（工业催化专业论文）复合微生物产絮凝剂的絮凝性能研究.pdf

中文摘要 微生物絮凝剂是主要的天然高分子絮凝剂，具有无毒，无害，无二次污染， 能在絮凝沉降的同时进行生化降解的优点，是正在广泛使用的铁盐絮凝剂、铝盐 絮凝剂和聚丙烯酰胺类高分子絮凝剂所不具备的。随着工业的发展和人们生活水 平的提高，对处理后水的质量提出了更高的要求，现常用的絮凝剂已经难以满足， 而拥有诸多优势的微生物絮凝剂的研究与开发就越来越受到关注。 本研究就是通过对复合菌群( e m ) 的培养，促使其产出复合微生物絮凝剂， 然后进行絮凝剂的絮凝特性的研究，并寻找和筛选降低复合微生物絮凝剂制备成 本的途径。实验结果证明，培养的复合菌所产的絮凝剂对高岭土悬浮液有相当高 的絮凝性能，絮凝率可高达9 0 ；若有适合的金属阳离子助凝，则絮凝率会进 一步提高。而且新型的复合微生物絮凝剂对被絮凝液的p h 值大小不敏感，即可 在p h 为2 1 2 之间达到9 2 以上的絮凝率。另外，该复合微生物絮凝剂具有良 好的热稳定性，可在室温至1 0 0 范围内使用 降低复合微生物絮凝剂的制备成本也是本研究的重要内容之一，采用多种农 产品下脚料作为培养基替代物，并分别进行实验。实验结果表明，麦麸和红糖水 作为培养基培养的微生物产出的絮凝剂的絮凝活性较好，絮凝率在9 0 以上， 同样具有适用的p h 范围宽和热稳定性好的优点。 还利用生化反应和红外光谱等手段对制备的微生物絮凝剂进行了初步的分 析和鉴定，结果表明应是一种多糖类物质。并在此基础上，对本研究涉及的絮凝 机理进行了初步探讨，其絮凝机理应为电性中和、吸附架桥的共同作用结果。 关键词：复合微生物菌液，絮凝率，多糖，廉价培养基，絮凝机理 a b s t i 认c t b i 0 丑o c c u l a n ti sai m p o r t a n tc r u d em a c r o m o l e c u l a rf l o c c u l a n t i th a ss u c h a d v a n t a g e s ：n ot o x i c i t y , n os e c o n dp o l l u t i o na n db i o - d c c u m p o s uo r g a n i cp o l l u t a n t w i t hf l o c c u l a t i n ga n ds e d i m a n t a t i n g b u ta l lt h em o s tp o p u l a rf l o c c u l a n t sn o wu s e d i n c l u d i n gi r o ns a l t 、a l u m i n u ms a l ta n dp o l y a c r y l a m i d ef l o c e u l a n th a v e1 1 0t h e s e a d v a n t a g e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n dt h ei m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e s u v i n gs t a n d a r d , t h er e q u e s to f w a t e r q u a l i t ya f t e rt r e a t o db e c o m em o l ea n dm o l e s t r i c t b u tt r a d i t i o n a lf l o c c u l a n t s 啪n o tf h l f i li t s os t u d ya n de x p l o i t u r eo fb i o f l o c c u l a n t b o m em o r ea n dm o r ea t t e n t i o n - g e t t i n g t h er e s e a r c hi sa b o u tf l o c c u l a t i n gp r o p e r t yo fb i o f l o c c u l a n tp r o d u c e db y c o m p l e xm i c r o o r g a n i s m ，a n ds e a r c h i n ga n ds c r e e n i n g aw a yo fd e b a s i n gp r o d u c ec o s t o fb i o f l o c c u l a n t t h er e s u l tp r o v e st h a tt h eb i o f l o c c u l a n th a sag o o df l o c c u l a t i n g a c t i v i t y t os u s p e n s i o no fk a o l i n e ，f r a c t i o n a lf l o c c u l a t i o nr a t ei s9 0 ；f r a c t i o n a l f l o c c u l a t i o nr a t ew i l lb ei m p r o v e d0 nc o n d i t i o no fe x i s t e n c eo fs e e m l yc a t i o n s n e w c o m p l e xb i o f l o c c u l a n ti sn o ts e n s i t i v et op ho fs o l u t i o n ，f r a c t i o n a lf l o c c u l a t i o nr a t ei s o v e r9 2 i np hb e t w e e n2a n d1 3 m o r e o v e r , t h i sb i o f l o c c u l a n ti sh e a t - r e s i s t a n t w e l l ，a n dc a n b eu s e di nr a n go ft e m p e r a t u r ef r o mr o o mt e m p e r a t u r et o1 0 0 c d e b a s i n gp r o d u c ec o s to fb i o f l o c c u l a n ti sa l s oo n ei m p o r t a n tc o n t e n to ft h i s r e s e a r c h m a n yl e f t o v e rf a r mp r o d u c ea l eu s e da ss u b s t i t u t eo fc u l t u r em e d i u m i t r e s u l t st h a tc o m p l e xm i c r o o r g a n i s mt r a i n i n gi nw h e a th a s ta n db r o w ns u g a rc u l t u r e m e d i u mh a v ef l o c c u l a t i n ga c t i v i t y , a n df r a c t i o n a lf l o c c u l a t i o nr a t ei so v e r8 5 t h e s e b i o f l o c c u l a n ta l s oh a v eaw i d ep hr a n ga n dag o o dh e a t - r e s i s t a n tp r o p e r t y t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h i sb i o f l o c c u l a n ti sas o r to fa m u s eb yb i o c h e m i s t r y r e a c t i o na n di r f l o c c u l a t i n gm e c h a n i s mi sa l s od i s c u s s e do nt h eb a s e f l o c c u l a t i n g m e c h a n i s mo ft h i sb i o f l o c c u l a n ti sh a n g i n gt o g e t h e rc h a r g en e u t r a l i z a t i o na n d a d s o r p t i o nb r i d g e k e y w o r d s ：c o m p l e xm i c r o o r g a n i s m ，f r a c t i o n a lf l o c e u l a t i o nr a t e ，a m y l o s e ， c h e a p e rc u l t u r em e d i u m , f l o c c u l a t i n gm e c h a n i s m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：冰萄 签字目期：枷5年j 月哗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权丢洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：张嫡 导师签名： 嗄次 签字日期：内唏) 月砷日签字日期：矽绰上月2 手日 第一章文献综述 第一章文献综述 水是生命之源，万物之本，是人类和生物赖以生存不可缺少的物质，是发展 工业的重要条件和农业的命脉随着人口的增长和工农业的高速发展，我国每年 的用水量和污水排放量也在增加，而有限的地表水和地下水资源又不断被污染， 加上地区性的水资源分布不均和周期性干旱，导致淡水资源日益短缺，水资源的 供需矛盾日益尖锐。为了缓解这一矛盾，国家采取了一系列措施：提高水价，以 促使人们节约用水；远距离跨地区调水，如引黄入津工程等；污水处理。 污水处理的方法很多，如絮凝沉淀法、生化法、离子交换法、吸附法、化学 氧化法、电渗析法等等。其中应用最广泛、成本最低的处理方法是絮凝沉淀法。 1 1絮凝剂的发展 絮凝沉淀法就是向废水中投加絮凝剂，在絮凝剂的溶解和水解产物作用下， 使水中的胶体污染物和细微悬浮物脱稳并聚集为具有可分离性的絮凝体的过程。 絮凝沉淀技术是目前国内外普遍使用的一种水质处理的前置单元操作技术，是一 种既经济又简便的水处理技术。因此絮凝剂的选择是该工艺的核心和关键部分， 其性质直接影响絮凝效果。 絮凝剂根据组成可分为三类o , 2 1 ( 1 ) 无机絮凝剂主要是铝、铁盐类化合物， 包括以下系列：聚合氯化铝( p a c ) 、聚合硫酸铁( p f s ) ，聚合硫酸铝( p a s ) 、聚合 氯化铁( p f c ) 、聚合磷酸铝( p a p ) 、聚合磷酸铁( p f c ) 、活化硅酸( a s ) 和聚合硅酸 ( p s ) 等。当前常用的无机絮凝剂多是聚合氯化铝和聚合硫酸铁；( 2 ) 有机合成 高分子絮凝剂( 聚丙烯酰胺、聚二甲基二烯丙基氯化铵、季胺盐等) 。无机絮凝剂 和有机合成高分子絮凝剂又统称为传统絮凝剂。( 3 ) 天然絮凝剂包括天然高分 子物质( 如改性淀粉、甲壳质、木质素等) 和微生物絮凝剂，微生物絮凝剂是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一类由微生物产生的有絮凝活性的代谢产物，主要有糖蛋 白、多糖、蛋白质、纤维素和d n a 以及有絮凝活性的菌体等。 1 l l 无机絮凝剂 无机絮凝剂是最早使用的第一代絮凝剂，它应用范围非常广泛。按金属盐可 分为铝盐系及铁盐系两类。现在使用最普遍的是聚合氯化铝( p a c ) 和聚合硫酸铁 ( p f s ) 。 ( 1 ) 聚合氯化铝( p a c ) 。 第一章文献综述 聚合氯化铝( p a c ) 是一种优良的无机高分子絮凝剂，它较之硫酸铝、硫酸亚 铁、三氯化铁等净水剂具有用量少、效率高、絮凝体大、沉降快和净水性能好等 优点。处理前后水的p h 值变化小，对水处理设备腐蚀小，因而适用范围广。它用 于高浊度水、低温低浊水、有色水和工业污水，均能得到良好的絮凝效果。， 缺点是聚合氯化铝的生产受原料限制，生产过程长价格也较贵。而且有证 据表明【3 5 1 ，由于铝盐絮凝法产生的污泥广泛应用于农业，导致土壤中铝含量升 高，植物出现铝害，从而影响植物正常生长，甚至死亡；同时伴随这些农作物进 入食物链亦影响到人体的健康，临床上铝中毒主要表现为铝性脑病、铝性骨病和 铝性贫血等，老年性痴呆症即是铝性脑病的一种，产生这种病症主要是因为处理 水中a l ”浓度过高所致。这些毒性绘人类健康带来了很大的危害。 ( 2 ) 聚合硫酸铁( p f s ) 。 聚合硫酸铁( p f s ) 是一种高价铁高分子化合物，它有以下突出特点：絮体 颗粒大，沉降速度快，容易分层澄清，易于过滤；适应性强，适用水体的p h 值范围宽，适用于工业废水和生活污水的处理，对c o d 、色度和硫化物的去除率 高；投药量少，效率高，成本低。在相同条件下，比使用聚铝降低药费2 0 以 上。 缺点是对设备腐蚀性大，处理后水质不稳定，带有颜色。 1 1 2 有机高分子絮凝剂 2 0 世纪6 0 年代开始使用的有机高分子絮凝剂是第二代絮凝剂。聚丙烯酰胺 ( p a i ) 是应用最多的合成有机高分子絮凝剂，最早是m o u r e n 于1 8 9 3 年制得的，占 合成高分子絮凝剂总量的8 0 左右。 聚丙烯酰胺因其良好的水溶性、很高的相对分子质量、良好的粘性容量等， 一直受到人们的重视。在两性高分子的研究上，因分子中酰胺基团的反应活性， 容易根据需要合成出带不同阴、阳离子种类和阴、阳离子比例的两性絮凝剂，用 于不同水质的处理。聚丙烯酰胺两性衍生物，己被广泛用作絮凝剂、污泥脱水剂、 特殊吸附剂及热再生离子交换剂等。 聚丙烯酰胺本身并没有毒，但因合成这些聚合物的单体具有强烈的神经毒 性，有致癌作用。较权威的m c c o l l i s t e r 【6 1 等人的研究表明：对猫和猴进行腹腔 注射、静脉注射或口服时，不管是一次施用还是反复多次施用时，只要在高剂量 的情况下，就会出现神经系统的中毒现象。他们认为在连续吸收时，丙稀酰胺是 一种毒性相当高的物质，建议因工作需要接触丙稀酰胺时，总吸收量应不超过 0 0 0 0 5 m g k g 日，因而使其应用范围受到限制。 2 第一章文献综述 1 1 3 微生物絮凝剂 考虑到上述不利因素，开发安全，无毒，无二次污染的絮凝剂成为近年来科 研工作者的研究热点，因此，微生絮凝剂应运而生。 微生物絮凝剂是一类由微生物或其分泌物产生的代谢产物，它是利用微生物 技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、提取、精制而得的，是具有生物分解性和 安全性的高效、无毒、无二次污染的水处理剂。它主要由微生物代谢产生的各种 多聚糖类、蛋白质，或是蛋白质和糖类参与形成的高分子化合物，能产生微生物 絮凝剂的微生物种类很多，它们大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中。 1 2 微生物絮凝剂的研究 微生物系统中的絮凝作用首次报道是1 8 7 6 年l o u i sp a s t e u r 在l e v u r e c a s s e e u s e 酵母菌中发现的。1 9 8 1 年，欧洲生物技术联盟( e f b ) 将控制污染的微 生物絮凝剂定为环境生物技术，随着8 0 年代生物基因工程领域许多重大突破的取 得，环境工作者开始将生物技术和絮凝技术结合起来，微生物絮凝剂的研制和开 发迅速发展起来。我国也在生物技术中长期发展纲要中将开发微生物絮凝剂 作为明确的方向之一【7 i 。 1 2 1 生物絮凝剂的种类和结构特性 微生物絮凝剂是天然高分子絮凝剂的重要种类，它是微生物在特定培养条件 下，其生长代谢至一定阶段产生的具有絮凝活性的代谢产物和菌体。其主要活性 成分是具有两性多聚电解质的蛋白质，多糖和核酸类生物高分子化合物。 据文献报道的微生物絮凝剂可包括以下3 类州： ( 1 ) 直接利用微生物细胞的絮凝剂。如某些细菌、霉菌、放线菌和酵母菌， 它们大量存在于土壤，活性污泥和沉积物中。 ( 2 ) 利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂。如酵母细胞壁葡聚糖，甘露聚糖、 蛋白质和n 一乙酰葡萄糖胺等成分均可用作絮凝剂。 ( 3 ) 利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂。主要是细菌的荚膜和粘液质，其主 要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物。 1 2 2 微生物絮凝剂产生菌的种类 具有分泌絮凝剂能力的微生物称为絮凝剂产生菌。能产生絮凝剂的微生物有 很多种类，如细菌、放线菌、真菌以及藻类等，这些微生物大量存在于土壤、活 性污泥和沉积物中。现将见诸报道者归纳于表1 - 1 9 第一章文献综述 a e r o m o n a ss p a l c a l i g e n e sc u p u d u s a s p e r g i l l u ss o j a e a s p e r g i l l u sa c h r a c e u s a s p e r g i l l u s p a r a s i t c u s a n a b a e n a s p p c - i a n a b a e n as p n1 4 4 4 a z o m o n a ss p a c i n e t o b a t e r s p , a r t h r o b a c t e r s p 4 9 r o b a c t e r i r m n ，s p a n a b e n o p s 妇c i r c a l a n s a n i r i e l lr e l i c u l a l a 气单胞菌属 e u p e n c i c i n i u mc r u m a c g u $ 协腹产碱杆菌 g e o t r i c h u mc a n d i d u m 酱油曲霉 k l e b s i e l l a t m e u m o n l a e 棕曲霉 寄生曲毒 项圈藻 x 踣b s t e l l as 1 1 m o n a c u sa n t a n a c a r d i nr e s t r i c t a o c a r d i nc a l c a r e a n a c a r d i nr h o d n i i 氮单胞菌 o e r s k c o v i as p 不动细菌属p a e c i l o m v c e ss p 节细菌属p s e u d o m o n a d a e r u g i n o s a 土壤杆菌属p s e u d o m o n a d f l u r e s e e n s b a c i l l u sm e g a t e r i u m 芽胞杆菌 b a c i l l u sl i c h e n i f o r m i s地衣杆菌 b r e v i b a c t e r i a mn s e c t i o h i l u m嗜虫短杆菌 b a c i l l a s p p p 1 5 2 b r o w nr o t f u n g i c o y n eb a c t e r i u mb r e v i c a l e 杆状菌 棕腐真菌 棒状杆菌 c i t r o b o e t e r s p t k f 0 4 c h e i n e l l a s y d o w i 卷霉属 c o r y n e b a c t e r i u m h y d r a c a r b o d a s t u s c o r y n eb a c t e r i u m s p d e s u l f o v i b r i od i s u l f u r i c a n s d e m a t i u m s p p s e u d o m o n a d f a e c a l i c p s i s t u t z e r i r h o d c o c c u se r y t h r o p o l i c r h o d a v u l u ms pp s 8 8 s c h i z o s a c e h a r o m y c e s p o m b e s l a p h y t a c a c c u sa u r e l 口 s o r d a r i a f i m i c o l a s p o r o l a c t o b a c i l l u as p s t r e p t o m y c e sg r i s e m s r r e p t o m y c e sv i n a c e n s w h i t er o o c u n n g i 硫酸盐还原菌 z o o g l o e ar a m i g e r a 暗色孢属 自地霉属 克氏肺炎杆 菌 克氏杆菌属 赤红曲霖 椿象虫诺卡 氏菌 石灰壤诺卡 氏菌 红色诺卡氏 菌 厄氏杆菌属 拟青毒属 铜绿假单胞 菌 莹光假单胞 菌 粪使假单胞 菌 施氏假单胞 菌 红平红球菌 栗洒裂殖酵 母 金黄色葡萄 球菌 粪壳菌属 芽孢乳杆菌 属 灰色链霉菌 酒红色链霉 菌 黄单胞菌属 白霉真菌 生枝动胶菌 4 第一章文献综述 1 2 3 微生物絮凝剂的絮凝机理 关于微生物絮凝剂的絮凝机理，人们提出了许多假说，如g r a d t r e e 的p h b 酯 学说和f r i e d m a n 的菌体外纤维素纤丝学说等。 微生物絮凝剂是带有电荷的生物大分子，其絮凝的机理主要有以下几种，其 中桥联机理学说最为人们所接受。 ( 1 ) 架桥絮凝机理。絮凝剂借助离子键、氢键，同时结合了多个颗粒分子， 因而在颗粒间起了“中间桥梁”的作用，从而使之形成网状结构沉淀下来，l e v y n 在研究a n a b e n o p s i sc i r c a l a r i sp c e 6 7 2 0 1 8 】产生的絮凝剂絮凝膨润土的过程 中，通过测量等温线和z e t a 电位，发现与该理论相符。 吸附桥连机理可以很形象的用下图表示： 容手骂久 絮凝剂黪控 太絮鼍 责j 一 而当高分子絮凝剂用量过大时就会发生下图 裹一个胶体颗粒，使絮凝剂分子之间又趋于稳定 n 飞冉一 所示的情况，多个絮凝剂分子包 ，一从而抑制了悬浮颗粒的沉降。 ( 2 ) 电性中和机理。胶体粒子的表面一般带有负电荷，当带有一定正电荷的 链状生物大分子絮凝剂或其水解产物靠近这种胶粒时，将会中和胶体表面的部分 电荷，减少静电斥力，从而使胶粒间发生磁力碰撞而凝聚。加入金属离子或调节 p h 值可影响其絮凝效果，主要是通过影响其带电性而起作用。 ( 3 ) 卷扫作用。当微生物絮凝剂的投量一定且形成小粒絮体时，可以在重力 作用下迅速网捕，卷扫水中胶粒，从而产生沉淀分离，称为卷扫或网捕作用。这 种作用可看成是一种机械作用，所需絮凝剂量与原水杂质含量成反比。 ( 4 ) 化学反应机理。生物大分子中某些活性基团与被絮凝物质相应基团发生 了化学反应，聚集成较大分子而沉淀下来。通过对生物大分子改性处理，使其添 加或丧失某些活性基团，絮凝活性就大受影响。有学者认为絮凝剂的活性大部分 依赖于活性基团。 此外还有粘质说，酶合学说等絮凝机理，亦可解释部分絮凝现象，从微生物 第一章文献综述 絮凝剂的多样性以及表现出的絮凝范围、广谱性来看，絮凝机理肯定不是单一的， 是多样的。 1 3微生物絮凝剂国内外研究 1 3 1国外研究 微生物系统中的絮凝作用首次报道是1 8 7 6 年l o u i sp a s t e u r 在l e v u r e c a s s e e u s e 酵母菌中发现的。两年后，这种絮凝现象被b o r d e t 在细菌培养液中观 察到【1 0 l 。而最早的絮凝剂产生菌是b u t t e r f i e l d ( 1 9 3 5 ) 从活性污泥中分离出的 z o o g l o e a 菌【1 1 1 ，从而掀起了微生物絮凝剂研究的热潮。 1 9 7 1 年z a j i c 和k n e t t i n g 从煤油中分离出了一株棒状杆菌，该菌可分泌对泥 水具有絮凝作用的多聚物【1 2 】。 1 9 7 6 年n a k a m u r aj 等人对产生絮凝剂的微生物进行了广泛的研究，从霉菌、 细菌、放线菌、酵母菌等菌株中筛选出具有絮凝能力的微生物1 9 种。其中，霉菌 8 种，细菌5 种，放线菌5 种，酵母菌1 种。试验证明，酱油曲霉( a s p e r g i l l u s ) a j 7 0 0 2 生产的絮凝剂的絮凝效果最好，且用量低，易于过滤【1 3 1 。 1 9 8 2 年n o r b e r ga n dg n f o r s 也从活性污泥中分离出z o o g l o e ar a m i g e r a 菌 【1 4 1 。2 0 世纪8 0 年代，日本的仓根隆一郎等人从日本的旱田土壤中分离筛选到红 平红球菌( r h o d o e o c c u se r y t h r o p o l i s ) ，并将菌株产生的微生物絮凝剂命名为 n o c - 1 。1 9 8 6 年k u r a a e 等人利用n o c - i 对大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、粉煤 灰水、活性炭粉水、膨胀污泥、纸浆废水、畜产废水和砖场生产废水等进行试验， 均有极好的絮凝和脱色效果，被认为是目前发现的最好的微生物絮凝剂。它具有 极强的絮凝性i l ”。 随着生物技术的不断成熟，人们分离出的絮凝剂产生菌越来越多。 t a k a g i h 等人研究了拟青毒素( p a e c i l o m y c es p 卜1 ) 微生物生产的絮凝剂 p f 一1 0 1 。证明其对枯草杆菌、大肠杆菌、血红细胞、碳粉、纤维素粉、硅藻土、 活性污泥、啤酒酵母、氧化铝等许多物质具有良好的絮凝效果【l6 】。 k u r a n e 等人从土壤中分离出一株革兰氏阴性菌一产碱杆a l 一2 0 1 ，该菌在含有 蔗糖的培养基中生长并分泌絮凝剂1 1 7 】。 n l e v y 和y b a r 发现一些海底蓝细菌( 蓝藻) 如a n a b e n o p i s i sc i r c u l a r i o p c c 一6 7 2 0 能产生数量可观的胞外絮凝剂，且加入c a c l 2 助剂后，其有絮凝性，不加 助剂c a c l 2 ，其无絮凝性。 y o k o i 1 牡0 1 和h s a l e h i z a d e h 【2 1 1 等从活性污泥中分离出的芽孢菌属等 p y 一9 0 、i f 0 - 3 3 3 5 和a s 一1 0 1 有很高的絮凝性，且a s 一1 0 1 絮凝效果优于p y 9 0 略 6 第一章文献综述 差于n o e - 1 。i l s h i h 等首次从地衣杆菌( b a c i l l u sl i c h e n i f o n n i s ) 中获得的 c c r c l 2 8 2 6 絮凝能力能适应很宽的范围，能用于许多工业【2 2 】。c g a n e s hk u m a r 等首次发现o 日b a c i l l u ss p i - 4 5 0 细胞外分泌物的絮凝剂具有象硅结构一样的多 孔结构 2 3 1 。国外微生物絮凝剂的商业化生产始于9 0 年代。 1 3 2 国内研究 我国微生物絮凝剂研究起步较晚，从1 9 9 3 年才开始这方面的研究。我国首次 系统详细研究微生物絮凝剂的是山东大学的王镇等 2 4 t 从土壤和活性污泥中筛选 分离出四株菌( g c 3 、s b 6 、s b 8 、g c 2 4 ) ，鉴定为g c 3 属芽孢乳杆菌属，s b 6 属节细 菌属，s b 8 属假单胞菌属，g c 2 4 属气单胞菌属。4 株菌对高岭土的絮凝活性为7 9 ( i 0 d 5 5 0 ) 优于n o c - 1 ( 2 5 - 5 6 ) 。生化反应检测：m 卜3 、盱一6 、m f - 8 为核蛋白， m f 一2 4 为糖蛋白。絮凝剂是由菌合成的，而非菌自溶产生。 可是直至u 1 9 9 6 年我国微生物絮凝剂的研究才开展起来。中科院成都生物研究 所的李智良等【2 5 l 从废水、土壤、活性污泥中筛选分离出6 株微生物絮凝剂产生菌 i 一2 3 、1 - 2 4 、i i - 4 、i i i 一2 、1 1 1 - 8 、i i i 一1 2 ，其发酵离心上液对造纸黑液、皮革 废水、偶氮染料废水、硫化染料废水、电镀废水、彩印制板废水、石油化工废水、 造币废水及蓝墨水、碳素墨水等进行的实验表明，废水固液分离效果良好，c o d c r 去除率5 5 9 8 ，悬浮物、色度、浊度去除率9 0 以上。 1 9 9 7 年，南开大学庄源益等【2 啦7 1 从土壤中筛选出6 株对水中染料有较好絮凝 脱色作用的菌株，产生絮凝剂命名为n a t - i 6 。对几种典型染料水溶液进行了探 索性的絮凝实验，对直接黑染料市场废水稀释液脱色率为6 0 左右。利用此絮凝 剂对实际排污河水进行处理，证明其对悬浮水体的处理效果较好，并可用于去除 藻类。 江苏省微生物研究所陆茂林等口8 捌，筛选出3 株絮凝剂产生菌j i m - 1 5 、j i m 一8 9 和j i m 一1 2 7 ，研究了3 株菌的絮凝条件，考察了p b 、c a 2 + 、温度、样品加量等理 化因素对絮凝的影响，以及絮凝剂对不同微生物菌悬浮液的絮凝作用。结果表明， j i m - 8 9 和j i m 一1 2 7 不仅絮凝大肠杆菌，而且对其他细菌和酵母均有一定的絮凝效 果，并初步分析絮凝剂成分为糖蛋白。 随着微生物絮凝剂的研究在我国兴起，研究微生物絮凝剂的人们逐渐增多。 分离出的菌种逐渐增多。 假单胞菌：大连理工富小燕等d o 从活性污泥中筛选分离出1 株具有较高絮凝 活性的菌，初步鉴定为假单胞菌p s e u d o m o n as p g x 4 1 ，该菌产絮凝剂的适宜 培养基及培养条件如下：葡萄糖2 ，酵母膏0 4 ，k h 2 p 0 4 0 4 ，p h7 0 9 0 ， 3 0 ，2 0 0r m i n ，摇床培养2 3d 。产生具有高絮凝活性的絮凝剂，对高岭土 7 第一章文献综述 悬液的絮凝率最高可达9 2 7 。 硅酸盐芽孢杆菌：东北大学胡筱敏，邓述波等【3 l ，3 2 】首次分离、筛选得到高效 絮凝剂产生菌硅酸盐芽孢杆菌a 一9 ，对其培养液的粘性及其絮凝性进行了考察。 对用该菌产生的絮凝剂处理淀粉厂的黄浆废水进行了试验研究。结果表明，a 一9 所产絮凝剂( 培养液) 的絮凝率随粘性的增加而提高，用其处理淀粉厂的黄浆废水 效果明显优于目前常用的聚铝、聚丙烯酰胺等化学絮凝剂。 并且絮凝实验结果表明，用m b f a 9 处理高岭土悬浮液效果明显优于其他种 类m b f ，且不需添加c a 2 + 及a 1 3 + 等助凝剂用量也仅为一般m b f 用量的1 1 0 1 1 0 0 ；提纯分析发现絮凝剂m b f a 9 由含有糖醛酸、中性糖和氨基糖的多糖构成。 动物急毒性试验表明该絮凝剂无急毒反应。 酵母菌：吉林大学程金平等【3 3 】首次从活性污泥中共分离出、筛选出酵母菌， 产生的絮凝剂命名为d t j m - 1 ”研究了“dt j 旷1 ”在不同培养时间的生长情况、 培养液中p h 值变化情况及絮凝活性变化情况得出絮凝活性与菌生长量呈正相关 关系絮凝剂d t j 一l 在菌生长稳定后期达到稳定活性的最高值。 粪产碱杆菌和产气肠杆菌：内蒙古工业大学张通等p 4 】根据内蒙地区土壤特 点，从旱田土壤中筛选出两株l 4 2 粪产碱杆菌和w 2 3 产气肠杆菌对天然碱泥絮凝率 为7 9 8 。首次用来絮凝碱泥。 动胶菌：上海大学黄民生等【3 5 】首次从活性污泥中分离出一株产高活性絮凝 剂的动胶菌属，定名为s h 1 。在试验中用黄豆汁替代酵母膏以及添加m 9 2 + 可明 显提高絮凝效果，并且降低了微生物絮凝剂的生产成本。 黑曲霉：暨南大学余利萍等【3 6 】从活性污泥及土壤中筛选出一株产絮凝剂的 霉菌一黑曲霉，该菌所产絮凝剂对高岭土的絮凝活性可达9 0 以上。黑曲霉的 培养实验表明，其适宜生长的碳源为葡萄糖或蔗糖，氮源为豆芽汁或马铃薯汁； 适宜的初始p h 值为6 0 ；生长与分泌絮凝剂的合适温度范围为3 0 3 4 ；受培养 温度的影响，絮凝效果最好的时间在5 0 6 0 h 。絮凝实验表明，用培养液处理高 岭土悬浊液时有明显的絮凝效果，当废水p h 值为6 o k 右时，絮凝效果最好。 青霉属：湘潭大学石璐等 37 】从活性污泥中分离出的高效絮凝剂产生菌株， 经鉴定为青霉属。本实验首次发现青霉能产生微生物絮凝剂。正交实验找出培养 条件的影响因素分别为摇床水浴温度 培养液初始p h 值 摇床转速 培养基种类。 进一步的实验得出最佳培养条件为：碳源为葡萄糖，氮源为( n h 4 ) 2 s 0 4 。，培养液 初始p h 值为5 0 ，摇床转速为1 4 0 r m i n ，水浴温度为2 8 ，培养时间7 2 h 枯草芽孢杆菌：南京工大姚俊掣3 8 】从土壤中分离出一株枯草芽孢杆菌n x 一 2 ，在含谷氨酸和葡萄糖培养基中絮凝活性高，无则不产生絮凝。首次用核磁共 振手段对样品表征鉴定为y 一聚谷氨酸，研究了枯草芽孢杆菌n x - 2 $ 0 各的生物絮 第一章文献综述 凝剂i r 一聚谷氨酸( t - p g a ) 的絮凝活性。t - p g a 对高蛉土、活性炭等悬浮液具有较 高的絮凝活性，絮凝活性稳定，热稳定性好，用量高于1 0m g l 时适用p h 范围宽， 最适投加浓度为2 0m g l ，加c a 2 + 、m 9 2 + 、f e 3 + 、a 1 3 + 、f e 2 + ，n a + 等金属 离子能不同程度增强t p g a 的絮凝活性，其e ：p c a 2 + 助凝效果最高。使用c a ”作助 凝离子可降i $ t - p g a 用量，但c a 2 + 浓度过高会明显降低t p g a 的絮凝活性。还研 究了t p g a 对电镀废水的处理效果，实验证明t p g a 能有效降低电镀废水中c r 2 + 、 n i + 等离子的浓度。 无花果沙雷氏菌：山东大学的王曙光等p 川：从土壤中筛选得到了l 株絮凝效 果较好的微生物絮凝剂产生菌无花果沙雷氏菌，其产生的絮凝剂对高岭土悬液 的絮凝活性达9 4 1 对该菌株进行了培养条件的优化实验表明该菌株生产 絮凝剂的适宜碳源为乳糖，氮源为酵母膏和尿素，p h 为6 0 8 0 ，无机盐为0 2 的k 2 h p 0 4 和0 5 的k h 2 p 0 4 ，接种量为1 0 ，培养时间为3d ，条件优化后 絮凝活性达到9 6 0 。 总之，目前国内对微生物絮凝剂的研究，已经取得了不小的成绩，已经分离 出很多的菌种，但是大多处在菌种筛选和菌株培养液处理废水的实验室小试阶 段。微生物絮凝剂的研究还存在许多问题。 ( 1 ) 研究过程中大都没有考虑培养基的成本和絮凝剂的产量，而这些因素与 絮凝剂的絮凝活性一样影响微生物絮凝剂的工业化。 ( 2 ) 对一个确定的相对好的絮凝剂产生菌的代谢规律缺少深入研究，尤其是 在对所需结构的絮凝剂的定向培养方面。 ( 3 ) 微生物菌种的来源大都取自自然界，土壤、污泥、废水等处，分离筛选 单菌是一个非常繁琐，费时的工作，而研究复合菌的絮凝情况的并不多。 由以上所述能产微生物絮凝剂的菌种很多，而复合菌群是由光合细菌、酵母 菌、乳酸细菌和放线菌等为主的1 0 个属8 0 多种组成的混合菌，是一个多菌种共生 体系。光合细菌、酵母菌、乳酸细菌和放线菌单菌的絮凝性均有文献报道，根据 马放的有益尝试，复合型菌群理应具有絮凝性能，且现在市场上已有复合微生物 销售，免去从土壤、污泥、废水等处筛选分离的麻烦。 1 4 复合菌群与复合微生物絮凝剂的研究 复合菌群的技术，是近年来逐渐发展起来的- - c 3 新型处理技术。其中最有代 表性的是由日本琉球大学比嘉照夫教授研究开发出的新型复合微生物活性菌剂 e m ( e f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m s ) ：美国的a l e nm u r r a y 公司从生活垃圾中分离和 研制出活性有效微生物菌的c l e a r - f l o 系列微生物菌剂可用于污染水体、土壤、 基质及空气的恢复及净化【4 0 1 。 9 第一章文献综述 复合菌群基于头领效应的微生物群体生存理论和抗氧化学说，以光合细菌为 中心，与固氮菌并存、繁殖，采用适当的比例和独特的发酵工艺仔细筛选出好氧 性和嫌气性的微生物加以混合，培养出多种多样的微生物菌落。复合菌群中代表 性微生物有光合细菌、酵母菌、乳酸细菌和放线菌等为主的1 0 个属8 0 多种h ”。 1 4 一 复合菌群的应用 复合菌群的特点是微生物菌群多，菌群间形成了共生的稳定结构、菌种丰富 使其功能广泛、操作方便、使用安全、无任何毒副作用，在种植业、养殖业、畜 牧业、环境净化等许多领域都有重要的应用。 ( 1 ) 复合菌群在农业上的应用概述 在农业上，复合菌群能加速土壤养分的分解转化，提高土壤肥力，节约肥料， 能使土质松散，促进植物根、茎的生长，提高质量，改善农产品的品质，还可以 有效防治病虫害和杂草危害，提高作物的抗病、抗寒、抗旱能力 4 2 1 。 ( 2 ) 复合菌群在畜牧业上的应用概述 在畜牧业上，复合菌群能提高饲料的营养价值和养分转化能力，抑制病原菌 的生长，促进畜禽的肠道健康，提高消化吸收营养的能力，提高肌体的免疫能力， 提高畜禽产品的质量，可以消除粪便的臭气，清洁养殖环境，从而最大幅度的提 高畜禽的生产效益及环境效益【4 3 】。 ( 3 ) 复合菌群在环境保护上的应用概述 复合菌群作为堆肥研究有很大的进展，堆肥是利用复合菌群微生物，人为地 促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质生化转化过程 4 4 1 。堆肥原料中的物质 成分比较复杂，包括微生物比较容易利用的营养物质，如碳水化合物、蛋白质、 脂肪等，以及不易为微生物分解的物质如纤维素和本质素等。 李捍东等人利用复合菌群对城市生活污水的净化做了研究【4 5 】。表明复合菌 群技术对污水中的有机物去除效果显著，对池塘的水降解能力的研究】发现复 合菌群能够提高生活污水中有机物的降解能力，同时分析了影响有机物去除效率 的主要因素，如投加量的多少、反应时间、p h 值等。这些研究表明，复合菌群技术 能够应用于污水处理，是废水稳定塘治理的一种新方法、新技术。 目前，复合菌群技术可应用于处理含有有机废物及某些无机物的工业废水， 如啤酒厂、肉联厂、味精厂、柠檬酸厂、制药厂等的废水，提高出水水质，从而避 免了这些废水对江河湖泊的污染，保护了环境。 总之，由于复合菌群不是单一的，也不是几种特定的微生物，而是一个由多种 微生物组成的菌群，因此，它比一般的微生物制剂功能齐全，处理效果较为明显， 且运行及维护都比较方便。复合菌群在种植业、养殖业、畜牧业、环境净化等许 1 0 第一章文献综述 多领域都有重要的应用。均是利用复合微生物发酵分解有机物，而复合菌群作为 一个混合菌群，研究絮凝特性的并不多。 1 4 2 复合型菌液絮凝剂的研究 我国马放1 4 7 】等首次进行了复合型微生物絮凝剂的开发，他是首先从活性污 泥和土壤，分离筛选出的4 株絮凝率较高的菌株经鉴定均为芽孢杆菌属。把其中 任意两株混合培养之后，结果发现f 2 和f 6 混合的发酵液的絮凝率。这是复合型微 生物絮凝剂的尝试。 河海大学朱亮等h 8 1 和南通职业大学的国向云等h 孵对复合菌群e m 的絮凝性进 行了简单初步研究。 1 5本试验的研究目的和内容 1 5 1 研究目的及内容 根据以上所述，人们都是在土壤、污泥、废水中筛选分离出单株菌株。复合 型菌液在农业上的应用已经相当广泛，在环境保护上的应用大多是利用复合型菌 液生物降解废物中的有机物，以达到净化环境的目的。而研究复合型菌液产絮凝 剂的并不多见，我国河海大学朱亮等和南通职业大学的国向云等只是对复合菌群 的絮凝性进行了初步研究，而对复合菌群的絮凝性进行系统研究的还未见报道。 本研究的目的就是研究由本实验室培养改良后的复合微生物产絮凝剂的情 况。 试验复合微生物的絮凝特性，探索它们的生长规律和产微生物絮凝剂的影响 因素，研究微生物产生絮凝剂的最佳培养条件，最后制出微生物絮凝剂产品，对 所研制的微生物絮凝剂进行表征实验，确定此微生物絮凝剂为多糖，蛋白质还是 糖蛋白，进一步推测其絮凝机理。 因为复合微生物的培养基成本很高，所以进一步探索廉价培养基进行替代， 本实验选用了麦麸，红糖，豆渣，玉米面等进行试验。若有絮凝性，进一步探索 它们的生长规律和产微生物絮凝剂的影响因素，研究微生物产生絮凝剂的最佳培 养条件，最后制出微生物絮凝剂产品，对所研制的微生物絮凝剂进行表征实验， 确定此微生物絮凝剂为多糖，蛋白质还是糖蛋白。 1 5 2 实验方案 实验方案如下： ( 1 ) 复壮复合微生物菌液 第一章文献综述 配置培养基，高压灭菌后，接种复合微生物菌液。接种比例为1 ：1 0 。 放入恒温水浴摇床，培养3 天。 ( 2 ) 复合微生物菌液的絮凝特性 配置高岭土悬浮液，以菌液絮凝高岭土标准悬浮液为参考，观察复合微生物 菌