固体粉末，需要加热促进其溶解。

直接用酒精灯对烧杯进行加热，为防止海藻酸钠焦糊要用小火，或者间断加热。

通过学生实验我们发现中这种方法不易操作，学生不好掌握间断加热的时间间隔，造成加热时间延长，是整个实验时间加长。

改用水浴加热：在酒精灯石棉网上放一个500ml大烧杯，向烧杯中注入事先加热至70℃～80℃的热水，另取一个50ml小烧杯，向小烧杯中加入海藻酸钠和蒸馏水，将小烧杯放入大烧杯中水浴加热，并边加热边搅拌，可大大缩短加热时间。

2.海藻酸钠的结块和粘壁问题海藻酸钠粉末在水中易结块不宜溶解，加热溶解后易粘到玻璃棒和烧杯壁上，使溶液不易定容至10ml。

解决方法：（1）注意试剂放入烧杯的顺序：配置海藻酸钠溶液时先称量海藻酸钠粉末放入烧杯中，再向烧杯中加入蒸馏水覆盖住海藻酸钠粉末。

（2）调整加入蒸馏水的量：教材中要求加入10ml蒸馏水，但加热溶解海藻酸钠时这个比例比较黏稠，搅拌不动。

而由于加热过程中水分的蒸发使烧杯中的蒸馏水减少，更增加了海藻酸钠的黏稠度，使之粘在玻璃棒和试管壁上，加热后不易定容。