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微生物絮凝剂产生菌的筛选、鉴定及培养条件和工艺的优化研究 菌株a 3 和g a l 产生的胞外絮凝剂为多糖类物质，c a l 和c e l 产生的胞外絮凝剂 为糖蛋白类物质；菌株s e l 7 产生的胞外絮凝剂为蛋白质类物质。 恶臭假单胞杆菌p s e u d o m o n a s p u t i d ab 6 的培养条件的优化研究结果表明：最 佳的培养基营养成分配比倒l ) 为葡萄糖1 5 、乳糖3 、k i - 1 2 p 0 41 0 、k 2 h p 0 4 3 0 、 m g s 0 40 1 、n h 4 n 0 30 8 、( n h l i ) 2 s 0 4 1 5 、酵母汁0 2 、n a c l0 1 ；最佳培养条件为 培养基初始p h 值为8 0 ，培养温度为3 0 ，摇床速度为1 6 0 r m i n 。b 6 培养液对 酸性和中性高岭土悬浮液都具有较好的絮凝能力，搅拌速度在1 5 0 r m i n 时对高岭 土悬浮液的絮凝率最高，c a 2 + 和n i 2 + 能有效地促进b 6 培养液的絮凝效果。 多粘类芽孢杆菌p a e n i b a c i h u s p o l y m y x ag a l 产絮凝剂的最佳培养基成分( g l ) 为蔗糖4 0 0 、酵母浸膏4 0 、k 2 h p 0 45 0 、k h 2 p 0 42 0 、n a c l0 1 、m g s 0 40 2 。菌 体生长和合成絮凝剂的最佳培养条件不一致，最佳菌体生长条件为培养基初始 p h 7 0 、培养温度3 0 c 、摇床速度1 5 0 r m i n 和接种量5 ；絮凝剂合成的最佳培养 条件为培养基初始p h 6 5 、培养温度2 5 、摇床速度1 0 0 r m i n 和接种量1 。针 对其生长特点，将分段培养工艺应用于g a l 产絮凝剂中，将培养基初始p h 调至 6 5 ，接种1 种子液，在培养的初期2 4 h 采用菌体生长最佳温度和摇床速度，在 培养后期采用菌体产絮凝剂的最佳温度和摇床速度，既可保证g a l 絮凝剂的产量 达到1 7 4 2 l ，同时又能缩短培养周期至5 6 h 。 用豆渣作为p a e n i b a c i l l u s p o l y m y x ag a l 的廉价替代培养基来合成絮凝剂。豆 渣培养液在经过p h1 1 0 的高压蒸煮( 1 2 1 、0 1 m p a ，3 0 r a i n ) 后，调至p h 6 5 ，接 种1 种子液，运用分段培养法，在培养的初期2 4 h 采用菌体生长最佳温度和摇床 速度，在培养后期采用菌体产絮凝剂的最佳温度和摇床速度，絮凝剂产量保持在 7 8 6 9 l ，培养周期缩短至5 6 h 左右。 关键词：微生物絮凝剂：絮凝剂产生菌：恶臭假单胞杆菌b 6 ；多粘类芽孢杆菌 g a l ；培养基；培养条件；豆渣；分段培养工艺 u 硕士学位论文 a b s t r a c t m i c r o b i a lf l o c c u l a n t sa r es a f ea n db i o d e g r a d a b l em a c r o m o l e c u l a rf l o c c u l a n t s s e c r e t e db ym i c r o o r g a n i s m s t h e i rd e g r a d a t i o np r o d u c t sa r eh a r m l e s st ot h ee c o s y s t e m a n dh u m a n s t h ed e v e l o p m e n to fan e wb i o d e g r a d a b l eb i o f l o c c u l a n tw i t hs t r o n g f l o c c u l a t i n ga c t i v i t yi sa t t r a c t i n gw i d er e s e a r c hi n t e r e s t 2 6b a c t e r i a ls t r a i n sw h i c hc a np r o d u c eb i o f l o c c u l a n tw i t hh i g hf l o c c u l a t i n g a c t i v i t yw a ss c r e e n e df r o ms o i lb ym e a n so ft h ec o m m o nb a c t e r i as c r e e n i n ga n d p u r i f i c a t i o nm e t h o d t h e r ea r e4 b a c t e r i a ls t r a i n sn u m b e r e db 6 ，c a l ，c e la n dg a lo f t h e s ew h i c hc a np r o d u c eb i o f l o c c u l a n tw i t hf l o c c u l a t i n gr a t ea b o v e8 0 t h eb a c t e r i a l s t r a i ng a lh a st h eb e s te f f e c to fd e c o l o r i n ga n df l o c c u l a t i n gw i t hf l o c c u l a t i n gr a t e a b o v e9 6 o fg a o l i n gs u s p e n s i o n t h e s eb a c t e r i a ls t r a i n sw e r ei d e n t i f i e d a c c o r d i n g t oi t sm o r p h o l o g i c a l ， p h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lc h a r a c t e r s ，a sw e l la s1 6 sr d n as e q u e n c eh o m o l o g y c o m p a r i s o n t h e r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：t h eb a c t e r i a ls t r a i nb 6w h i c hg e n b a n k a c c e s s i o ni sd q l l 5 3 6 3i sp s e u d o m o n a sp u t i d aa n di sn a m e dp s e u d o m o n a s p u t i d ab 6 ； t h eb a c t e r i a ls t r a i nc a lw h i c hg c n b a n ka c c e s s i o ni sd q1 9 0 2 4 0i sb a c i l l u s m o j a v e n s i sa n di s n a m e db a c i l l u sm o j a v e n s i sc a l ；t h eb a c t e r i a ls t r a i ne e li s b a c i l l u ss u b t i l i sa n di sn a m e db a c i l l u ss u b t i l i sc e l ；t h eb a c t e r i a ls t r a i ng a lw h i c h g e n b a n ka c c e s s i o ni sd 0 1 6 6 3 7 5i sp a e n i b a c i l l u sp o l y m y x aa n di ss u b m i t t e dt o c c t c c ，i t sc o n s e r v e dn u m b e ri sc c t c cm 2 0 6 0 1 7a n di t sn a m ei sp a e n i b a c i l l u s p o l y m y x ag a lc c t c cm 2 0 6 0 1 7 t h eb a c t e r i aw h i c hc a np r o d u c ee x t r a c e l l u l a rb i o f l o c c u l a n ti n c l u d ea 3 ，a 4 ，c a l ， c e l ，d 1 4 ，g a la n ds e l 7 t h ee x t r a c e l l u l a rb i o f l o c c u l a n to ft h e s eb a c t e r i ac a nb e s e p a r a t e dw i t h1 ：1 - 1 5 ：1f v o l u m er a t i o ) a c e t o n e t h ee x t r a c e l l u l a rb i o f l o c c u l a n to f a 3a n dg a lw e r ei d e n t i f i e da sp o l y s a c c h a r i d e ，a n dt h ee x t r a c e l l u l a rb i o f l o c c u l a n to f c a la n de e lw e r ei d e n t i f i e da sg l y c o p r o t e i n a n dt h ee x t r a c e l l u l a rb i o f l o c c u l a n to f s e l 7w a si d e n t i f i e da sp r o t e i n t h eo p t i m u mc o m p o n e n tp r o p o r t i o no fm e d i u m 倒l ) o fp s e u d o m o n a sp u t i d ab 6 w h i c hi sg l u c o s e1 5 ，f r u c t o s e3 ，k h 2 p 0 41 0 ，k 2 h p 0 43 0 ，m g s 0 40 1 ，n h 4 n 0 30 8 ， ( n h 4 ) 2 s 0 4 1 5 ，y e a s te x t r a 0 2 ，n a c l0 1 w a so b t a i n e da c c o r d i n gt ot h eo r t h o g o n a lt e s t t h eo p t i m u mc u l t u r ec o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w s ：i n i t i a lp h8 0 ，t e m p e r a t u r e3 0 。ca n d a g i t a t i o nr a t e1 6 0 r m i n t h eo p t i m u mc o m p o n e n tp r o p o r t i o no fm e d i u m ( g l ) o fp a e n i b a c i l l u sp o l y m y x a i n 微生物絮凝剂产生菌的筛选、鉴定及培养条件和工艺的优化研究 g a li ss u c r o s e4 0 0 ，y e a s te x t r a c t4 0 ，k 2 h p 0 4 5 0 ，k h 2 p 0 42 0 ，n a c lo 1 ，m g s 0 40 2 t h er e l a t i o no fb a c t e r i u mg r o w t ha n db i o f l o c c u l a n ts y n t h e s i z ew a sa s c e r t a i n e d t h e o p t i m u mc o n d i t i o n so fg a lb a c t e r i u mg r o w t hi s i n i t i a lp h 7 0 ，3 0 ( 2 ，a g i t a t i o nr a t e 1 5 0 r m i n ，i n o c u l a t i o nq u a n t i t y5 ，a n dt h eo p t i m u mc o n d i t i o n so fb i o f l o c c u l a n t s y n t h e s i z ei s i n i t i a lp h 6 5 ，2 5 c ，a g i t a t i o nr a t e1 0 0 r m i n ，i n o c u l a t i o nq u a n t i t y1 b a s e do nt h er e l a t i o no fb a c t e r i u mg r o w t ha n db i o f l o c c u l a n tp r o d u c t i o n ，t w o - s t a g e c u l t u r et e c h n i c sw a sa p p l i e dt ob i o f l o c c u l a n tp r o d u c t i o no fg a l t h eo p t i m u m t e m p e r a t u r ea n da g i t a t i o nr a t eo fg a lb a c t e r i u mg r o w t ha r ea d o p t e di ni n i t i a lc u l t u r e s t a g eo f2 4 h ，a n dt h eo p t i m u mt e m p e r a t u r ea n da g i t a t i o nr a t e o fb i o f l o c c u l a n t s y n t h e s i z e i nc u l t u r e a n a p h a s es t a g e o f3 2 h t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l ts h o wt h a t t w o s t a g ec u l t u r et e c h n i c sc a nk e e ph i g hb i o f l o c c u l a n ty i e l da sw e l la ss h o r t e nt i m eo f f l o c c u l a n tp r o d u c t i o n t h et w o s t a g ec u l t u r et e c h n i c sw a sa p t l i e dt ob i o f l o c c u l a n ts y n t h e s i z eo fg a l w i t hs o y b e a no k a r a t h es o y b e a no k a r a ( g r e e nw e i g h t ) c u l t u r em e d i u m ( 2 0 0 9 l ) i s a d j u s t e dt oi n i t i a lp h 6 5a n di n o c u l a t e d1 g a ls e e ds o l u t i o na f t e rah i g hp r e s s u r e a n dt e m p e r a t u r eh y d r o l y z a t i o n ( 1 2 1 * c ，o 1 m p a ，3 0 r a i n ) w i t hp i l l l 0 t h eo p t i m u m t e m p e r a t u r ea n da g i t a t i o nr a t eo fg a lb a c t e r i u mg r o w t ha r ea d o p t e di ni n i t i a lc u l t u r e s t a g e o f2 4 h ，a n dt h eo p t i m u mt e m p e r a t u r ea n da g i t a t i o nr a t eo fb i o f l o c c u l a n t s y n t h e s i z ei n c u l t u r ea n a p h a s es t a g eo f3 2 h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o wt h a t t w o s t a g ec u l t u r et e c h n i c sc a nk e e ph i g hb i o f l o c c u l a n ty i e l da sw e l la ss h o r t e nt i m eo f f l o c c u l a n tp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：b i o f l o c c u l a n t ；b i o f l o c c u l a n t p r o d u c i n gb a c t e r i a ；p s e u d o m o n a s p u t i d ab 6 ； p a e n i b a c i l l u sp o l y m y x ag a l ；c u l t u r em e d i u m ；c u l t u r ec o n d i t i o n ；s o y b e a no k a r a t w o s t a g ec u l t u r et e c h n i c s 硕士学位论文 插图索引 图1 1 微生物絮凝剂的吸附架桥絮凝的示意图1 1 图2 1 微生物絮凝剂的研究过程2 4 图3 1 絮凝微生物筛选的示意图2 7 图3 2 菌株b 6 的显微照片3 2 图3 3 菌株c a l 的显微照片3 2 图3 4 菌株c e l 的显微照片3 2 图3 5 菌株g a l 的显微照片3 2 图3 6 菌株b 6 的1 6 sr d n a 基因序列3 3 图3 7 菌株c a l 的1 6 sr d n a 基因序列3 4 图3 8 菌株g a l 的1 6 sr d n a 基因序列3 4 图5 1 初始p h 值对b 6 培养液絮凝率影响5 0 图5 2 培养温度对b 6 培养液絮凝率影响5 0 图5 3 摇床速度对b 6 培养液絮凝率的影响5 0 图5 4 菌株b 6 培养液的絮凝率周期曲线5 0 图5 5p h 值对b 6 培养液絮凝率影响。5 1 图5 6 搅拌速度对b 6 培养液絮凝率影响5 1 图6 1 碳源对g a l 菌体生长和絮凝剂合成的影响5 8 图6 2 氮源对g a l 菌体生长和絮凝剂合成的影响5 8 图6 3 碳源氮源比对g a l 产絮凝剂的影响5 9 图6 4 蔗糖浓度对g a l 产絮凝剂的影响5 9 图6 5 培养条件对g a l 菌体生长和产絮凝剂的影响6 0 图6 6 不同的培养方式对g a l 菌体生长和产絮凝剂的影响6 2 图7 1 高压高温水解的p h 对g a l 产絮凝剂的影响6 6 图7 2 蔗糖浓度对g a l 产絮凝剂的影响6 7 图7 3 无机盐浓度对g a l 产絮凝剂的影响6 7 图7 4 不同的培养方式对g a l 利用豆渣产絮凝剂的影响6 8 图7 5 菌株g a l 利用豆渣合成絮凝剂的生产工艺流程示意图6 9 v 微生物絮凝剂产生菌的筛选、鉴定及培养条件和工艺的优化研究 附表索引 表1 1 絮凝剂的分类4 表1 2 微生物絮凝剂的物质属性、组成和相对分孑质量9 表1 3 部分微生物絮凝剂的主要应用领域。1 6 表3 1 已报道的微生物絮凝剂产生菌2 6 表3 2 部分絮凝剂产生菌的筛选结果一3 1 表3 3 菌种的生理生化特性3 2 表3 4 絮凝剂产生菌的鉴定结果3 5 表4 1 已鉴定的微生物絮凝剂产生菌3 8 表4 2 絮凝成分在培养液中的分布4 2 表4 3 不同试剂的抽提纯化效果4 3 表4 4 絮凝物质成分的鉴定4 4 表5 1 菌株b 6 在不同碳源和氮源培养下的絮凝率4 7 表5 2 正交实验培养基各个营养成分及其水平表。4 8 表5 3 培养基成分正交实验结果4 9 表5 4 正交实验方差分析表5 0 表5 5 不同金属离子对b 6 培养液絮凝率的影响5 1 表6 1 部分絮凝微生物产絮凝剂的最佳培养条件5 3 v i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 我国水资源概况和水环境污染现状 水，尤其是淡水，使维持生物生命的根本。地球表面绝大部分被水所覆盖，总 量约1 3 8 x 1 0 9 k m 3 。但是将近9 7 的水是海水，不能被饮用和灌溉；而其余3 的淡 水( 总量约3 5 1 0 7 k m 3 ) 中只有o 2 9 ( 总量约l x l o s k m 3 ) 存在于河流和湖泊之中，可 以被人类直接取用，是目前整个人类赖以生存的根本。因此，水是基础性自然资源， 又是战略性经济资源。 我国是水资源短缺和污染比较严重的国家之一，尤其是城市缺水严重，已经造 成严重的经济损失和社会环境问题。缺水城市分布将由目前集中在三北( 华北、东 北、西北1 地区及东部沿海城市逐渐向全国蔓延。我国的人均水资源仅为世界的1 4 ， 列世界第1 0 9 位。我国6 0 0 多个城市中，有3 0 0 个城市缺水，5 0 多个城市严重缺水。 由1 8 0 个城市平均日缺水1 2 x l o v m 3 ，相当于全国城市公共自来水供水能力的1 5 。 我国年用水量每年以1 0 的速度的增长，而国家投资的增长速度仅为7 ，只能满 足6 。随着人口的增长，我国水资源承载能力还将面临更为严峻的考验。据估计， 到本世纪中叶，我国总用水量将由目前的5 0 0 0 多亿立方米增加到8 0 0 0 多亿立方 米，占我国可利用水资源的2 8 。水危机将是2 1 世纪影响我国经济可持续发展的 第一制约因素i l l 。 一方面是水资源的严重匮乏；另一方面水环境却又受到严重的污染。据中国环 境状况公报显示：2 0 0 1 年，我国工业和城市生活废水排放总量为4 2 8 4 亿吨，其中 工业废水排放量为2 0 0 7 亿吨，城市生活污水排放量为2 2 7 7 亿吨。废水中化学需 氧量( c o d ) 排放量1 4 0 6 5 万吨，其中工业废水中c o d 排放量6 0 7 5 万吨，生活废 水中c o d 排放量7 9 9 万吨。1 9 9 9 年，我国工业水处理率8 5 6 。我国主要河流有 机污染普遍，面源污染日益突出。松花江水质尚可，珠江、长江水质总体良好，辽 河、海河污染严重，淮河水质较差，黄河水质不容乐观。主要湖泊富营养化严重。 全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染，地下水水质污染有逐年加重 的趋势。水资源的匮乏和水环境污染已成为我国乃至全球所面临的危机之一。要解 决水资源短缺问题，除节约用水外，加强对污水的处理是目前亟待解决的问题1 1 “。 1 2 水处理及絮凝法 1 2 1 水处理方法简介 水处理方法按原理可分为物理处理法、化学处理法、物理化学法和生物处理。 微生物絮凝剂产生菌的筛选、鉴定及培养条件和工艺的优化研究 物理处理法是利用物理作用分离污水中呈悬浮固体状态的污染物质，包括筛选法、 沉淀法、上浮法、气浮法、过滤法和反渗透法等。化学处理法是利用化学反应作 用，分离回收污水中处于各种形态的污染物质( 包括悬浮的、溶解的、胶体的等) 。 主要有中和、混凝、电解、氧化还原、萃取、吸附、离子交换和电渗析等方法。 物理化学法包括吸附法、离子交换法、膜分离法、萃取法、电解法、吹脱和气提、 蒸发与结晶、磁分离法等【2 1 。生物处理法是利用微生物的代谢作用，使污水中呈 溶解、胶体状态的有机污染物转化为稳定的物质。包括( 1 ) 好氧法，利用好氧微生 物的作用，广泛应用于处理城市污水及有机污水；( 2 ) 厌氧法，利用厌氧微生物作 用，多用于处理高浓度有机污水和污水处理过程中产生的污泥。城市污水和生产 污水中的污染物是多种多样的，往往需要采取多种方法和多级处理组合，才能去 除不同性质的污染物和污泥，达到净化的目的和排放标准p j 。 1 2 2 絮凝法 在生活污水和各种工业废水中，常含有不同种类和数量的悬浮气体和胶体。如 采矿废水中含有大量无机矿物质悬浮体；炼焦煤气废水中含有焦油及悬浮体；机械 加工废水中含有油脂及大量固体悬浮物；而造纸、制糖、染料行业和生活污水中则 含有大量的有机微粒。这些悬浮物和胶体的大小在1 0 一1 0 9 m 范围内，而且表面大 多带有相同的电荷，颗粒间由于电荷排斥而分散稳定，属于热力学不稳定体系，不 能自动凝聚成大颗粒，且沉淀速度缓慢。对于这些污水的处理，一般都要先使这些 胶体和悬浮体脱稳，进而絮凝成大颗粒沉淀下来，这是给水和废水处理中广泛采用 的方法【2 1 。 在水处理方法中，絮凝法是最常用的重要方法之一。絮凝沉淀法处理属于化 学物理方法，作为一种新兴的经济有效的水处理手段，絮凝法越来越多地使用于 给排水处理工程中【。絮凝处理过程就是向待处理的水体中加入一定的絮凝剂， 使水体中胶体体系在所加的絮凝剂作用下，相互接触、碰撞、脱稳、凝集成一定 粒径的聚集体，脱稳的聚集体由于进一步碰撞、化学黏结、网捕卷扫、共同沉淀 等作用而聚集成絮状体( 矾花) ，最终借助重力的作用而沉淀，以达到固液分离的 目的。絮凝处理方法主要是去除废水中的胶体和悬浮体，包括无机物和有机物， 从表观而言就是常用的浊度、色度、c o d 、b o d 等指标：同时也能部分地去除一 些溶解性的杂质。实践证明，在污水的三级处理中，采用絮凝处理方法除磷是一 种有效而经济的方法。此外，絮凝处理还能改善污泥的脱水性能。在絮凝处理过 程中，絮凝剂种类、性质、品种的好坏是关系到絮凝处理效果的关键因素1 1 。 1 3 絮凝剂的简介 凡是能够使水溶液中的溶质、胶体或者悬浮颗粒产生絮块沉淀物的物质即絮 硕士学位论文 凝剂。一直以来絮凝剂就被广泛应用。在人类文明的发展史上，最早使用絮凝剂 处理水的历史追溯到公元前1 6 世纪古埃及人采用甜扁桃汁净化饮用水。我国明朝 时就有用明矾【舢2 ( s 0 0 3 k 2 s 0 4 2 4 h 2 0 】净水的记录。1 8 8 4 年，美国人海亚特取得 了以硫酸铝预处理滤池水的专利权。1 8 6 5 1 8 7 2 年，氧化铁盐被推广应用，并在 1 8 8 7 年取得对预分离出氢氧化铁沉渣的箱形过滤装置的专利。2 0 世纪初，絮凝剂 用于给水的快滤池处理中，并且显示絮凝剂具有很高的消毒能力。此后絮凝剂逐 渐应用于污水处理中，1 9 1 2 年开始用氯化硫酸甄铁作为絮凝剂，1 9 2 9 年开始用铝 酸钠，2 0 世纪5 0 年代开始采用羟化氯化铝。近年来絮凝剂广泛用于工业和生活 污水处理和沉渣的处理，应用范围不断扩大。由于絮凝在水处理中的重要作用， 絮凝科学日渐发展成为一门重要的学科，围绕絮凝剂的制备、优化及使用不断深 入研究。从最早是用天然絮凝剂到初级合成絮凝剂如f e s 0 4 - 7 h 2 0 、a 1 c 1 3 及硅系 列絮凝剂，再到现今的高聚合类絮凝剂如聚合氯化铝( p a c ) 、聚合硫酸铁( p f s ) 、 聚硅硫酸铝( p a s s ) 、聚丙烯酰胺( p a m ) 等以及生物絮凝剂，人类使用絮凝剂的过 程经历了一个从天然到合成，再到天然的循环。絮凝方法也由简单的搅拌发展到 精确控制搅拌的各种边界条件，进而形成许多絮凝理论，在水的净化处理过程中 起着重要的指导作用【2 4 】。 目前，絮凝剂作为一种用于水絮凝处理的水处理剂，被广泛地应用于工业废 水处理、食品生产和发酵等工业中。絮凝和种类繁多，对于不同的原水或废水， 为提高絮凝处理效果，必须选择品质和性能优良的絮凝剂；同时，絮凝处理工艺 应合乎客观规律。每种混凝剂在使用之前，必须经过反复实验，慎重投入实际应 用1 2 】。 1 3 1 絮凝剂的种类 絮凝沉淀技术是提高永质处理效率的一种既经济又简便的水质处理方法，被 广泛地应用于工业废水处理、给水处理、食品生产和发酵等工业中，应用非常普 遍，而絮凝沉淀效果的好坏主要取决于所用的絮凝剂的性能。随着科学技术的发 展和人类生活水平水平的提高，人们对水质提出了越来越高的要求。这自然也就 推动了水处理技术科学和水处理絮凝剂的飞速发展。有了性能优异的絮凝剂，通 过控制合适的加药量及混合方法，加之后续合理韵沉淀过滤工艺，便能获得理想 的处理效果。 目前广泛应用的絮凝剂按其分子组成，一般分为无机絮凝剂和有机絮凝剂两 大类。根据分子量的高低、官能团的特性及官能团离解后所带电荷的性质，又可 将其进一步分为高分子和低分子，阳离子型、阴离子型和非离子型絮凝剂，具体 分类见表1 1 所示【5 一】。此外还有无机有机复合絮凝剂，如聚合铝聚丙烯酰胺、聚 合铝甲壳素、聚合铁甲壳素等。 3 微生物絮凝剂产生菌的筛选、鉴定及培养条件和工艺的优化研究 表1 1 絮凝剂的分类 无机低分有机阳离子絮凝剂 明矾k a l ( s 0 4 ) 2 1 2 1 4 2 0 、a 1 c 1 3 6 h 2 0 、 无 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 、f c c l 3 、f c s 0 4 。7 h 2 0 、 子絮凝剂 机有机阴离子絮凝剂c a o 絮 铝系高分子絮凝剂 聚合氯化铝a p a c ) 、聚合硫酸铝( p a s ) 凝 无机高分铁系高分子絮凝剂 聚合硫酸铁( p f s ) 剂 子絮凝剂 硅系高分子絮凝剂 活化硅酸( a s ) 无机复合高分子絮凝剂聚( p a s s ) 、聚合氯化铝铁( p a f c l 有人工合成 有机阳离子絮凝剂 聚丙烯酰胺( p a m ) 及其衍生物 机有机高分 有机阴离子絮凝剂聚丙烯酸钠 絮子絮凝剂 非离子絮凝剂聚乙烯醇 凝 壳聚糖、藻酸钠、几丁质、纤维素、改性 天然高分子絮凝剂 剂 淀粉、环糊精、微生物絮凝剂 1 1 3 2 絮凝剂的应用概况 无机絮凝剂是水处理中絮凝剂的最大品种。早在1 0 0 多年以前，我国在基础 理论研究和新产品的拉开发和应用上形成了比较完善的无机絮凝剂的研究和开发 体系。在研究和开发应用中形成中形成了以铝系、铁系、聚硅酸和复合型无机絮 凝剂等几大类产品。在实际的工程应用中，无机铝系高分子絮凝剂具有絮凝率高 和价格低廉等特点，因而受到了广泛的应用，尤其在国内的使用更为普遍。比较 而言，以聚丙烯酰胺及其衍生物为代表的有机合成高分子絮凝剂，具有用量少、 适用范围广、受盐类及环境条件影响小、絮凝速度快、处理效果好等优良性能， 因而在市场上占有很大的优势。在美国和日本，其市场占有率达8 0 以上，我国 目前年产量近万吨【2 j 。 1 3 3 絮凝剂的研究趋势 随着工业和科学技术的发展，无机和有机合成高分子絮凝剂越来越广泛地应 用于各种水源水和废水的处理过程中，同时，其使用过程中的不安全性和造成环 境二次污染的问题已经越来越引起人们的重视。无机絮凝剂在使用过程中存在以 下主要问题：( 1 ) 会给被处理液带入大量的无机离子，往往需要增加脱盐、去离子 等工序，而过量的无机粒子不仅影响产品的风味、口感，也不利于人体健康：( 铁盐类絮凝剂不仅具有很强的腐蚀性，对设备的选用有所限制，而且容易残留铁 离子，使被处理水带有颜色，影响水质。当处理诸如防治印染废水、石油工业废 4 硕士学位论文 水及酸法造纸废水等含有较多硫化物的工业废水时，f e “会被还原为f c “，同时生 成f e s 和f e 2 s 3 的混合物，此混合物呈胶体状态，带有负电荷，很难形成絮凝沉 淀；0 ) 铝盐类絮凝剂由于沉淀物中含有大量铝的氢氧化物而导致污泥机械脱水困 难。此外排放于水体中残留的m 3 + 具有毒性，有资料显示，水中的a 1 3 + 浓度高于 0 2 加5 m g ，l 即可使鲑鱼致死；在碱性条件下( p h 8 9 ) ，水中铝酸根离子浓度高于 0 5 m g ，l ( 以铝计) 也可使鲑鱼致死。另外，铝对人类的危害也应该引起注意。a l “ 的摄入，与目前日益增多的老年痴呆症的引发有直接关系。对于有机合成高分子 絮凝剂聚丙烯酰胺多聚体而言，虽然其本身没有任何毒性，但其难降解性却易造 成二次污染，而且聚合单体的残留也是一个令人十分担忧的问题，有证据表明丙 烯酰胺单体是一种强致癌物，而且具有强烈的神经毒性，残留于环境中丙烯酰胺 单体易造成二次污染，现在许多国家和领域已经禁止或限量使用此类絮凝剂【5 _ ”。 作为一类较新的水处理剂，近年来，利用蛋白质、多聚糖、木质素、壳多糖等生 物体分泌的天然有机高分子，通过化学改性制成的天然高分子絮凝剂，也被用于 水处理过程。它虽然具有无毒、能安全降解等特点，曾一度引起研究者的重视， 但絮凝率却不高，且成本较高，从而限制了其广泛的开发应用。因此开发安全无 毒、高絮凝性、无二次污染的新型絮凝剂，对物质产品的生产工艺改进、人类的 健康和环境保护都有很重要的现实意义。2 0 世纪8 0 年代后期，伴随生物技术的 发展，一类新型的絮凝剂一微生物絮凝剂应运而生【卜”】。 1 4 微生物絮凝剂的概况 微生物絮凝剂是一类由微生物在生长过程中产生的可以使水体中不易降解的 固体悬浮颗粒、菌体细胞及胶体粒子等凝集、沉淀的特殊高分予聚合物。该絮凝 剂是利用生物技术，通过微生物培养、分离提取而得到的一种新型、高效、廉价 的水处理剂。能够产生絮凝物质的微生物种类繁多，包括细菌、放线菌、酵母菌 及霉菌。有文献报道的絮凝微生物种类已达5 0 多种用。其中研究的较深入的有 r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l l s 1 4 , 1 5 】、a s p e r g i l l u ss o j a e 1 b 1 8 1 、p a e n i b a c i l l u ss p 【1 9 1 、 c o r y n e b a c t e r i u mg l u t a m i c u m 2 0 2 2 l 等，其中r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i s 和a s p e r g i l l u s s o j a e 产生的絮凝剂效果最好。 1 4 1 微生物絮凝剂的种类 按照来源不同，微生物絮凝剂主要可分为3 类7 j ( 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，它们 普遍存在于土壤、活性污泥和水体沉积物中。此类微生物的菌体细胞具有絮凝性 的原因有很多：有的是由于菌体细胞表面带有荚膜层或粘液层，能够吸附溶液中 的悬浮颗粒；有的是因为菌体表面的附属结构( 如菌毛、纤毛等) 的吸附作用；有的 5 微生物絮凝剂产生菌的筛选、鉴定及培养条件和工艺的优化研究 是因为菌体细胞壁表面带有活性基团，能够吸附溶液中的带电颗粒。 f 2 ) 利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂如酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、 蛋白质和n 乙酰葡萄糖胺等均可用作絮凝剂；丝状真菌的细胞壁多糖除了纤维素、 甘露聚糖、葡聚糖外，还含有一种重要的多糖一几丁质，几丁质经碱水解后产生 带正电荷、高效无毒的脱乙酰几丁质，含有活性n h 2 一和一o h ，对许多微生物菌 体及其他带负电荷的粒子有极强的絮凝能力。它还可以作为一种助凝剂与其它阴 离子絮凝剂配合使用。目前用作絮凝剂的褐藻酸也是某些褐藻细胞壁的成分。 ( 3 ) 利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂微生物细胞产生的具有絮凝性的代谢 产物有的贮藏在胞内作为内源代谢产物，有的则分泌到胞外或者黏附在菌体细胞 表面或者脱离菌体，游离于培养液中。k c r a b t r e e 【7 1 等人对菌胶团细菌z o o g l o e a r a m i g e r a 的研究证明，胞内聚合物p h b 具有絮凝性。许多菌体细胞内积累的多聚 磷酸盐也可作絮凝剂。分泌到细胞外并黏附在菌体细胞外表面的絮凝物质主要指 细菌的荚膜和粘液质，两者的干物质组成主要为多糖，以及少量的多肽、蛋白质、 脂类及其复合物。可用作絮凝剂的主要是多糖类物质。 目前国内外研究的微生物絮凝剂大多为游离于培养液中的絮凝物质。如 k u r a n e 开发的n o c 1 【1 4 , 1 5 j ，h en i n g 等研制的r e a - i i 等f 2 0 埘l 。 根据化学组成的不同，微生物絮凝剂又可以分为三类： ( 1 ) 糖类物质目前已发现的微生物絮凝剂主要有效成分多数含多糖类物质。 ( 2 ) 多肽、蛋白质和d n a 类物质根据文献报道，已知絮凝能力最好的微生物 絮凝剂n o c 1 的主要成分为蛋白质 1 4 , 1 5 】，而且分子中含有较多的疏水氨基酸，包 括丙氨酸、谷氨酸、甘氨酸、天冬氨酸等，其最大相对分子质量为7 5 0 0 0 0 。 f 3 ) 脂类物质目前发现的唯一的脂类絮凝剂是1 9 9 4 年k u r a n e 从兄 e r y t h r o p o l i ss - 1 【2 3 】的培养液中分离出来的微生物絮凝剂。其分子中含有葡萄糖单霉 菌酸酯( g m ) 、海藻糖单霉菌酸酯( t m ) 、海藻糖二霉菌酸酯( t d m ) 三种组分，霉菌 酸碳链长度从c 3 2 一c 4 0 不等，其中以c 3 4 、c 3 6 和c 3 8 居多。 此外，随着生物技术的发展以及对微生物絮凝剂研究的深入，微生物絮凝剂 还可以分为： f 1 ) 纯种菌株及其产生的絮凝剂 目前研究的微生物絮凝剂多属于此类【7 , 1 2 。现公认的能产生微生物絮凝剂的微 生物有以下种属：n o c a r d i as p 、a s p e r g i l l u ss p 、p s e u d o m o n a ss p 、c o r g n e b a c t e r i u m s p 、d e m a t i u ms p 、p a c e c i l m y c e ss p 、a c i n e t o b a c t e rs p 、a l c a l i g e n e ss p 、 a g r o b a c t e r i u ms p 等。 f 2 ) 混合菌株及其所产生的微生物絮凝剂 k u r a n e 分离出一组能够产生大量黏液的r 3 的混合菌株，在液体培养中能高 效产生一种a p r 一3 絮凝剂。菌株由厄氏菌属、不动杆菌属、土壤杆菌和肠杆菌属 硕士学位论文 组成。实验证明单个菌属均不能产生絮凝剂，只有四个菌属混合培养才能有效地 产生絮凝剂1 “1 。 ( 3 ) 基因复合型菌株 利用基因工程技术，将筛选出的具有絮凝性能的菌株和具有降解性能而没有 絮凝性能的菌株，进行遗传因子质体的移植构建新的基因复合菌株。这类菌株不 仅能产生微生物絮凝剂而且有降解污染物的能力。若将其直接应用于污水处理， 这种既有絮凝性又有降解污染物的性能，可使污水处理效率大大提高，具有相当 高的应用价值。例如n o c a r d i ae r y t h r o p o l i s 可以在降解塑料生产中的酞酸酯的同 时，产生絮凝剂【2 4 】。i s h i d af u j i ik 等把s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e3 9 6 9 6 v 的f l 0 1 基因导入一株无絮凝性的菌株的u r a 3 位点上，使其获得了絮凝性( f s c 2 7 菌株) ， 再引入u r a 3 的菌株f s c u 1 8 的絮凝性能及产率比原菌株都好1 。 微生物絮凝剂是利用生物技术，通过微生物培养、抽提、精制而得到的一种 具有生物降解性和安全性的新型、高效、无毒的水处理剂。可以广泛应用于废水 处理、食品工业、生物制药等方面。微生物絮凝剂近年来受到研究者极大的关注， 有逐步取代传统絮凝剂的趋势。 1 4 2