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微生物絮凝剂的研制、性能、作用机理及其应用研究 微生物絮凝剂的研制、性能、作用机理及其应用研究 摘要 随着经济的高速发展和人口的增长，我国每年的用水量和污水排放量 持续增加，污水处理问题受到越来越广泛的关注。在众多水处理方法中， 絮凝沉降法是目前国内外普遍采用的一种既经济又简便的水处理方法。传 统絮凝剂中广泛使用的铁系、铝系及聚丙烯酰胺类絮凝剂会造成一定的污 染，且对人体健康存在潜在危害，易引发老年痴呆症、癌症等疾病。微生 物絮凝剂是天然生物高分子絮凝剂，其絮凝效果好，对人体无害，易被生 物降解，不会污染酒糟饲料，对生态环境无不利影响。因而目前微生物絮 凝剂的研究已成为环境工程领域的研究热点。 本课题主要针对微生物絮凝剂在淀粉酒精废水处理过程中应用的必要 性和优越性，从土壤和活性污泥中筛选能产生絮凝剂的菌种，并在此基础 上对微生物絮凝剂的絮凝特性、应用和作用机理等进行初步研究。具体研 究内容及结果如下： 1 从土壤和活性污泥中共分离纯化4 6 株纯菌株，经初筛、复筛研究。 从活性污泥中筛选出菌株m b f - g l ，其絮凝活性最高，絮凝率达到8 4 2 。 经鉴定，菌株m b f - g l 为疣孢青霉( p e n j c j i1 u mv e r r u c u i o s u m ) 。将该菌 株作为本课题试验菌株。 2 研究了絮凝剂产生菌m b f - g l d 不同菌龄、接种量、碳源、氮源、培 养温度、初始p h 值、渗透压等培养条件对产絮凝剂的影响。并在单因素实 验基础上设计正交试验，确定菌株m b f - g l d 合成絮凝剂的优化培养条件为： n a c i 浓度3 、碳源为蔗糖、氮源为硫酸铵、培养液初始p h 值7 。 3 研究了絮凝剂投加量、絮凝体系温度、絮凝体系p h 值、搅拌速度、 i 广西大学硕十学位论文 微生物絮凝剂的研制、性能、作用机理及其应用研究 金属离子等因素对微生物絮凝剂絮凝效果的影响。并在单因素实验基础上 设计正交试验，确定该微生物絮凝剂在高岭土悬液中的最佳絮凝条件为： 絮凝剂投加量0 5 m l , 1 0 0 m l 、絮凝体系温度5 0 、絮凝体系p h 值1 0 、搅拌速 度4 5 0r r r l i n 一。 4 将由菌株m b f - g l d 合成的微生物絮凝剂( m b f ) 与聚丙烯酰胺( p a m ) 应用于高岭土悬液、淀粉酒精废液及糖汁清净，对比两者絮凝效果；在 对高岭土悬液絮凝实验中，m b f 和p a m 的絮凝率分别为9 3 1 、8 6 6 。 对淀粉酒精废液的絮凝实验发现，m b f 对淀粉酒精废液c o d 的去除效果没有 p a m 效果好，但在脱色及悬浮物的去除方面则优于p a m ，两种絮凝剂的絮凝 作用效果基本相当。糖汁清净絮凝实验发现，m b f 与p a m 在沉降速度、脱 色及除浊方面的作用效果基本相当。 5 测定微生物絮凝剂活性成分分布，发现其絮凝活性成分主要存在于 发酵液离心后的上清液中，经测定有效成分主要为多糖类物质。 6 研究了菌株m b f - g l d 所产絮凝剂的絮凝机理：在搅拌作用、布朗运 动及范德华力作用下克服静电排斥力使絮凝剂和颗粒相互靠近，并且絮凝 剂大分子借助离子键同时吸附多个无机或胶体颗粒，在絮体间产生桥联现 象，从而形成大颗粒迅速沉降下来。 7 通过紫外一可见光光度计中的动力学扫描程序扫描出絮凝剂不同使 用量下吸光度随时间变化曲线图，推导出沉降过程中吸光度与沉降时间、 絮凝剂投加量的动力学方程：a - - - 0 0 1 5 c 0 5 6 8 x 0 一p 卸0 1 ) + o 5 0 7 。 关键词：微生物絮凝剂疣孢青霉( p e n i c i l l i u mv e r r u c u l o s u m ) 絮凝率絮凝机理 沉降动力学淀粉酒精废液 n 广西人学硕士学位论文 微生物絮凝剂的研制、性能、作用机理及其麻用研究 s t u d yo fm i c r o b i a lf l o c c l a n to n m a n u f a c t u r e ，a c t i v i t y m e c h a n l s ma n d a p p l i c a t i o n a b s t r a c t w i t hh i g hs p e e dd e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n dp o p u l a t i o n , t h eq u a n t i t yo f w a t e rw eu s e da n dl e ti sa l s oi n c r e a s i n ge v e r yy e a r t h ep r o b l e mo fw a s t e w a t e r t r e a t m e n tb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，a n df e e d w a t e ri s s u e g e t s w i d e s p r e a da t t e n t i o n o n e o ft h e s en u m e r o u sw a t e rt r e a t m e n tm e t h o d si s f l o c c u l a t i o n - s e d i m e n t a t i o n w h i c hi sam e t h o db o t he c o n o m i c a la n ds i m p l eu s e d i nd o m e s t i ca n df o r e i g na t p r e s e n t i nt h et r a d i t i o nf l o c c u l a n t s ，t h ei r o n ， a l u m i n u ma n dt h ep o l y a c r y l a m i d ec l a s sf l o c c u l a n t s ，w h i c ha r ew i d e s p r e a du s e d ， c a nc a u s ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，a n de x i s tl a t e n th a r mt ot h eh u m a nh e a l t h ，i s e a s yt oi n d u c eo l da g ed e m e n t i a c l h 3 c e ra n do t h e rd i s e a s e t h em i c r o b i a l f l o c c u l a n ti st h en a t u r a lb i o m a c r o m o l e c u l ef l o c c u l a n t ，w h i c hi sh a r m l e s st ot h e h u m a nb o d y , e a s i l yb i o d e g r a d a t i o n ，d o e sn o tp o l l u t et h ed i s t i l l e r sg r a i nf e e d ， d o e sn o th a v et h ea d v e r s ee f f e c tt ot h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t , a n dt h e f l o c c u l a t i o ne f f e c ti sv e r yg o o d ，t h u sa tp r e s e n th a sb e c o m et h ee n v i r o n m e n t p r o j e c td o m a i ns e a r c hh o ts p o t t h i st h e s i si sr e s e a r c hi nt h ef o u n d a t i o nt of i l t r a t eaf u n g u sw h i c hc a np r o d u c e f l o c c u l a n tf r o mt h es o i la n dt h ea c t i v es l u d g e ，t h e nh a v ea p r e l i m i n a r ys t u d yo n t h em i c r o b i a lf l o c c l a n ta c t i v i t y , a p p l i c a t i o na n dt h ea c t i o nm e c h a n i s m 1 1 1 e c o n c r e t er e s e a r c ha n dr e s u l t so f t h i st h e s i sa r ef i t sf o l l o w s ： 1 4 6p u r ep l a n t sh a v e b e e ns e p a r a t e df r o mt h es o i la n da c t i v es l u d g e ，t h e n a f t e rf i r s ts i e v e sa n ds e c o n ds i e v e s 1 1 1 ef u n g u sm b f g ls e p a r a t e df r o ma c t i v e s l u d g ep r o d u c ef l o c c l a n ta c t i v e n e s si sh i g h e s t ，a n dt h ef l o c c u l a t i n gr a t er e a c h e s 广西人学硕上学位论文微生物絮凝剂的研制、性能、作用机理及其戍用研究 t o8 4 2 b yt h ea p p r a i s a l m b f g lb e l o n g st op e n i c i l l i u mv e r r u c u l o s u m t a k e i ta st h ee x p e r i m e n to b j e c t 2 s t u d i e dt h ee f f e c to fd i f f e r e n tf u n g u sa g e ，i n o c u l a t i o nq u a n t i t y , c a r b o n s o u r c e ，n i t r o g e ns o u r c e ，t e m p e r a t u r e ，i n i t i a lp h v a l u ea n do s m o t i cp r e s s u r eo n f u n g u sm b f g l db i o f l o c c u l a n tp r o d u c t i o n t h e nd e s i g n t h e o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t o nt h eb a s eo fs i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t g e tt h em b f g l d f l o c c u l a n to p t i m i z e dc o n d i t i o ni s ：n a c id e n s i t yi s3 c a r b o ns o u r c ei st h e s u c r o s e ，n i t r o g e ns o u r c ei st h ea m m o n i u m s u l f a t e ，a n dt h en u t r i e n tf l u i di n i t i a l p h v a l u e i s7 3 s t u d i e dt h ee f f e c to ft h eq u a n t i t yo fb i o f l o c c u l a n ta d d i n g ，t h e f l o c c u l a t i o ns y s t e mt e m p e r a t u r e ，f l o c c u l a t i o ns y s t e mp hv a l u e ，w h i s k i n gs p e e d a n dm e t a l l i ci o no nf l o c c u l a t i n gr a t e s t h e nd e s i g nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n to l l t h eb a s eo f s i n g l e f a c t o r e x p e r i m e n t g e t t h eb i o f l o c c u l a n t o p t i m i z e d f l o c c u l a t i o nc o n d i t i o ni nt h ek a o l i nf l u i di s ：t h eq u a n t i t yo f b i o f l o c c u l a n ta d d i n g i so 5 m l 1 0 0 m l 一，t h ef l o c c u l a t i o ns y s t e mt e m p e r a t u r ei s5 0 。c ，t h ef l o c c u l a t i o n s y s t e mp h v a l u ei s1 0 ，a n dw h i s k i n gs p e e di s4 5 0 r 。m i n 1 4 a p p l i e dm b fa n dp a mt ot h e w a t e rt r e a t m e n t ，c o n t r a s t st h e m f l o c c u l a t i o ne f f e c t s ：( 1 ) i nt h ek a o l i nf l u i df l o c c u l a t i o ne x p e r i m e n t ，t h em b f f l o e c u l a t i o nr a t ei s9 3 1 ，a n dt h ep a mf l o c c u l a t i o nr a t ei s8 6 6 ( 2 ) i nt h e s t a r c he t h y la l c o h o lw a s t e w a t e rt r e a t m e n te x p e r i m e n t , t h ee f f e c to fm b f r e m o v e sc o di si n f e r i o rt op a m ，b u ti t se f f e c ti nd e c o l o r i z a t i o na n dr e m o v i n g t h es u s p e n s i o ns u r p a s sp a m 0 ) i nt h es y r u pp u r i f y i n ge x p e r i m e n t ，t h em b f h a ss i m i l a re f f e c tw i t hp a mi ns e d i m e n t a t i o nr a t e ，d e c o l o r i z a t i o na n dr e m o v i n g t h es u s p e n s i o n 5 b ym e n s u r a t i n gt h em b f a c t i v ec o n s t i t u e n td i s t r i b u t i o n , d i s c o v e r e dt h e a c t i v ec o n s t i t u e n tm a i n l ye x i s t si nt h ef e r m e n t a t i o nf u i ds e r u m a n dt h e e f f e c t i v ec o m p o n e n tm a i n l yi sm u l t i c a r b o h y d r a t e sm a t t e r 6 s t u d i e dt h eb i o f l o c c u l a t i o nm e c h a n i s m ：u n d e rt h ea g i t a t i o n , t h e 广西大学硕士学位论文微生物絮凝剂的研制、性能、作用机理及其应用研究 b r o w n i a nm o v e m e n ta n dv a n d e r w a a l sf o r c e ，m a c r o - m o l e c u l e so v e r c o m et h e s t a t i ce l e c t r i c i t yr e p e l l i n gf o r c et om a k et h ef l o c c u l a n tm o l e c u l ea n ds u s p e n d e d g r a n u l ep e l l e t m u t u a l l ya p p r o a c h a n dt h ef l o c c u l a n tm a c r o - m o l e c u l e s i m u l t a n e o u s l ya d s o r b sm a n yi n o r g a n i co rc o l l o i dp e l l e tw i t ht h ea i do f t h ei o n i c b o n d ，t h e r eh a sb r i d g ea s s o c i a t i o np h e n o m e n o ni nt h ew a d d i n gs u b s t a n c e b e t w e e n ，t h u sf o r m st h eb i gp e l l e tr a p i ds u b s i d e n c et og e td o w n 7 t op r o t r a c tt h ea b s o r b a n c ec u r v e sd i a g r a mc h a n g e dw i t ht i m eu n d e rt h e u l t r a v i o l e t - v i s i b l el i g h tl u x m e t e ri nd y n a m i c ss c a n n i n gp r o c e d u r e ，a n di n f e rt h e d y n 锄i ce q u a t i o n ：a t 0 0 1 5 c o5 6 8 ( 1 一产) + o 5 0 7 k e yw o r d s ：m i c r o b i a lf l o c c u l a n t ；p e n i c i l l i u mv e r r u c u l o s u m ；f l o c c u l a t i n g r a t e ；f l o c c u l a t i n gm e c h a n i s m ；s e d i m e n t a t i o nk i n e t i c s ；a l c o h o lw a s t e w a t e r v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所里交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均己在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 靖危耖口7 年月2 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时问： 划即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 僦一：甘毛一名：寥l 娠哆年6 月侈日 广西大学硕上学位论文微生物絮凝刺的研制、性能、作用机理及其戍用研究 第一章绪论 微生物絮凝剂( m b f ) 是某些种类的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。微生物絮凝剂一般由多糖、蛋白质、d n a 、 纤维素、糖蛋白、聚氨基酸等生物高分子物质构成，分子中含有多种官能团，能使水中 胶体悬浮物凝聚、沉淀；且其自身具有可生化性，即能够自行降解【l 删。微生物絮凝剂 具有两大特点：一是絮凝效果好且不存在二次污染，使用安全、方便、应用条件粗放； 二是来源广，能产生絮凝剂的微生物种类多，生长快，易于通过生物工程手段实现产业 化，价格低廉。当前微生物絮凝剂的研制与应用日益引人注目，应用前景极为广阔。有 学者预言未来微生物絮凝剂将可能取代或部分取代传统的无机高分子和合成高分子絮 凝剂。 1 1 微生物絮凝剂的国内外研究现状 最早的微生物絮凝剂产生菌是b u t t e r f i e l d 10 】从活性污泥中筛选得到。1 9 7 6 年， n a k a m u r a 等人【1 1 1 从霉菌、细菌、放线菌和酵母菌等2 1 4 种菌株中，筛选出1 9 种具有絮凝 能力的微生物，其中霉菌8 种，细菌5 种，放线菌5 种，酵母菌1 种，以酱油曲霉a j 7 0 0 2 产生的絮凝剂最好。1 9 8 6 年，日本的仓根隆一郎等人d 2 1 从旱田土壤中分离筛选得到红平 红球菌，并将菌株产生的微生物絮凝剂n o c 1 作用于大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、 粉煤灰水、活性炭粉水、膨胀污泥和纸浆废水等，均有极好的絮凝和脱色效果，是目前 发现的最好的微生物絮凝剂。 近几年来，s a l e h i z a d e h 1 3 l 从污泥中分离出觑如堪加研珊产酸性多糖类絮凝剂，其热 稳定性良好，在c a 2 + 、m 矿+ 、f e 2 + 参与下，可以絮凝无机和有机成分如色素、酵母、高 岭土和活性炭等。h e e m o c k 1 4 】从绿藻中筛选出p a e n i b a c i l l u ss p a m 4 9 絮凝剂，p h 值为 5 l l ，其絮凝效率( 8 3 ) 超过聚丙烯酰胺( 7 8 ) 和过氧化铝( 7 2 ) 。 我国对于微生物絮凝剂的研究起步较晚，与国外相比有较大差距，据已有的文献报 道可知我国微生物絮凝剂的研究尚处于实验室研究阶段，但也取得了可喜的研究成果。 李智良掣1 5 谰常规的细菌分离纯化方法从废水、土壤、活性污泥中分离出4 2 株细菌， 广西人学硕士学位论文 微生物絮凝剂的研制、性能、作用机理及硅应用研究 经筛选获得i - 2 3 、i - 2 4 、- 4 ，i l i - 2 ，1 1 1 - 8 和i i i - 1 2 六株微生物絮凝剂产生菌，用各菌株离心 去菌体的培养液对造纸黑液、皮革废水、偶氮染料废水、硫化染料废水、电镀废水、彩 印制版废水、石油化工废水、造币废水以及蓝墨水、碳素墨水等进行的絮凝试验表明， 废水固液分离效果良好，c o d e r 去除率达5 5 - 9 8 ，悬浮物、色度和浊度去除率达9 0 以上。 庄源益等【1 6 1 刀从天津市区和郊区土壤中分离出的多种菌株中筛选出6 株对水中染料 有较好的絮凝脱色作用的微生物絮凝剂产生菌，利用其培养液对具有代表性的碱性、酸 性、酸性媒介和直接耐晒等染料水溶液进行了探索性的絮凝试验。所筛菌种对直接深棕 染料脱色率可达9 0 以上，对直接黑染料生产废水稀释液的脱色率为6 0 左右。 李蒙英等【1 8 1 组建的真菌和细菌共培养体系对5 0 m g l 4 红m 3 b e 和艳蓝k n r ：i t i ：n 5 h ，去除率达1 0 0 和9 7 7 。并证明，此体系对另外1 2 种染料的降解效果同样很好， 表现出脱色降解染料的广谱性。 此外，邓述波等【1 9 1 筛选高效絮凝剂产生菌a 9 处理淀粉废水有较好的絮凝效果。陆 茂林等 2 0 l 筛选的n o c a r d i 口s p 属( 诺卡氏菌属) 的j i m 8 9 和j i m 1 2 7 ；黄民生等口1 1 筛选出 i 鬟j q 3 2 、q 1 、q 2 、y - 1 菌株；宫小燕等1 筛选的絮凝剂产生菌b h 2 8 都对所试絮凝材 料具有良好的絮凝效果。李向飞等【2 3 1 研究了白腐真菌与黄孢原毛平革菌对4 种难降解染 料的脱色效果，其对3 种染料的脱色效率超过9 0 。杨开等 2 4 1 采用微生物絮凝剂普鲁兰 和聚合氯化铝复合絮凝的方法以及汪恂口5 1 用微生物絮凝剂进行城市污水一级强化处理 实验，效果理想。董军芳等 2 6 1 将微生物絮凝剂和硫酸铝以3 ：2 的比例混合，处理自来水 原水2 4h ，2 5 项指标均达到饮用水标准。 1 2 微生物絮凝剂的种类及产絮凝剂微生物的种类 1 2 1 微生物絮凝剂的种类 微生物絮凝剂根据物质的组成不同，它可以分为以下几类口7 冽。， ( 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，它们大 量存在于土壤、活性污泥和沉积物中。 ( 2 ) 利用微生物细胞提取物的絮凝剂，如酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白 质和n 乙酸葡萄糖胶等成分均可以作为絮凝剂。 ( 3 ) 利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂，微生物细胞分泌到细胞外的代谢产物， 2 广西大学硕上学位论文微生物絮凝剂的研制、性能，作用机理及其应用研究 主要有细菌的荚膜和粘液质，除水分外，其余主要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、 脂类及复合物，其中多糖在某种程度上可作为絮凝剂。 1 2 2 产絮凝剂微生物的种类 能产生微生物絮凝剂的微生物种类很多。目前已知的种类有霉菌、细菌、放线菌和 酵母菌等，见表1 1 。这些已经鉴定的絮凝微生物，大量存在于土壤、活性污泥和沉淀 物中，从这些微生物中分离出的絮凝剂不仅可以用于处理废水和改进活性污泥的沉淀性 能，还能用在微生物发酵工业中进行微生物细胞和产物的分离。 表1 - 1 一些能产生生物絮凝剂的微生物嘲 ! ! ! ! ! ! ：! m i ! 翌旦艘麴型! 丛! 磐! ! ! 鲤业堡型型 微生物种类絮凝剂主要成分 a g r o b a c t e r i u ms p 土壤杆菌属 r h o c o c o c c u se r y t h r o p o l i s a l c a l i g e n e sl a t u s 产碱杆菌属 a l c a l i g e n e sc u p i d u s c o r y n e b a c t e r i u m h y d r o c a r b o n c a l a s t u s d e m a t i u ms p m y c o b a c t e r i u mb r e v i c a l e 细菌t 擘 s 8 e 咛u a o 脚m o n 7 娜a s 踞s t u t z e r t b a c i l l u ss p m e t h u l o b a c t e r i u m r h o d e s i a n u m l a c t o b a c i l l u sf e r m e n t u m 蛋白质 酸性聚多糖 聚多糖 蛋白质 黏多糖、多糖 蛋白质 蛋白质 f l a v o b a c t e r i u ms p b r e v i b a c t e r i u m 氨基多糖 z o o g o l e as d 蒡 救 丝型型! 翌翌烂笆型璺垡! 鲤丝 n o c a r d i aa m a r a e蛋白质 放线菌 n o c a r d i ar e s t r i c t a 查! 型丝竺盥丝! ! 缎! 丝 e u p e n i c i l l i u mc r u s t a c e u s p a e c i l o m y c e ss p 聚半乳糖胺 真菌 a s p e r g i l l u ss o j a e 多聚糖胺、蛋白质、有机酸 h a n s e n u l aa n o m a l a蛋白质 1 2 3 产絮凝剂微生物的来源和筛选 国内外研究所采用的絮凝微生物种群主要通过三方面途径采集： 广西大学硕士学位论文微生物絮凝剂的研制、性能、作用机理及其应用研究 ( 1 ) 天然土壤土壤中絮凝微生物极其丰富，分离方法简单，而且成本低。 ( 2 ) 水厂的活性污泥从污水厂活性污泥中采集絮凝微生物成本低，且所制出的 微生物絮凝剂投入污水处理系统，不会增加活性污泥系统成份，能够保持投加前后微生 物系统的状态的稳定性。 ( 3 ) 直接购买购买能产生絮凝剂的纯种微生物菌株，此法免去了实验中筛选和 培养絮凝微生物的繁复，而且菌种特性明了，实验中易把握，但成本高。 菌种的筛选采用初筛和复筛方法经多次固体、液体培养、检测絮凝性后，筛选出能 产生絮凝剂的微生物。 考虑到直接购买菌种成本较高，且自然界中尚存在大量未被发现的絮凝微生物，若 从土壤及活性污泥中筛选菌株则可能获得未被报道过的新菌种。因此，本研究采取从土 壤及活性污泥中筛分菌株的方法以获得实验菌株。 1 3 微生物絮凝剂的微观结构及化学本质 微生物絮凝剂微观立体结构有两种1 2 9 ：( 1 ) 纤维状从n o c a r d i aa m a r a e 提取的絮凝 剂的蛋白质中含有7 5 的甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸，该絮凝剂可以形成丝绸一样的纤维， 是絮凝体形成过程中的颗粒间联结物。( 2 ) 球状从酵母a s p e r g i i l u ss o j a e 中获得的絮凝 剂中有聚己糖胺、蛋白质、2 葡糖酮酸等三种成分。2 葡糖酮酸的作用是维持絮凝剂成 球形，一旦丧失2 葡糖酮酸成分后，絮凝剂的微观结构就发生变化，而且絮凝行为模式 也由非离子型絮凝剂的絮凝模式转变为阳离子型絮凝剂的絮凝模式。絮凝剂的微观立体 结构受絮凝剂化学成分的影响，絮凝的模式与微观形状有关。 根据前人多年的研究报道，可以初步确定：从化学本质来讲，微生物絮凝剂主要是 微生物代谢产生的各种多聚糖类，这类多聚糖中有些是由单糖单体组成，有些是由多糖 单体构成的杂多糖，有些微生物絮凝剂是蛋白质，或者是有蛋白质的参与。另外，一 些絮凝剂中还含有无机金属离子，如c a 2 + 、m 9 2 + 、a 1 3 + 和f c 3 + 等。研究表明1 2 1 ，生物絮 凝剂的破坏对微生物的生长有一定的促进作用，这可能是因为游离细胞与培养液中营养 物接触面积增加的缘故。这种现象说明，絮凝剂真正的生理意义并不在于使微生物产生 絮凝，而是在于构成微生物的多糖荚膜，微生物的絮凝性也许是一种伴生性状。 4 广西大学硕士学位论文微生物絮凝剂的研制、性能、作用机理及其麻用研究 1 4 微生物絮凝剂絮凝性能及絮凝作用机理 1 4 1 影响微生物絮凝剂产率的因素 微生物絮凝剂的产生受培养基中的营养成分、培养基的初始p h 值、培养温度、供 氧量及遗传因素等多种因素的影响 3 0 。3 1 1 。 各絮凝剂产生菌对培养基中的营养成分要求不一，即使是同一种成分( 如c 源等) ， 各产生菌对其要求也不一样。实验中必须通过摸索，找出最好的培养基成分。 培养基的初始p h 值对絮凝剂的产生有重要的影响，对不同的菌种，最适宜的p h 值略有不同。一般来说，初始p h 过高或过低，都不利于絮凝剂的产生。中性或偏碱性 时，有利于产生絮凝剂。并且在培养过程中，p h 值先上升后下降再稳定。 产生絮凝剂的最佳温度在2 5 3 5 之间，温度太低，菌体因活性降低生长速度变慢； 温度太高，会使菌体产生的絮凝剂活性降低。 在絮凝剂产生菌的培养过程中，供氧量对其生长繁殖影响很大。充分供氧，使其快 速生长，能提高絮凝剂的产率。 在影响微生物絮凝剂的产率的因素中，遗传因素是内在的决定性因素。絮凝基因的 表达机理复杂，由多个基因控制絮凝基因的表达功能，经过修饰基因和校正基因等调控 基因的作用之后，絮凝基因方可有效地表达出特定的絮凝能力。 1 4 2 影响微生物絮凝剂活性的因素 ( 1 ) 絮凝剂的分子结构、相对分子量 一般来说，有线性结构的大分子絮凝剂的絮凝效果较好，如果分子结构是交联或支 链结构，其絮凝效果就差。 另外，微生物絮凝剂相对分子量的大小对絮凝剂的絮凝活性至关重要，相对分子量 大，吸附位点多，携带的电荷就多，中和能力也强，架桥作用和卷扫作用明显【3 2 】。目前 已分离纯化的微生物絮凝剂都是多聚糖和蛋白质之类的生物大分子，分子量大都在万级 至十万级，也有极少数达百万级。 絮凝剂所带基团对絮凝剂的性质起着很大作用。不同的基团，其极性、亲水性、电 荷的性质及电荷的中和能力对胶体颗粒的吸附和反应都不相同。一些特殊基团由于在絮 凝剂中充当颗粒物质的吸附部位或维持一定的空间结构，对絮凝活性有很大的影响。例 如用高锰酸钾处理a s p 絮凝剂【5 1 】的己糖胺多聚物部分，使其氧化而释放出氧，活性就消 s 广两大学硕士学位论文 微生物絮凝剂的研制、性能、作用机理及j e 应用研究 失，这可能是由于絮凝剂失去了活性氨基所导致。 ( 2 ) 絮凝剂的投加剂量 一般对絮凝剂都有一个最佳投加剂量，过多或过少絮凝效果均会下降。据报导，最 佳值大约在固体颗粒表面吸附大分子化合物达到饱和时的一半吸附量，因为此时大分子 在固体颗粒上架桥机率最大。 ( 3 ) 外界的环境因素对微生物絮凝剂活性的影响 外界的环境因素如p h 、温度、离子种类、离子强度等对微生物絮凝剂的活性有一 定的影响。温度对某些微生物絮凝剂的活性有较大影响，主要是因为这些絮凝剂的蛋白 质成分在高温时变性，丧失部分絮凝能力，而由多聚糖构成的絮凝剂就不受温度的影响。 由于p h 值影响胶体颗粒表面电荷和微生物絮凝剂的性质、数量，从而影响他们之 间的靠近和吸附行为。不同絮凝剂对p h 的变化敏感程度不同。同一种絮凝剂对不同的 被絮凝物也有不同的最适p h 值。 有些微生物产生的絮凝剂中含有金属离子，金属离子可以加强生物絮凝剂的桥联作 用和中和作用，对微生物絮凝剂的絮凝活性有重要作用，甚至是必需的条件。即使对于 不含有金属离子的微生物絮凝剂，添加一些金属离子也能够提高絮凝活性。容易受金属 阳离子影响的多数是蛋白质( 多肽) 型的微生物絮凝剂。 1 4 3 微生物絮凝剂的作用机理 微生物絮凝剂是带有电荷的生物大分子，关于它的絮凝机理主要有以下三种，其中 以桥联机理学说最为人们接受。 ( 1 ) 桥联作用 絮凝剂借助离子键、氢键，同时结合了多个颗粒分子，因而在颗粒问起了“中间桥 梁”的作用，把这些颗粒连接在一起，形成网状结构沉淀下来。有实验表明 3 3 1 ，絮凝剂 絮凝膨润土过程时，通过测定等温线和z e t a 电位发现絮凝剂确实是以“桥联方式”絮凝 的。 ( 2 ) 电性中和 水溶液中胶体一般带有负电荷，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，就会中和其表面的部分电荷，使胶体脱稳，从而使胶粒之间、 胶粒与絮凝剂分子之间易产生互相碰撞，通过分子间作用力凝聚而沉降下来。许多加入 金属离子或调节p h 值继而影响微生物絮凝剂絮凝效果的实验0 4 1 ，主要是通过影响微生 6 广西大学硕士学位论文 微生物絮凝剂的研制、性能、作用机理及其应用研究 物絮凝剂的带电性而起作用的。 ( 3 ) 化学反应 生物大分子中某些活性基团与被絮凝物质相应的基团发生了化学变化，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，其絮 凝活性就大受影响f 3 5 1 。有些学者认为这些絮凝剂絮凝活性大部分依赖于活性基团。例如 改变温度会影响絮凝效果，主要是温度的变化会影响微生物絮凝剂化学基团活性从而影 响其化学反应。 1 4 4 微生物絮凝剂的提取、纯化 微生物絮凝剂的提取首先用过滤或离心的方法去除菌体，可视发酵液的组成成份及 絮凝物质的种类性质不同而采用乙醇，硫酸铵盐析，丙酮、盐酸胍等沉淀获得。对于结 构较复杂的絮凝剂的提取，则需要用酸、碱或有机溶剂反复溶解、沉淀以得到粗品。将 粗品溶于水或缓冲溶液，可能通过离子交换、凝胶色谱等方法使其纯化获得产品。以 p f l 0 1 为例【3 6 l ，其精制过程为：取一定量培养液，边搅拌边加入2 倍体积的乙醇，然后 离心分离，取沉淀物重新溶于水，经渗析后冻干即得到粗品；将粗品溶于热水，离心去 除不溶性物质，把用琼脂糖6 b ( s e p h a r o s e 6 b ) 做的凝胶柱先用o 0 4 m o l l 4 的三甲醇氨 基甲烷盐酸( t d s h c i ) 缓冲溶液( p h = 6 7 ) 平衡，然后通入离心分离后的上清液，再 用三甲醇氨基甲烷盐酸缓冲溶液洗净，最后用三甲醇氨基甲烷马来酸酯( t r i s m a l e a t e ) 缓冲溶液( p h = 6 5 ) 洗脱，活性洗出液加入2 倍体积的乙醇沉淀，接下来用9 5 的乙醇 洗涤、冻干，就得到提纯的成品p f l 0 1 。 1 5 微生物絮凝剂的应用 l 。5 1 在水处理中的应用 s h i m i z i u 3 7 1 筛选的菌株a l c a l i g e n e sl a t u s 所产生的絮凝剂，能够处理焦化废水，使废 水中s s ( 悬浮颗粒物) 的去除率达到7 8 o ，处理某造纸厂有色废水时，脱色率为9 4 6 ， 上层清液的透光度几乎与自来水相近。用a l c a l i g e n e sl a t u s 培养液可以很容易将棕榈酸 从其乳化液中分离出来，达到油水分离的目的。k a e w e h a i 掣3 s 】分离的菌株b a c i l l u ss u b t i l i s w d 9 0 ，b a c i l l u ss u b t i l i ss m 2 9 ，e n t e r o b a c t e ra g g l o m e r a n ss m 3 8 也对棕榈油厂的废水具有 很好的絮凝效果，絮凝率达到9 0 6 9 、9 4 2 9 、8 7 8 4 ；在4 5 、好氧条件下，棕榈油厂 7 广西人学硕十学位论文微生物絮凝剂的研制、性能、作用机理及其应用研究 的废水分别经过这3 株菌的絮凝剂4 8 h 的处理后，都能从黑棕色脱色至浅黄色，并且分 离不出油。 将从菌株r e r y t h r o p o l i s d 9 删产生的絮凝剂加入已发生膨胀的活性污泥中，可以使污 泥的s v i ( 污泥体积指数) 从2 9 0 下降到5 0 ，使污泥体积在2 0 m i n 内浓缩为原来的9 2 ， 上清液的o d 6 6 , o 值小于o 0 5 ：r e r y t h r o p o l i s 的培养物可以有效地去除畜牧废水中的t o c 和t n ：添加r e r y t h r o p o l i s 产生的絮凝剂应用5 m i n 后，使瓦厂的坯体废水的o d 6 6 , o 从 1 4 0 降为o 0 4 3 ，釉药废水的o d 6 6 , o 从1 7 2 0 降为0 3 5 ，处理后的上清液几乎是透明的。 n 汀废水经微生物絮凝剂h 1 1 处理后，c o d 和色度去除率分别达到2 6 5 和3 5 4 。 淀粉废水经微生物絮凝剂m b f a 9 1 4 2 1 处理后，c o d 和s s 去除率分别达到6 8 5 和 8 5 5 。 采用微生物絮凝剂n o c 1 3 9 “3 1 ，对含有可溶性着色物质的黑墨水、面包酵母生产 过程中排出的培养基废水、糖蜜发酵生产酒精过程中精馏后的废醪液、造纸碱性黑液、 颜料废水等有色废水进行处理，发现处理后的上清液变为无色透明，脱色率高达9 0 以 上。用n o c 1 处理畜产废水1 4 4 1 ，特别是猪粪尿废水的效果很明显，处理后1 0 m i n 后， 废水上清液就可变成几乎透明的液体，浊度去除率达9 4 5 。庄益源【删分离的菌株所 产生微生物絮凝剂具有良好的脱色性能，对活性蓝染料的脱色率大于6 0 ，对酸性媒介 藏青染料的脱色率大于5 5 。a z o m o n a ss p 的发酵液【4 1 】对染料废水的色度去除率达到 5 4 。 微生物絮凝剂具有选择性絮凝溶液中的金属离子的作用，d u g a n 等人m 研研究发现 z o o g l o e a s p 分泌的微生物絮凝剂在菌体不增长的情况下能吸附金属离子总湿重的3 4 ， 当金属离子浓度较高( 3 0 0 8 0 0 m g l 。1 ) 时，z o o g l o e as p 1 1 5 能吸收f e 3 + ，c 0 2 + ，c u 2 + 和 n i 2 + ，其吸附量是z o o g l o e as p 1 - 1 6 - m 的2 倍，z o o g l o e as p 1 1 5 、pd e n i t r