（矿物加工工程专业论文）微生物絮凝剂mbfxh的制备及其性能研究.pdf

摘要 传统的有机和无机絮凝剂，虽然具有价格低，絮凝效果好等优点，被广泛 使用，但随着人们对健康和环保的要求越来越高，它们的一些缺点也日渐显露： 经常饮用或吃含铝絮凝剂的物质，会导致老年性痴呆症；聚丙烯酰胺类絮凝剂 的单体不易降解，对人体有毒害作用，易引发癌症；在传统絮凝剂的制备过程 中，易引起二次污染等等。因此，人们越来越迫切地希望找到一些具有对人体 无害、絮凝效果好、易生物降解、不引起二次污染等特点的新型絮凝剂。微生 物絮凝剂就是具有这些特点的新型絮凝物质。微生物絮凝剂是指某些自身具有 絮凝能力的微生物，以及由某些微生物分泌的具有絮凝能力的大分子物质，如 蛋白质、脂类、多糖等。目前虽己发现了多种微生物絮凝剂，因为价格高等原 因，还没有能广泛使用，但是，由于它本身的优点，以后肯定会在水处理、食 品、制药等行业大量使用，替代传统的絮凝剂。 微生物絮凝剂价格过高，主要是由于生产成本高和絮凝剂产率太低等原因 造成的。本论文的重点在于怎样提高絮凝剂的产率，同时还研究了絮凝剂的分 离纯化、鉴定及其絮凝机理等，主要工作如下。 首先，从多个不同样品中筛选絮凝剂产生菌，共筛选到了2 6 株絮凝剂生产 菌，絮凝率达6 0 以上的有5 株，本研究中选用其中絮凝率最大的株霉菌( 命 名为m i ) 为研究对象，该菌的菌体本身无絮凝能力，它的培养液具有絮凝能力。 用2 m l 培养液絮凝1 0 0 毫升4 克升高岭土悬浮液( 高岭土的平均粒径为3 5 2 微米) ，搅拌静置5 分钟后，透光率达7 2 8 。 其次，研究了培养条件对m 1 的絮凝剂产率的影响。通过单因素试验发现， 葡萄糖、果糖等碳源有利于m 1 的生长及絮凝剂的生成，而乳糖等效果不明显； 蛋白胨、谷氨酸等氮源对m 1 的生长及絮凝剂的生成有利，而硫酸铵、氯化铵 等氮源的作用不大：培养温度为3 0 时有利于m 1 的生长，2 6 时m 1 的絮凝 剂的产率最大，采用变温培养的方法( 先在3 0 培养一段时间，再调温至2 6 培养一段时间) ，有利于提高m 1 的絮凝剂的产率：培养基的初始p h 为6 , 5 时，m 1 的絮凝剂的产率最大；通气量对m 1 生成絮凝剂有影响，摇床转速为 1 6 0 转分钟时，m 1 的絮凝剂产率最大。在此基础上，采用均匀设计试验，考察 了以上各因素共同作用时对m 1 的絮凝剂的产率的影响，结果显示，当葡萄糖 和蛋白胨的含量分别为9 克，升、6 5 克升，培养基的初始p h 值为5 5 ，摇床转 速为1 5 0 转分钟时，m 1 的絮凝剂产率最大，达7 9 6 。试验说明，改变m 1 的培养条件，能显著地提高m 1 的絮凝剂的产率。 第三，通过诱变育种的方法，研究了m 1 的诱变菌株产絮凝剂的情况。试验 中采用紫外线作诱变剂，用1 5 w 的紫外灯在3 0 c m 的距离照射m 1 的菌丝片段 悬浮液若干时间，发现9 0 秒的照射时间最好，经该时间诱变后的菌株的变势最 大，说明在相同的条件下，9 0 秒的照射时间是最佳诱变剂量。用该方法选育出 来的菌株m 1 a 的絮凝剂产率可达8 3 左右。利用紫外线诱变育种的方法提高微 生物絮凝剂的产率，在国内外尚属首次。 第四，采用乙醇沉淀的方法，从诱变菌株m 1 a 的培养液中提取了絮凝剂 m b f x h ，该物质为白色，每升培养液中大约含0 8 6 克絮凝剂m b f x h 。经过元 素分析、糖的呈色反应、紫外光谱及分子量的测定等方法，证实絮凝剂m b f x h 为一种多糖，分子量约为1 8 1 0 5 。采用红外光谱和核磁共振等方法，确知絮 凝剂中含有o h 、一c o o h 等官能团，及q 型糖苷键。根据m 1 a 和m b f x h 的 特点，提出了一个m b f x h 的生物合成机理。 最后，对絮凝剂m b f x h 的絮凝特性进行了研究。在p h 为7 ，絮凝4 克 升的高岭土( 平均粒径为3 5 2 微米) 悬浮液时，1 6 0 m 【l 的m b f x h 的浓度最 好，达8 4 左右。m b f x h 的热稳定性比较好，在2 0 、3 5 、5 0 、6 5 、 8 0 。c 等温度的情况下，以及在5 0 。c 时，加热2 0 分钟、4 0 分钟、6 0 分钟、8 0 分 钟、1 0 0 分钟后，它的絮凝能力变化不大，絮凝率均在8 2 8 5 之间。高岭土 悬浮液的口h 值，对m b f x h 的絮凝能力影响不大，絮凝率基本上在8 4 左右。 金属阳离子对m b f x h 有促凝作用，尤以钙离子最为显著，在相同条件下，絮 凝高岭土悬浮液时，加入钙离子后，能将透光率从8 5 5 提高到9 3 6 。 综上所述，本论文筛选出了一株能分泌絮凝剂的絮凝剂产生菌，通过改善 培养条件、诱变育种等方法，使得该菌的絮凝剂产率得到了较大的提高；分析 提取后的絮凝剂m b f x h ，确定它是一种大分子多糖：m b f x h 的絮凝能力很强， 在絮凝高岭土悬浮液时，加入钙离子后，透光率达9 3 6 。 关键词：微生物絮凝剂，产率，培养条件，紫外诱变，提纯 a b s t r a c t o r g a n i ca n di n o r g a n i cf l o c c u l a n t s h a v eb e e nu s e d w i d e l yb e c a u s eo ft h e i r e c o n o m i c a la n de f f e c t i v e f l o c c u l a t i n gc h a r a c t e r s h o w e v e r , t h e i rd i s a d v a n t a g e s c a u s e dp e o p l e sa a e n t i o nf o rp e o p l e sh i g h e rd e m a n d so fh e a l t ha n de n v i r o n m e n ti n r e c e n ty e a r s o f t e ne a t i n gt h em a t e r i a l st r e a t e db ya i f l o c c u l a n t sm a yl e a do l d p e o p l e t o s t u p i d t h em o n o m e ro fa c r y l a m i d e c a n n tb ed e g r a d e d e a s i l y a n di t sb o t h n e u r o t o x i ca n da s t r o n gc a r c i n o g e n i nh u m a nb o d y t h e m a k i n gp r o c e s s o f t r a d i t i o n a lf l o c c u l a n t so f t e n p r o d u c e s n e w p o l | u t i o n t h u s ，s a f eb i o d e g r a d a b l e f l o c c u l a n t st h a ta r ea b l et om i n i m i z ee n v i r o n m e n t a la n dh e a l t hr i s k sa r eu r g e n t l y n e e d e d m i c r o b i o f l o c c u l a n t ( m b f ) i sj u s tt h i sk i n df l o c c u l a n t m b fc o n c l u d e sb o t h s o m em i c r o b e sw h i c hh a v ef i o c c u l a t i o n a b i l i t y a n ds o m em a t e r i a l sw h i c ha r e s e c r e t e db ym i c r o b e s ，s u c ha sp r o t e i n ，f a t ，a n dp o l y s a c c h a r i d ee t c t i l ln o w , m a n y k i n d sm b fa r ef o u n da n dm a d eo u t ，b u tt h e ya r en o tu s e dw i d e l yf o rt h er e a s o no f t h e i rh i 曲p r i c e s h o w e v e r p e o p l eb e l i v em b f w o u l dt a k et h ep l a c eo ft h et r a d i t i o n a l f l o c c u l a n t si nt h ef i e l d so f w a t e rt r e a t m e n t , f o o dp r o c e s s i n g ，p h a r m a c e u t i c a li n d u s t r y e t c f o rt h e i ra d v a n t a g e s t h er e a s o no fm b f sh i g hp r i c ei st h eh i 曲p r o d u c t i o nc o s ta n dt h el o wm b f o u t p u t t h i sr e s e a r c hf o c u s e d o nt h ep o i n to fh o wt oi n c r e a s et h eo u t p u to fm b f , a n d a tt h es a m et i m ea l s or e s e a r c h e dt h e p u r i f i c a t i o n ，s y n t h e t i c s ，f l o c c u l a t i n gm e c h a n i s m o f m b f , a n d s oo n n l ef o l l o w i n gw o r k sh a db e e nc a r r i e do u t f i r s t l y , 2 6s t r a i nf i o c c u l a n tp r o d u c i n gm i c r o b e sw e r es c r e e n e df r o md i f f e r e n t s a m p l e s ，a n d i nw h i c h5 s t r a i n s f l o c c u l a t i n ga c t i v i t y i sf o u n dm o r et h a n6 0 ( t r a n s m i t t a n c y ) i nt h i sr e s e a r c h ，o n em o u l d ( d e s i g n a t e dm i ) w h o s ef l o c c u l a t i n g a c t i v i t yi st h eg r e a t e s tw a s s e l e c t e da st h er e s e a r c ho b j e c t t h ec u l t u r eb r o t ho f m li s a b l et of l o c c u l a t ek a o l i ns u s p e n s i o n a f t e r a d d i n g2 m l c u l t u r eb r o t ho f m lt o1 0 0 m l k a o l i ns u s p e n s i o n ( m e a nd i a m e t e r3 5 2u m ，4 9 i , ) ，t h e nm i x i n gt h es u s p e n s i o na n d w a i t i n gf o r5m i n u t e s ，t h et r a n s m i t t a n c yo f t h es u p e m a t a n to f k a o l i ns u s p e n s i o nw a s f o u n dt ob e7 2 8 s e c o n d l y , t h ei n f l u e n c eo f c u l t u r ec o n d i t i o n so nt h em b f o u t p u to fm 1w a s r e s e a r c h e d t h e s i n g l e f a c t o r e x p e r i m e n t s s h o w e dt h a t g l u c o s e ，f r u c t o s e ， p o l y p e p t o n ea n dg l u t a m i c a c i da r ef a v o u r a b l ef o rt h eg r o w t ha n dm b f o u t p u to f m l ， t h ec u l t u r et e m p e r a t u r eo f3 0 i sf a v o u r a b l ef o rt h eg r o w t ho fm 1 a n d2 6 i s f a v o u r a b l ef o rt h em b fo u t p u to fm 1 b yt h ew a yo fa l t e r i n gt h ec u l t u r e t e m p e r a t u r e c a ni n c r e a s et h em b fo u t p u to fm 1 t h ei n i t i a l p ho fc u l t u r e m e d i u mo f6 5i st h eo p t i m u m p h f o rm 1t os e c r e t ef l o c c u l a n t t h er a t eo f r o t a r y s h a k e ro fl6 0 r p mi st h eo p t i m u mr a t ef o r t h em b f o u t p u to fm 1 t h e n t h ew a yo f e v e n - d e s i g ne x p e r i m e n tw a su s e dt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo ft h es y n e r g i s t i c e f f e c to fa b o v ef a c t o r so nt h em b f o u t r i u to fm 1 a n dt h eo p t i m u mc u l t u r e c o n d i t i o nh a db e e na t t a i n e dt ob e ：t h ec o n t e n to f g l u c o s ea n dp o l y p e p t o n eo f9 9 l a n d6 5 9 lr e s p e c t i v e l yi nc u l t u r em e d i u m ，t h ei n i t i a lp ho fc u l t u r em e d i u mo f 5 5 ，t h e r a t eo fr o t a r ys h a k e ri s15 0 r p m ，a n dt h ec u l t u r e w a yo fa l t e r i n g t e m p e r a t u r e a c c o r d i n gt ot h i sc o n d i t i o n ，t h em b fo u t p u to fm 1 c a nb ei n c r e a s e d t o7 9 6 r t h et r a n s m i t t a n c yo ft h es u p e r n a t a n to fk a o l i ns u s p e n s i o n ) s oi ti s o b v i o u st h a tc h a n g i n gt h ec u l t u r ec o n d i t i o n so fm 1c a ni n c r e a s et h em b f o n t p u t n o t a b l y t h i r d l y , m 1w a sm u t a t e db yu v ，a n dt h em b f o u t p u to f t h em u t a n ts t r a i no f m 1w a sr e s e a r c h e d u s i n gt h eu v 七u l bf 1 5 w ) i r r a d i a t e st h em 1m y e e l i u m s u s p e n s i o nf o rc e r t a i nt i m ei nt h ed i s t a n c eo f3 0 c m t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h e m b f o u t p u to f t h em u t a n ts t r a i n ( d e s i g n a t e dm 1 a ) o fm 1i s i m p r o v e dt o 8 3 ( t h et r a n s m i t t a n c yo f t h es u p e r n a t a n to fk a o l i ns u s p e n s i o n ) w h e nt h ei r r a d i a t i n g t i m ei s9 0 s s oi ti l l u s t r a t e st h a tt h em a t a g e n e s i sc a l li n c r e a s et h em b f o u t p u to f m 1 o b v i o u s l y f o u r t h l y , b yt h ew a yo fe t h a n o lp r e c i p i t a t i o n ，aw h i t em i c r o b i o f l o c c u l a n t ( d e s i g n a t e dm b f x h ) w a ss e p a r a t e d f r o mt h ec u l t u r eb r o t ho fm 1 aa n dt h e o u t p u t o fm b f x hi sa b o u t 0 8 6 9 l i t w a sc o n f i r m e dt h a tm b f x hi sa e x t r a p o l y s a c c h a r i d eb y t h e w a yo fe l e m e n ta n a l y s i s ，u vs p e c t r u m ，m o l i s h r e a c t i o ne t ca n di t sm o l e c u l a rw e i g h ti s 1 8x10 3m e a s u r e db yt h e w a yo f v i s c o s i t y t h ei ra n dn m r s h o w e dt h a tm b f x hc o n t a i n sal o to fh y d r o x y la n d c a r b o x y lg r o u p sa n da g l y c o s i d i cb o n d s ， a tl a s t t h ef l o c c u l e n tp r o p e r t yo fm b f x hw a sr e s e a r c h e d t h ek a o l i n s u s p e n s i o ni s a b o u t8 4 a f t e r5m i n u t e ss t a n da tt h ep ho fk a o l i ns u s p e n s i o n ( m e a n d i a m e t e r3 5 2um ，4 9 l ) o f7 0 ，t h eo p t i m u mc o n c e n t r a t i o no fm b f x h o f 16 0 m g la n dt h et r a n s m i t t a n e yo ft h es u p e m a t a n to f m b f x hp o s s e s s e sf i n e t h e r m a ls t a b i l i t yu n d e rt h ec o n d i t i o n so f h e a t i n ga t2 0 ，3 5 ，5 0 ，6 5 ，8 0 ， a n da t5 0 f o r2 0m i n u t e s ，4 0m i n u t e s ，6 0m i n u t e s ，8 0m i n u t e s ，1 0 0m i n u t e s r e s p e c t i v e l y , t h ef l o c c u l a t i n ga c t i v i t yo fm b f x h w a ss t a b l ea n dj u s tf l u c t u a t e d f r o m8 3 t o8 5 t h ep ho fk a o l i ns u s p e n s i o nh a sl i t t l e i n f l u e n c eo nt h e f l o c c u l a t i n ga c t i v i t y o fm b f x h s o m ec a t i o n sa c t a s f l o c c u l a t i n g a i d so f m b f x ha n dc a “c a ni n c r e a s et h ef l o c c u l a t i n ga c t i v i t yo fm b f x h f r o m8 5 5 t o9 3 6 k e yw o r d s ：m i c r o b i o f l o c c u l a n t ，o u t p u t ，c u l t u r e c o n d i t i o n ，u v - m a t a g e n e s i s ， p u r i f i c a t i o n 原创性声明 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 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，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 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：麟日期：竺兰年上月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 储虢雠师签名：玉立吼型年月监日 中南大学博士论文 文献综述 1 1 传统絮凝剂 第一章文献综述 1 1 1 传统絮凝剂的种类【1 。5 】 传统的絮凝剂包括无机絮凝剂和有机絮凝剂两类。无机的主要是三价的 铁盐和三价的铝盐，其它的还有碳酸镁、氯化锌、硫酸锌等：有机的絮凝剂 分人工合成的和天然的两种。传统絮凝剂的种类及其化学式如下表所示。 表卜1 传统絮凝荆的种类 分类名称化学式 硫酸铝 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 i - 1 2 0 明矾 k a ( s 0 4 ) 2 12 h 2 0 铝系 聚合氯化铝( p a c ) a 1 2 ( o h ) n c l 6 n m 聚合硫酸铝( p a s ) a 1 2 ( o h ) ( s 0 4 ) 3 。2 m 无机絮凝剂 三氯化铁f e c l 3 6 h 2 0 铁系聚合氯化铁( p f c ) 【f e 2 ( o h ) n c l 6 一n m 聚合硫酸铁( p f s ) 【f e 2 ( o h ) n ( s 0 4 ) 3 n 2 m 其它石灰、氯化钙 c a ( o h ) 2 、c a c l 2 天然 淀粉、单宁、甲壳 略 有机絮凝剂 素、腐植酸等 人工聚丙烯酰胺、聚氧 略 合成乙烯等 铝盐主要有硫酸铝、氯化铝、聚台氯化铝( p a c ) 和聚合硫酸铝( p a s ) 等， 其中聚合氯化铝和聚合硫酸铝统称聚合铝。聚合铝是比较好的无机絮凝剂， 有很多优点：对于低浊度水、高浊度水、有色水、严重污染水、若干种工业 废水都有良好的效果：浊度越大效能越显著，对于低浊度水达到同样除浊效 果，其用量( 按a 1 2 0 3 计算) 相当于硫酸铝的二分之一，对于高浊度水，用 量可减少到1 3 1 4 ：投加后对原水碱度的降低程度较少，可以节省碱化药剂， 中南大学博士论文文献综述 并提高水的稳定性；对被处理水的p h 值的适应范围较宽：不易出现重新稳 定的恶化现象：在低温时效果仍保持稳定，适宜于冬季及寒冷地区；絮体形 成速度非常快，可以缩短混合及反应时间：形成的絮体而重，机械强度高， 沉淀速度快，过滤水质好；适应各种条件的能力强，一般可以单独使用而不 需投加其它辅助药剂；固体所含有效a 1 2 0 3 的成分高，用量少，便于运输、 储存，液体产品便于稀释，投加时容易控制。 铁盐有三氯化铁、硫酸铁、聚合氯化铁( p f c ) 、聚合硫酸铁( p f s ) 等， 目前得到实际应用的聚合铁絮凝剂为聚合硫酸铁，它具有许多优良的絮凝性 能，如药剂用量少，矾花生成快，沉降速度高，有效p h 范围宽，与三氯化 铁相比其腐蚀性大大减弱，处理后水的色度和铁离子的含量均较低。与铝系 絮凝剂不同，对人体无毒性，为非常安全的水处理剂。聚合铁絮凝剂为广大 水质工作者所欢迎，正日夜得到广泛的应用。 天然的高分子絮凝剂在水处理中的应用历史，可追溯到2 0 0 0 年以前的古 代中国和埃及，在近代水处理中，天然高分子化合物仍是一类重要的絮凝剂， 不过它的使用远少于人工合成的高分子絮凝荆，其原因是天然高分子絮凝剂 的电荷密度较小、分子量较低，且易发生生物降解而失去活性。目前天然高 分子絮凝剂的主要品种有淀粉、半乳甘露聚糖类、纤维素衍生物类、动物骨 胶类等。 天然淀粉的来源十分丰富，土豆、玉米、小麦、木薯、藕等均有高含量 的淀粉，不过从这些不同来源获得的淀粉在粒度、胶化温度、在溶剂中的膨 胀率、及直链与支链组合的比例方面有所不同。通常支链淀粉在淀粉中的比 例较大，其分子量可高达1 0 6 ，但直链淀粉的絮凝性能远高于支链淀粉。在 淀粉分子结构中引入带电的基团能减少其在水处理中的投放量，改善其分予 在水中的伸展及分散情况，将淀粉与阳离子型单体作用能制得阳离子型淀粉 絮凝剂，阴离子型的可通过淀粉与氢氧化钠的作用，或者使干淀粉与磷酸钠 在1 0 0 。c 以上反应来制备。苛化淀粉曾被大量用于选矿业，但目前正逐渐被 人工合成的聚合物所取代。 半乳甘露糖是带支链的多糖，存在于豆类作物的胚乳中，在水处理中用 得最多的是瓜尔树胶，瓜尔树胶的衍生物包括羟丙基、羟乙基、等阳离子瓜 尔树胶。瓜尔树胶本身是非离子型的，因而适用于很宽的p h 值范围及离子 强度很高的溶液，它与螯合剂作用后可避免在水溶液中发生生物降解。 纤维素是以失水的葡萄糖为重复单元的糖类聚合物，它是树木等植物细 胞壁的主要组分纤维素的衍生物包括硝酸纤维素、醋酸纤维素、甲基纤维索、 中南大学博士论文 文献综述 羧甲基纤维素和羟丙基纤维素等。在水处理中用途最广的是羧甲基纤维素。 动物胶和明胶由存在于动物的皮、腱和骨中的骨胶原制备，属蛋白质类 物质。骨胶原是多肽结构，多股分子束成卷曲螺旋状，含有多种氨基酸，含 量高的有甘氨酸、脯氨酸等。明胶是由骨胶原水解而成，产生水溶性的蛋白 质。动物胶和明胶均是多肽的水解产物，不同之处是其纯度和分子量的分布， 它们因为含有氨基及羧基，是两性絮凝剂。 除上面提到的天然高分子絮凝剂外，在水处理中用到的天然高分子絮凝 剂还有海藻酸钠、甲壳质和丹宁等。 高分子絮凝剂都是水溶性的线型聚合物，分子呈链状，由大量的链节组 成。分子链中链节结构都相同为均聚物，由两种以上不同的单体聚合而成的 称为共聚物，高分子絮凝剂多为均聚物。链节间的结合有刚性和柔性的区别， 刚性分子不易弯曲，而柔性分子可以绕结成团。高分子聚合物链节含有可离 解官能团时，沿链状分子长度方向就分布有大量带电基团，常见的可离解基 团有一s 0 3 h 、c o o h 、一p 0 3 h 2 、n h 3 0 h 等，某些聚合物可拥有多种可离解 基团。聚合物在水中可因部分或全部基团离解而带有电荷，据其电荷的电性， 可把它分为三种：阴离子型、阳离子型和两性型。不含离解基团的就称为非 离子型。在水处理中，使用较多的是阴离子型、阳离子型和非离子型的聚合 物，两性的聚合物使用较少。人工合成的阴离子型和非离子型的有机高分子 絮凝剂，有聚丙烯酰胺及其衍生物、聚丙烯酸钠、聚磺基苯乙烯、聚氧乙烯、 脲醛树脂、聚乙烯醇等。阳离子型聚合物的种类比阴离子型和非离子型的多， 它们的分子中含有的带电基团常常是氨基( n h 3 + ) 、孤氨基( 一n h z + 一) 或季 氨基( n + ) 。由于水中胶体粒子一般带有负电荷，所以阳离子型聚合物不 论分子大小，均起絮凝作用。由于阳离子单体价格较高，因而在合成阳离子 聚合物时引入的带正电荷的单体的数目有限，造成分子中正电荷密度不是很 高。 1 1 2 传统絮凝剂的缺点 随着人们的生活水平的不断提高，人们对健康与环境的要求越来越高， 传统絮凝剂的缺点越来越引起人们的重视。传统的絮凝剂虽然具有良好的絮 凝性能，但是，它们的价格比较贵，用量很大，在生产和使用的过程中都会 会造成二次污染们，而且，具有关的研究表明，经常饮用铝盐处理的水，水 中的铝会引起老年痴呆症【7 】：聚丙烯类絮凝剂的单体不易降解，对人体的神 中南大学博士论文文献综述 经有毒害作用，它还是强的致癌剂，尤其是直肠癌 s 1 0 】。 由于传统絮凝剂的上述缺点，因此人们开始寻找絮凝效率高、无毒、无 二次污染、易生物降解的新型絮凝剂。上世纪七十年代引起人们注意并开始 研究的微生物絮凝剂，是具备这些特点的新型絮凝剂。 1 2 微生物絮凝剂 1 2 1 微生物絮凝剂的概念 微生物絮凝剂是一种与微生物有关的絮凝剂，包括两大类悼j ：一类是由 某些微生物分泌的次生代谢产物，该物质安全、无毒、易生物降解、不产生 二次污染、能使悬浮颗粒凝聚沉淀，是一种高分子聚合物，例如，红平红球 菌卟1 3 l ( 属放线菌) 、酱油曲霉f 1 4 , 1 5 l 、拟青霉 1 6 , 1 7 1 等的分泌物；另一类是某些 微生物的菌体，它本身具有絮凝性，如草分枝杆菌 1 8 1 、d e m a t i u ms p 【撺1 、真 菌【2 0 , 2 1 1 等。目前研究较多的是第一类絮凝剂。 微生物生长的四个阶段中 2 2 l ( 延滞期、指数生长期、稳定期和衰亡期 等) ，在生长后期，尤其是在稳定期，某些微生物会合成分泌多种物质，这些 物质称为次生代谢产物，其中部分具有特殊结构、分子量较大的次生代谢产 物，能够絮凝一些悬浮颗粒，即为微生物絮凝剂，主要包括蛋白质【2 3 ”j 、糖 类35 1 、脂类、纤维素3 6 瑚1 、氨基酸的均聚物 s 3 9 1 、d n a 4 0 。4 2 1 等物质。 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：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。 1 2 2 微生物絮凝剂产生菌 能够分泌絮凝剂和本身具有絮凝性的微生物，都叫做絮凝剂产生菌。就 目前的研究状况来看，能产絮凝剂的微生物，主要包括细菌【4 3 。4 5 1 、霉菌【4 “9 1 、 放线菌【5 0 - 5 2 1 、酵母 $ 3 - 5 5 1 和藻类【5 9 1 等，广泛分布在土壤和污水中。下表是己见 报道的絮凝剂产生菌【6 0 1 。 4 中南大学博士论文 文献综述 表卜2 已见报道的微生物絮凝剂产生菌 a l c a l i g e n e sc u p u l u s a l c a l i g e n e sc u p i d u s a | c a l i g e n e sl a t u s a n a b a e n o p s l sc i r c u l a r i s a e r o m o n a s a r t h o b a c t e r 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 sc h r a c e u s a s p e r g i l l u sp a r a s i t c u s b a c i i u sc i r c u l a n s b a c i l l u sm u c i l g n o n s b a c i l l u sm e g a t e r i u m b r e v i b a c t e r i u mi n s e c t i o n h i l u m c o r y n e b a c t e r i u mb r e v i c a l c g e o t r i c h u me a n d i d u m k l e b s i e l l as p r h o d o c o e c u se r y t h r o p o l i s r h i z o b i u mt r i f o l i i s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e s c h i z o s a c c h a r o m y c e sp o m b e s l p h y t o c o c c u sa u r e u s s p o r o l a c t o b a c i l l u ss p s t r e p t o m y c e sg r i s e n s s t r e p l o m y c e sv i n a c o n s m o r l a c t l sa n k a n o e a r d i nc a i c a ，e a n o c a t a ea m a r a e n o c a r d i nr h o d n i i o e r s k o v i a p a e c i l o m y c e ss p p s e u d o m o n a da e r u g i n o s a p s e u d o m o n a sf l u o r e s c e n s 型! ! ! ! ! 堕堡! ! ! ! ! ! ! ! 塑! ! ! 翌! ! 生! ! 壁型! 1 1 2 3 微生物絮凝剂的研究状况 日本的r y u i e h i r ok u r a n e 等人分离出了r h o d o c o c c u s 、n o c a r d i a 、 c o r y n e b a c t e r i u m 等十四株菌，这些菌都能分泌一些能絮凝高蛉土的物质他们 重点研究了r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i ss - l 产的絮凝荆n o c - t 【6 1 础1 ，发现这种 物质的絮凝范围很广，能絮凝多种有机物和无机物，如，e c o l i 、啤酒酵母、 活性污泥、铜绿微囊蓝细菌、淤泥、高岭土、畜产废水、泥浆水、烟窗灰等 水溶液。 5 中南大学博士论文文献综述 a bc 图卜ln o c - 1 絮凝高岭土时置3 分钟后的效果 a ：含r e r y t h r o p o l i ss - 1 分泌的n o c l b ：含r e r y t h r o p o l i s2 6 0 2 分泌的絮凝剂 c ：无n o c 一1 ab 图1 2n o c 1 絮凝黑废水时静置3 0 分钟后的效果 a ：含n o c 1 b ：无n o c 1 6 中南大学博士论文文献综述 通过对其培养条件的研究，他们发现它的最佳培养基的组成为：1 的葡 萄糖、o 5 的k 2 h p 0 4 、o 2 的k h 2 p 0 4 、o 0 2 的硫酸镁、0 0 1 的n a c i 、0 0 5 的脲和o 0 5 的酵母萃，培养基的起始p h 为9 5 。 r y u i c h i r ok u r a n e 等利用超离心法、9 0 的丙酮萃取、以及硅胶色层分离 法对r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i ss - 1 的培养液进行了分离提纯，得到了絮凝剂 n o c - 1 ，元素分析表明n o c - l 含1 1 的氮：它的红外光谱中，1 5 0 0 1 5 5 0 和 1 6 5 0 1 7 0 0 c m 。1 处有两个吸收带，表明n o c 1 含有酰胺基；通过滤纸电泳试 验，观察到了一条单一的蛋白带；对其进行的碱性水解表明，n o c 1 会分解 为糖和脂肪酸两部分，通过高效液相色谱( h p l c ) 和薄层色谱( t l c ) 对水 解糖的分析，发现它由葡萄糖和海藻糖两部分组成，把脂肪酸三甲基硅烷基 化作用后，利用气相色谱质谱法( g c m s ) 进行分析，发现它是由许多分子 量为4 9 6 6 0 6 的霉菌酸( 2 一烷基一3 一羟基长链脂肪酸) 组成。根据以上分析， 他们认为n o c 1 是一种糖蛋白，并测定了它的分子量大于一百万道尔顿。 r y u i c h i r ok u r a n e 还发现，用某些有机溶剂可直接从r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i s s 1 的细胞中提取这种糖蛋白絮凝剂。 他们还专门研究了培养r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i ss - l 的碳源，第一次用 醇取代常用的碳源糖及糖的水解物做试验，发现乙醇比葡萄糖、果糖等 更有利于絮凝剂n o c 1 的生成，进一步的试验表明，其它醇也有同样的试验 结果。因而他们认为，要降低n o c 1 的生产成本，使其广泛利用，可以采用 一些含有醇的废水作为r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i ss - 1 的培养基中的碳源。 日本的m i n o r ut a k e d a 等人f 2 4 】，从活性污泥中分离出了一种放线菌 n o c a r a ea m a r a e ，它能分泌一种成分为蛋白质的絮凝性物质f i x ，f i x 呈纤维 状包裹在n o c a r a ea m a r a e 的细胞壁上，f i x 有三个向外伸展、能自由活动的 蛋白质分支：f i x a 、f i x b 、f i x c ，f i x 的絮凝能力比较强。n o c a r a ea m a r a e 分泌的这种絮凝剂，从本质上来讲，依然属于微生物分泌到胞外的那一类絮 凝剂，但它又具有自己的特点，即分泌物分泌到胞外后是粘附在细胞壁上， 而不是在培养基中；另外，它又不同于自身具有絮凝能力的那些微生物一一 它们的絮凝能力是因为细胞壁的外露基团引起的，而不是分泌物。 日本的h i r o a k it a k a g i 等人从土壤中分离出了一株絮凝剂产生菌 p a e c i l o m y c e ss p i - 1 ，这是一种霉菌，属拟青霉属m 1 ，下图为其光学和扫描电 镜的照片。 中南大学博士论文 文献综述 图1 3 p a e c i l o m y c e ss p i - 1 的扫描电镜和光学照片 这种菌能分泌一种絮凝能力很强的絮凝剂p f 10 l ，可以絮凝多种悬浮 液，并且絮凝行为不受离子强度、p h 值、温度等的影响。培养基中含有蛋白 胨、酪蛋白氨基酸时，有利于絮凝剂的产生。培养基中含有高浓度的钙离子 时，会大大促进絮凝剂p f 1 0 1 的生成和菌丝体的生长。在最佳的培养条件下， p a e c i l o m y c e ss p i 1 的培养液的滤液稀释5 0 0 倍后，还能有效地絮凝沉淀大 肠杆菌e c o l i 。 作者利用乙醇沉淀和凝胶色谱法对p a e c i l o m y c e ss p i - l 的培养液进行分 离提纯，得到絮凝剂p f 1 0 l ，并利用超滤法测定了它的分子量为3 0 0 0 0 0 道 尔顿。根据红外光谱、气相色谱、液相色谱和比色分析法，确定p f 一1 0 1 为一 种含半乳糖胺的多糖，其中8 0 的半乳糖胺的氮未被取代，8 的半乳糖胺的 氮乙酰化了。进一步的研究表明，这种多糖是a 型的，由8 5