综述:菌丝颗粒的构效关系及其在废水处理中的功能

【字体: 时间:2025年04月22日 来源:Bioresource Technology 9.7

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  本文围绕菌丝颗粒(MPs)展开,综述其在废水处理中的应用、机制及优势,更新了 MPs 制备优化、结构特征等基础理论,分析了 MPs 在降解、吸附和作为生物载体方面的功能,探讨现存问题并展望未来研究方向。

  

引言


传统废水处理设施在去除持久性有毒污染物(如重金属和新兴污染物)方面效果有限,因此需要开发先进的生物材料。真菌因其发达的菌丝、丰富的胞外聚合物(EPS)和强大的功能酶系统,成为污染物修复的有潜力的候选者。在浸没培养条件下,丝状真菌会呈现多种形态,其中菌丝颗粒(MPs)是一类新型的自固定化微生物材料,由菌丝缠绕和 EPS 自粘形成,呈球形或椭圆形。它克服了分散菌丝生长的诸多限制,在废水处理领域前景广阔。

自 21 世纪初以来,MPs 因其对污染物的高效吸附和生物降解能力而受到关注。近年来,研究重点逐渐转向复合 MPs,将细菌、生物炭、微藻和纳米颗粒等与之结合,凸显了其作为生物添加剂增强颗粒污泥性能的作用。然而,MPs 技术在发展过程中仍面临一些问题,如生产成本高、机械稳定性和表面功能性不足、使用寿命有限以及废弃 MPs 的安全处置和资源回收困难等,且缺乏标准化应用指南,同时对 MPs 优异性能的根本原因及构效关系也缺乏系统总结。

造粒类型


MPs 的形成主要依赖于造粒核心的存在。根据造粒核心的性质,可分为两种主要的造粒机制:孢子生长型和菌丝片段生长型。其中,孢子生长型研究相对更广泛,根据孢子凝聚行为又可进一步细分为凝聚型、非凝聚型和菌丝元素聚集型。

菌丝颗粒在水处理中的多种功能


MPs 独特的聚集结构和优良的表面性质为污染物提供了丰富的吸附位点。此外,其含有的丰富的特异性和非特异性酶,以及还原蛋白,使其成为降解有机污染物的理想选择。随着研究的深入,研究者们已从单独研究 MPs,转向开发以 MPs 为载体的全功能复合系统。MPs 主要有吸附、生物降解和生物载体这三种功能。

研究展望与挑战


目前,关于 MPs 及其复合材料的研究取得了显著进展,对 MPs 的造粒机制、优化方法、结构和表面性质等进行了系统研究,初步建立了 MPs 的基础理论体系。然而,MPs 技术仍局限于实验室规模研究,向工业规模应用转化面临诸多挑战,其中高效且经济的大规模生产是关键问题之一。

结论


本综述更新并总结了 MPs 技术的基础理论体系,强调了其作为废水处理可持续解决方案的潜力。基于 MPs 的高生物活性、独特的聚集结构和优良的表面性质,其在吸附、生物降解和作为生物载体这三方面的关键功能,使其在水处理领域得到了广泛应用。利用 MPs 三维骨架构建的多功能复合系统展现出了巨大优势,但 MPs 技术在迈向实际应用的过程中,仍需解决当前面临的一系列问题,推动该技术不断发展完善。

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