（环境科学专业论文）多粘类芽孢杆菌ga1所产絮凝剂影响因素及絮凝性能的研究.pdf

硕上学位论文 中p h 与废水颗粒表面电荷状况存在相关性，废水初始p h 越高，发生絮凝及最佳 絮凝状态时p h 亦随之增大，絮凝剂在偏碱性条件下发生絮凝作用。经絮凝剂处理 后各废水溶液中颗粒粒径分布均有显著变化；高岭土溶液、洗煤废水及垃圾渗滤 液颗粒的平均粒径在絮凝后均明显下降，且絮凝后平均粒径均小于1 0 um ，而土 壤悬浊液的粒径在絮凝后显著上升，且絮凝后平均粒径大于1 0um 。扫描电镜结 果发现，4 种废水颗粒絮凝后外部形态均无明显差异，从产生的絮体形态、泥饼紧 实程度、废水颗粒粒径分布变化及电镜扫描的结果推测，m b f g a l 的絮凝机理为 吸附架桥作用。 实验设计的1 6 种碳源与氮源组合测试样本中，9 种组合可提取得到絮凝剂， 以蔗糖为碳源的4 种发酵培养液均能够使g a l 产絮凝剂，9 种絮凝剂同属于非高 温高压变性物质；紫外光谱结果表明其物质的主要成分均不是蛋白质及核酸。蔗 糖为碳源的4 种絮凝剂产品在产量以及溶解性能方面均占优势，其中以蔗糖与酵 母浸膏组合得到的絮凝剂产量最高，达到8 4 1 8 l ，以蔗糖作为碳源时g a l 所产 絮凝剂得到1 ，2 ，3 号样品的红外光谱图为典型的糖类红外光谱图，且三者存在 极大的相似性，它们吸收峰的位置及形状大致相同。以蛋白胨作为氮源时g a l 所 产絮凝剂所得到四种物质的红外光谱图，谱图的吸收峰位置存在较大差异，而且 吸收峰的个数也不相同。 关键词：微生物絮凝剂；多粘类芽孢杆菌g a l ；成分分析；絮凝性能；影响因素； 碳源；氮源；紫外光谱分析；红外光谱分析 i i i a b s t r a c t a b a c t e “s t r a i n ，n u m b e r e dg a l ，w h i c hc a np r 。d u c e b i 。f l 。c c u l a n tw i t hh i g h f 1 0 c c u l a t i n ga c t i v i t y w a ss c r e e n e df r o m s o i l b y m e a n so ft h ec o m m o nb a c t e r i a s c r e e n i n ga n dp u r i f i c a t i o nm e t h o da n dw a s i d e n t i f i e da c c o r d i n gt oi t sm o r p h o l o g i c a l ， p h y s i o l 。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 s w e l la s1 6 sr d n as e q u e n c eh o m o l o g y c 。m p a r i s 。n ，a n dd q 16 6 3 7 5i si t sg e n b a n ka c c e s s i 。na n di t s p d f y ，缈x 口g a lc c t c c m2 0 6 0 1 7 - r e s u l t so ft h e r m a ls t a b i l i t ye x p e r i m e n tw e r e n a m ei sp 口e ，l f 6 口c f z ，“s s h o w e dt h a t ，a f t e rd i f f e r e n th i g h t e m p e r a t u r e s t r e a t m e n to ff e r m e n t a t i o n b r o t ht h e i rn o c c u l a t i o n r a t e sw e r ea l s o f e m a i n e di na b o u t9 9 i t c o u i db ec o n c l u d e dt h a t a l lo ft h o s eb i o n o c c u l a n t st h a t p r o d u c e d b yb a c t e r i a ls t r a i l lg a l h a dag o o dt h e 珊a ls t a b i l i t y t h em a i nc o m p o n e n t o t m b f g a lw a sp o l y s a c c h a r i d e b u tn o tr e d u c t i v ep o l y s a c c h a r i d e s ， w h l c hw a s d e t e 珊i n e d b ya n t h f o n er e a c t i o na n df e h l i n gr e a c t i o n t h ee x p e r i m e n t o fu l t r a v l 0 1 e t s p e c t r u ma n a l y s i sw a su s e dt o t e s ta b s o r p t i o np e a k so fm b f g a la 。h e w a v e l e n g 。n r 二n g eo f2 0 0 枷on m ；t h e r ew e r en oa b s o r p t i 。np e a k s a t2 8 0 n m 2 6 肌2 9 0 衄w h l c h r e p f e s e n tp r o t e i na n dp l l r i n ea n d 刚m i d i n d er i i l g i nn u c l e i ca c i d ，r e s p e c t l v e l y l n a d d i t i o n ， t h ei n f r a r e ds p e c t r o g r a m o fm b f g a lw a s at y p i c a lp o l y s a c c h a n d e s p e c t r o g r a ma n d t h e r ew e r ec h a r a c t e r i s t i c sa b s o r p t i o np e a k so n i t m b f g a lw a su s e dt oi n v e s t i g a t ei t s n o c c u l a t i n gc a p a b i l i t yi n t h ef o l l o w l n g w a s t e rw a t e r t h el i q u i do fk a o l i n ，s o i ls u s p e n d e dl i q u i d ，c o a l - w a s h i n g w a s t e w a t e ra n d t h el a n d f i l ll e a c h a t ew i t ho r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ，t h ei n s p e c t i o n o fg 舢u l a 哪a n d t h e s c a n n i n ge l e c t 伽 m i c r o a n a l y s i s ； m e a n w h i l et h ea n t h r o n e r e a c t i o na n di n 胁e d s p e c t r u ma r ea l s oa p p l i e dt oi d e n t i f yi t sm a i nc o m p o n e n t e a c h n o c c u l a t i n g1 栅e n c e f a c t o r sp l a y e dd i f f e r e n tr o l e sd u r i n gt h ep r o c e s so f n o c c u i a t i n g p h w a st h em a l n f a c t o ri nt h ef l o c c u l a t i n go fl i q u i do fk a o l i na n dl a n d f i l ll e a c h a t ea n d s o l ls u s p e n d e d l i q i l i da n dc o a l w a s h i n gw a s t e w a t e rw e f ea l lm a i n l yc o n t r o l l e d b yd o s a g e q u a i l t i t yo t f e r m e n t a t i o nb r o t h i nt h eo p t i m a l n o c c u l a t i n gc o n d i t i o n s o b t a i n e df r o m t h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ，t h ef l o c c u l a t i n gr a t e so f t h el i q u i do f k a o l i n ，s o l ls u s p e n d e d l i q u i ic 。a 1 w a s h i n gw a s t e w a t e ra n d t h el a n d f i l ll e a c h a t ew e r e9 9 5 3 ，9 9 5 0 ，9 8 2 a n d7 5 6 0 ，f e s p e c t i v e l y t h e r ew a sac o r r e l a t i o n b e t w e e np ha n dc h a r g e o t w a s t e w a t e rp a r t i c l e ss u r f a c e t h eh i 曲e ro fi i l i t i a lp hw a s t e w a t e r h eb i g g e r v a l u eo a p p e a f a n c e a n do p t i m u mf l o c c u l a t i n g w a sn e e d e d m b f g a lc o u l df l o c c u l a t e e f f e c t i v e l vi na l k a l i n e c o n d i t i o n i na d d i t i o n ， t h ed i s t r i b u t i o n o fg f a n u l a 哪 h a s i v 硕：l 学位论文 c h a n g e da f t e rf l o c c u l a t e d t h es i z e0 ft h ea v e r a g eg r a n u l a r i t yo fs o i lb e c a m eb i g g e r a f t e rn o c c u l a t i o n ，a n dr e a c h e do v e r1 ( 耻m ，b u tf o rt h eo t h e rt h r e ek i n d so fg r a n u l a r i t y j u s tt h eo p p o s i t ep h e n o m e n o nh a so c c u r r e d ，a n dt h e i rs i z e sw e r ea l ll e s st h a n1 0 肛m f r o mt h ep h o t o so fs c a ne l e c t r o nm i c r o a n a l y s i so ff b u rt y p e so fg r a n u l e s ，i tc o u l db e d r a w nt h a tt h e r ew e r en 00 b v i o u sd i f f e r e n c e si nt h ea p p e a r a n c e f r o mt h ea b o v ef e s u l t s ， i tc o u l db ep r e s u m e dt h a tm b f g a lc a nb et h eb e s tf l o c c u l a t ef o r t h eg r a n u l e h i g h l y - c o n c e n t r a t e dw a s t ew a t e ra n dt h ed o m i n a t i v en o c c u l a t i n gm e c h a n i s mo ft h e n o c c u l a n tw a sm e c h a n i s mo fa d s o r p t i o n - b r i d g e t h e r ew e r e9t e s t e ds a m p l e sw h i c hc o u l db ee x t r a c t e db ya c e t o n ei n1 6s a m p l e so f d i f f e r e n tc a r b o na n dn i t r o g e ns o u r c e s a n dt h o s es a m p l e sw e r eh i g ht e n l p e r a t u r ea n d h i g hp r e s s u r er e s i s t e dm a t e r i a lf r o mt h er e s u l t so ft h e r m a ls t a b i l i t y e x p e r i m e n t so f u l t r a v i o l e ts p e c t r u ma n a l y s i sw e r eu s e dt ot e s ta b s o r p t i o np e a k so ft h o s e9s a n l p l e sa n d m e a n w h i l ei ts h o w e dt h a tt h e yw e r en o tp r o t e i no rn u c l e i ca c i d e s p e c i a l l y ，t h e4 s a m p l e sw i t hs u c f o s ea st h e i rf e r m e n t a t i o nb r o t ho fc a f b o ns o u r c ec o u l db ee x t r a c t e d m i c r o b i a lp o l y m e r t h e4s a n l p l e sp r e d o m i n a t e di nt h ea s p e c t0 fp r o d u c t i o na n d s o l u b i l i t y ，a n dt h eh i g h e s tp r o d u c t i o ns a m p l ew a s8 4 1 8g lw h i c hw a sw i t hs u c r o s e a n dy e a s te x t r a c ta sf e r m e n t a t i o nb r o t ha m o n gt h e m s a m p l en o 1 ，n o 2a n dn o 3 w e r et h o s ei na b o v e0 f4s a m p l e sa n dt h e r ew e r et y p i c a li n f r a r e ds p e c t r o g r a m so f p o l y s a c c h a r i d ea n dt h et h r e es p e c t r o g r a m s0 u t l i n ea p p e a r e da l m o s tt h es a m es h a p ea n d a b s o r p t i o np e a k s o nt h e0 t h e rh a n d ，t h o s es a m p l e sw h i c hw i t hp e p t o n ea sn i t r o g e ni n t h e i rf e r m e n t a t i o nb r o t hw e r ed i f f e r e n te a c ho t h e ri nt h e i ri n f r a r e ds p e c t r o g r a m s k e yw o r d s ： b i o n o c c u l a n t ；j p 咒f 6 口c f z z h sp d 匀，t ) ，z 口 g a l ；c o m p o s i t i o na n a l y s i s ； f l o c c u l a t i n gc a p a b i l i t y ； i n f l u e n c e f a c t o r s ； c a r b o ns o u r c e ； n i t r o g e ns o u r c e ； u l t r a v i o l e ts p e c t r u ma n a l y s i s ；i n f r a r e ds p e c t f u ma n a l y s i s v 硕上学位论文 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：陋各复 日期：函p 择r 月，9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“v ”) 作者签名：陆被 导师签名：嬲胪孑 日期：廖啼 日期：舻 r 月夕日 r 月，夕日 硕，i ：学位论文 1 1 我国水环境污染现状 第1 章绪论 水是构成生物体的一个最基本要素，是生命发生、发育和繁衍的源泉。随着 人类的进步和工农业生产的发展，人们逐渐认识到水并不是取之不尽用之不竭的 资源，而是人类社会正面临的紧缺资源。日益严重的水资源短缺和严重的水环境 污染困扰着国计民生，而且也已成为制约社会经济可持续发展的主要因素。据不 完全统计，目前全世界有一百多个国家缺水，其中严重缺水的国家已达四十多个。 我国水资源主要呈现出以下几方面的特点：第一，水资源总量大，但人均占有量 少。中国人均水资源2 2 2 0 m 3 ，仅为世界平均水平的1 4 。北方黄、淮、海三个流 域年人均水资源量则更低，仅为4 5 7 m 3 ，干旱缺水的程度十分严重。第二，降水 量年内、年际分布不均，变率大。北方少雨地区，丰水年的降水量一般为枯水年 的3 8 倍，全国大部分地区年最大4 个月的降水量占全年降水总量的6 0 8 0 。 第三，我国的年降水量和年径流深受海陆分布和地形等因素的影响，在地区分布 上极不均匀，年际、年内以及空间分布变异性大，总趋势为从东南沿海向西北内 陆递减，南、北方水资源条件有明显差异。全国水资源有8 0 4 分布在长江流域 及其以南的地区；长江流域以北地区人口占全国的4 4 3 ，但水资源仅占1 4 7 。 2 0 0 6 年全国环境公报显示，全国地表水总体水质属中度污染。在国家环境监 测网实际监测的7 4 5 个地表水监测断面中( 其中，河流断面5 9 3 个，湖库点位1 5 2 个) ，i i i i 类，、v 类，劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、3 2 和2 8 。主 要污染指标为高锰酸盐指数、氨氮和石油类等。珠江、长江水质良好，松花江、 黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重度污染：重点城市集中式饮用水源地总 体水质良好；南海、黄海近岸海域水质良好，渤海、东海近岸海域分别为轻度和 中度污染，远海海域水质良好；全国城市空气质量总体较上年有所改善，重点城 市空气质量保持稳定。酸雨分布区域保持稳定，主要集中在长江以南，四川、云 南以东的区域。水资源是人类赖以生存的基础，我国作为一个贫水国，水污染日 益严重，加剧了水资源的供求矛盾，影响了工农业生产的发展、人民生活水平的 提高和社会的稳定，在2 1 世纪必将成为继石油之后的又一个战略资源。因此必须 重视我国水资源短缺、水污染严重的状况，采取必要措施对水污染尤其是人为因 素产生的污染进行防治和治理【1 4 j 。 多粘类芽孢杆菌g a l 所产絮凝剂影响冈素及絮凝性前的研究 1 2 絮凝剂概况 1 2 1 水处理与絮凝法 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。 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【1j 。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，包括好氧法和厌氧法。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【2 j 。 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【4 1 。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【3 ，4 l ，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 2 2 絮凝剂的种类 絮凝剂是指在液体中，用作聚集黏附并使之生成絮状物的药剂。针对近年来 日益严重的水污染问题而被广泛地应用于工业废水处理、甚至食品生产和发酵等 工业中，尤其在污废水的生物处理净化的应用最为普遍。絮凝剂种类繁多，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，慎重投入实际使用1 1 ，5 。 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、有机絮凝剂和 天然高分子絮凝剂三大类。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 2 硕十学位论文 离子型絮凝剂，具体分类见表1 1 i 弘引。 传统无机絮凝剂主要是铁盐、铝盐两个体系与有机高分子型主要为聚丙烯酰 胺及其衍生物，这两种絮凝剂絮凝效果都比较好，尤其是聚丙烯酰胺及其衍生物 絮凝剂，由于具有高絮凝性和低生产成本而得到广泛应用，上世纪8 0 年代日本这 类絮凝剂的年产量就已达2 4 0 0 吨，现在的制糖行业绝大多数产家在澄清工序中都 是使用该类絮凝剂。无机絮凝剂的应用历史已久，但无机高分子絮凝剂却是在6 0 年代后期才在世界上发展起来的，无机低分子絮凝剂在水处理过程中存在较大的 问题，逐渐被无机高分子絮凝剂所取代。 表1 1 絮凝剂的分类 明矾k a l ( s 0 4 ) 2 1 2 h 2 0 、越c 1 3 6 h 2 0 、 无机低分有机阳离子絮凝剂 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 、f e c l 3 、f e s 0 4 。7 h 2 0 、 子絮凝剂 有机阴离子絮凝荆 c a o 无机 铝系高分子絮凝剂 聚合氯化铝( p a c ) 、聚合硫酸铝( p a s ) 絮凝剂 无机高分铁系高分子絮凝剂 聚合硫酸铁( p f s ) 硅系高分子絮凝剂 活化硅酸( a s ) 子絮凝剂 无机复合高分子絮凝 聚硅硫酸铝( p a s s ) 、聚合氯化铝铁 剂 ( p a f c ) 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 有机 有机高分有机阴离子絮凝剂聚丙烯酸钠 絮凝剂 子絮凝剂 非离子絮凝剂 聚乙烯醇 天然高分 壳聚糖、藻酸钠、几丁质、纤维素、改性淀粉、环糊精、微生物絮凝剂 子絮凝剂 近年来，无机新型高分子絮凝剂的研制主要向引入其他离子，制备复合型絮 凝剂方向发展，除常用的聚铝，聚铁外，还有聚活性硅胶及其改良产品。其目的 是引入某些高电荷离子以提高电荷中和能力；引入羟基，磷酸根离子等以增强配 位络合能力，从而改善絮凝效果。而有机合成高分子絮凝剂从结构上看，是以聚 乙烯、聚丙烯类聚合物及其共聚物为主，其中聚丙烯酞胺类用量大，占有机高分 子絮凝剂的8 0 左右。目前，国内外有关阳离子型合成高分子絮凝剂的报导比较多， 主要是季胺盐类，聚胺盐类以及阳离子型聚丙烯酞胺等，其中研究与应用最多的 是季胺盐类，它们均已被研制成功并在工业水处理中得到了广泛的应用。 天然有机高分子絮凝剂有纯天然的，但大多数经化学改性而成。此类絮凝剂 原料来源广泛，价格便宜，无毒，易于降解和再生，具有巨大的开发潜能。自2 0 世纪8 0 年代以来，国外学者就开始了天然有机高分子改性絮凝剂的开发研究。目 3 多粘类芽孢杆菌g a l 所产絮凝剂影响冈素及絮凝性能的研究 前，此类絮凝剂的产量约占高分子絮凝剂产量的2 0 。它们的研究开发为天然资源 的利用以及生产无毒絮凝剂开辟了新途径。按其原料的来源不同，一般可分为淀 粉衍生物、纤维素衍生物、植物胶改性产物、多聚糖类及蛋白质类改性产物等， 其中最具发展潜力的是水溶性淀粉衍生物和多聚糖改性絮凝剂。 1 2 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；( 2 ) 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 水及酸法造纸废水等含有较多硫化物的工业废水时，f e 3 + 会被还原为f e 2 + ，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； ( 3 ) 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a 1 3 + 具有毒性，有资料显示，水中的a 1 3 + 浓度高于 o 2 加5 m 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 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 1 3 + 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【卜引。 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1 5 以引。 1 3 微生物絮凝剂的概况 微生物絮凝剂( m i c r o b i a lf l o c c u l a n t s ，m b f ) 是一类由某些微生物产生的具有 絮凝活性的有机物质，其形式可能是微生物细胞，也可能是细胞壁结构物质或是 其代谢产物，主要成分是糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素、核酸等大分子物质， 4 硕上学位论文 它们是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 淀的特殊高分子聚合物。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，其中有文献报道的絮凝微生物种类已达 5 0 余种【6 1 。 1 3 1 微生物絮凝剂的特点 微生物絮凝剂不但具有传统絮凝剂的特点，且其特定的成分决定了其可生物 降解、对环境和人类无毒无害的独特性质，这是其他无机和有机絮凝剂无法比拟 的。微生物絮凝剂具有许多独特的性质和优点：( 1 ) 为微生物的代谢产物，无毒 无害，安全性高；微生物絮凝剂为微生物菌体或菌体分泌的高分子枷衙，属于天 然有机高分子絮凝剂，相关毒理学实验证明其安全无毒。微生物絮； jm b f a 9 的急性毒理学实验结果表明：小白鼠一次吞食1 k g 的该絮凝剂后，体态、饮食、 运动均无异常反应【1 5 l 。给小鼠、豚鼠注射r e r y 觑，d p d 凰的细胞及培养液，均不致 病【1 6 ，1 7 1 ；( 2 ) 易被微生物降解，无二次污染；目前使用的絮凝剂如铝盐、铁盐及 其聚合物、聚丙烯酰胺及其衍生物等，经过絮凝之后形成的废渣不能或难于被生 物降解，严重污染水体和土壤，造成二次污染，并且在水中积累达到一定浓度后， 会对人体健康造成危害。微生物絮凝剂为微生物菌体或菌体分泌的高分子物质， 主要成份为多聚糖、多肽和蛋白质等，属于天然有机高分子絮凝剂，它安全无毒， 具有可生化性，易被微生物降解，不会影响水处理效果，且絮凝后的残渣可被生 物降解，对坏境无害，不会造成二次污染【6 ，1 2 ，1 3 ，1 4 】( 3 ) 易于固液分离，形成沉淀 物少；( 4 ) 某些絮凝剂具有p h 和热稳定性强的特点；( 5 ) 有很强的除浊性能，有 些还具有很好的脱色能力和吸附沉降重金属离子的性能；( 6 ) 用量少，使用范围 广泛。 1 3 2 产絮凝剂的微生物种类 能产生絮凝剂的微生物有很多种类，通常土壤和活性污泥都是分离胞外生物 高聚物絮凝剂产生菌的最好场所。表1 2 列出了目前已研究过的可以产絮凝剂的微 生物，包括细菌、放线菌、真菌以及藻类。这些已经鉴定的絮凝微生物大量存在 于土壤、活性污泥和沉积物中，如微生物絮凝剂产生菌黄质菌属1 1 0 1 1 8 】，菌胶团 ，口肌蹭e r 口f 1 纠，假单胞菌c 1 2 0 【2 们，诺卡氏菌属口肌口，口py k l 【2 1j 和尉“y ，e ，d ，缈c e s c ，y d c 厂e s c 已，l si 认1 0 3 【2 2 】也都是从活性污泥中分离出来的。 5 多猫类芽孢杆菌g a l 所产絮凝剂影响| 大i 素及絮凝忡能的研究 表1 2 产微生物絮凝剂的微生物种类及名称 产生菌种类产生菌名称菌种发现者及时间 6 硕l j 学位论文 讹，l 口s c h s 口仃加赤红曲霉 g 已d fr f c j i l ，”c 口以d f d h m 白地霉 s o r d n r i af i m i c o t a p 口e c f ，d ，砂c e ss p 拟青霉属菌 & c c j i l 口，d 朋y c e sc 已，p ，括妇e 酿酒酵母菌 n a k a m u r a 等，1 9 7 6 n a k a m u r a 等，1 9 7 6 n a k a m u r a 等，1 9 7 6 t a k a g i 和k a d o w a k i ，1 9 8 5 s a i t o 等，1 9 9 0 1 3 3 微生物絮凝剂的分类 1 3 3 1 按来源不同分类 按照来源不同，微生物絮凝剂主要可分为3 类i 4 罐】： ( 1 ) 直接利用微生物细胞的絮凝剂 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。 ( 2 ) 利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂 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 的多糖为几丁质，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 f a b t r e e 等人对菌胶团细菌z d d g ，d e 以，口，l 堙e ，口的研究证明，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 1 6 ，17 1 ，何宁等研制对r e a 1 1 的研究【2 3 _ 2 5 1 。 7 多粘类芽孢杆菌g a l 所产絮凝剂影响防l 素及絮凝性能的研究 1 3 3 2 按絮凝剂的化学组成不同分类 一 根据化学组成的不同，微生物絮凝剂可分为3 类： ( 1 ) 糖类物质 目前己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 【1 6 ，”1 的主要成分为 蛋白质，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 道尔顿。 ( 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 【2 6 】从尼e r ) ，m ，d p o 凰s 1 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 c 4 0 不等，其中以c 3 4 、c 3 6 和c 3 8 居多。 1 3 3 3 其他分类方法 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： ( 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1 6 1 引。现公认的能产生微生物絮凝剂的微 生物有以下种属：d c 口坩砌s p 、a 驴e 曙f ，比js p 、n e “如胁d 咒口ss p 、c d ，g 咒e 施c 纶厂f “垅 s p 、 d p ，咒口f f “， s p 、p 口c e c 面吣c e ss p 、 彳c f ，l e f d 6 口c f e r s p 、彳z c 口z 辔p ，l e 5s p 、 4 9 ，d 6 口c f e ，- i h ，行s p 等。 ( 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 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 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【2 3 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d c 口厂d 砌e 唧咖，d p d 凰可以在降解塑料生产中的酞酸酯的同时， 8 硕l 二学位论文 产生絮凝剂i2 刀。l s h i d af u i i ik 等把勋c c j i l 以，d ，l y c e sc e r e v 衙口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【2 引。 1 3 4 絮凝微生物产絮过程的影响因素 不同的微生物对营养条件的需求也不一样，同时它们的培养条件也不尽相同。 筛选到高效絮凝剂产生菌之后，必须对其产絮凝剂培养基成分( 碳源、氮源和其他 生长因子) 和培养条件( 培养基初始p h 值、温度、通气量等) 进行优化研究，找到其 产絮凝剂的最佳培养基和培养条件【2 9 旬9 1 。这是微生物絮凝剂在初期实验室研究阶 段中所必须明确的问题，对于后期微生物絮凝剂工业化生产具有指导作用。 ( 1 ) 碳源 微生物絮凝剂的合成和碳源有较大的关系。对于细菌来说，单糖有 利于菌体吸收和利用，从而加快其生长繁殖和体内物质的积累，促进絮凝剂的产 生。一些霉菌利用淀粉作为碳源生长和产生絮凝剂的情况也很好，这是由于这些 霉菌可分泌各种淀粉酶，使淀粉水解，生成易于被吸收的糖类。 ( 2 ) 氮源不同的微生物絮凝剂产生菌对氮源要求是不同的，即有机氮源、无 机氮源单独使用或是联合使用均能够成为微生物絮凝剂生产的最适氮源。 ( 3 ) 碳氮比碳氮比对于某些微生物产生的絮凝成分有决定性的影响。 ( 4 ) 无机盐和金属离子微生物絮凝剂的产生受培养基中金属离子的影响较 大。 ( 5 ) 生长因子培养基中的生长因子影响微生物絮凝性表现的原因主要有两个 方面：一是通过调节絮凝基因的表达；二是对微生物产生的絮凝剂进行了物理或 化学的修饰。 影响絮凝剂产生菌生长和絮凝剂合成的环境因素有很多，有物理的、化学的 和生物的因素。其中最主要的环境因素有温度、p h 、溶解氧、接种量、培养时间 等等。通常，营养丰富的培养基有利于絮凝剂的产生，但是不同的絮凝剂产生菌 对营养要求不同，甚至相互间差别很大。同时研究结果表明，对于某特定的菌 种，细胞生长的最佳营养条件往往不同于絮凝剂产生条件。 1 3 5 微生物絮凝剂的物质成分及结构 1 3 5 1 微生物絮凝剂的物质成分 由于微生物絮凝剂产生菌的不同，不同的菌种所产生的微生物絮凝剂的种类 也就不同，物质特性也各不相同。对于所筛选到的絮凝剂产生菌，必须对其所产 生的微生物絮凝剂进行鉴定，分析絮凝性在培养液中的分布情况，确定是由菌体 细胞引起的絮凝还是胞外代谢物质引起的絮凝。然后针对不同类型的絮凝剂采用 9 多粘类芽他轩菌g a l 所产絮凝剂影响因素及絮凝忭能的研究 合适的方法分离提纯。对于胞外絮凝剂，对其进行物质成分分析，鉴定出物质成 分。 到目前为止，已报道的微生物絮凝剂有糖蛋白、黏多糖、蛋白质等高分子化 合物，其分子量一般在1 0 5 以上。如n e h d d 小伽口ss p c 1 2 0 产生的絮凝剂是天然 d n a 【6 】：尺j i l d 如c d c c “5e ，) ，历，i d p d 凰产生的絮凝剂n o c 1 是多糖蛋白【1 6 ，1 7 】； 尸口e c f ，d 优y c p ss p 产生的絮凝剂p e l 0 1 是由氨基半乳糖相连而成的黏多糖； 彳s p e 馏i z z “ss d 加pa j 7 0 0 2 【4 0 j 产生的絮凝剂是蛋白质和已糖的聚合物，聚合物中氨基 己糖对絮凝起主要作用，蛋白质部分可辅助增大絮凝剂的相对分子质量，该絮凝 剂还含有2 葡萄糖酮酸；真菌础d ，觑f 讲h 所s p 产