（模式识别与智能系统专业论文）生物高分子絮凝剂g5的制备与絮凝机理研究.pdf

生物高分了絮凝剂g 5 的制蔷j 絮凝机理研究 摘要 生物絮凝剂是由微生物产生的一类生物大分子物质，具有一定的絮凝活性， 能使液体中难沉降的固体悬浮颗粒凝聚，加速沉降以达到固液分离的目的。且较 之传统的无机絮凝剂和有机合成高分子絮凝剂，具有安全、无毒、易降解等特点， 因此，微生物絮凝剂自问世以来便受到广泛的关注，具有重要的研究价值和应用 前景。 本课题从活性污泥及土壤中筛选分离出9 株具有较高絮凝活性的微生物絮凝 剂产生菌。从中挑选出絮凝活性最高的一株微生物絮凝剂产生菌进行深入研究， 将其命名为g 5 ，根据其个体形态特征、菌落特征及生理生化实验，初步鉴定为短 芽孢杆菌( b a c i l l u sb r e v i s ) 。 对g 5 产絮凝剂菌的培养基成分和培养条件进行优化实验研究，并考察影响 其絮凝性能的因素。得出菌g 5 产絮凝剂的最佳培养基成分为：蔗糖2 0 9 l 、酵母 浸粉0 5 9 l 、脲o 5 9 l 、( n h 4 ) 2 s 0 41 0 9 l 、k h 2 p 0 45 9 l ；最佳培养条件为：培 养基初始p h 值8 、培养温度3 0 、培养时间7 2 h 、转速1 5 0 r m i n 。c a 2 + 对絮凝剂 的絮凝有显著的促进作用，该菌产生的絮凝剂在p h 为1 3 时对高岭土悬浊液的絮 凝率可达9 6 5 。 采用化学分析、仪器分析等多种方法对微生物絮凝剂g 5 的成分研究表明， g 5 絮凝剂的有效成分是一种高聚物多糖物质，具有很好的热稳定性。 根据微生物絮凝剂对高岭土悬浊液的絮凝特性、絮凝f ； 后z e t a 电位变化特 征、电镜扫描图像分析等结果，与微生物絮凝剂的化学组成和结构等对应分析， 得出微生物絮凝剂的絮凝作用机理t 微生物絮凝剂和颗粒之间通过静电引力、氢 键及离子键产生吸附。微生物絮凝剂相对分子质量高，在水中容易伸展，通过活 性基团与颗粒发生吸附，实现吸附架桥。在絮凝过程中，c a c l 2 通过电性中和、 压缩双电层及降低动电势的作用而促进絮凝。 微生物絮凝剂g 5 能够有效的去除废水中的悬浮物，对啤酒废水进行絮凝实 验，得出在最佳絮凝条件下，絮凝剂g 5 对高浊度的啤酒废水的絮凝率为9 2 。 关键词：微生物絮凝剂；菌种鉴定；培养条件；絮凝特性；絮凝机理 i i 硕l ：学位论文 a b s t r a c t b i o f l o c c u l a n t sa r en e w l yd e v e l o p e dn a t u r a lm a c r o m o l e c u l a ro r g a n i cs u b s t a n c e s p r o d u c e db ym i c r o o r g a n i s m s ，w h i c hh a v et h ea b i l i t yt of l o c c u l a t et h es u s p e n s i o n sa n d s e p a r a t es o l i df r o mt h em i x e d c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a li n o r g a n i ca n do r g a n i c f l o c c u l a n t s t h e y h a v et h ec h a r a c t e r i s t i co fb i o d e g r a d a b i l i t y ，h i g h p e r f o r m a n c e ， h a r m l e s s n e s st oe n v i r o n m e n te t c a sar e s u l t ，g r e a ta t t e n t i o nh a sb e e np a y e dt o e x p l o r et h eb i o f l o c c u l a n t sm e c h a n i s ma n dt oi n v e s t i g a t et h e i rc h a r a c t e r i s t i c si nu s e i t i so fg r e a tv a l u ei nt h er e s e a r c ho fb i o f l o c c u l a n t t h i sr e s e a r c hs c r e e n e d9s t r a i n so fb i o f l o c c u l a n t p r o d u c i n gm i c r o o r g a n i s m sf r o m s o i la n da c t i v a t e ds l u d g es a m p l e s i no r d e rt od oi n - d e p t hr e s e a r c h ，s e l e c t1s t r a i n s w i t hh i g ha n ds t a b l ef l o c c u l a t i n ga c t i v i t ya n dn a m e dg 5 ，i n d i c a t e dt h a tg 5s t r a i n p r o d u c e sf l o c c u l a n tp e r f o r m a n c em o s te x c e l l e n t ，i ti si d e n t i f i e da sb a c i l l u sb r i v e s b a s e do ni t sc o l o n yc h a r a c t e r ，m o r p h o l o g i c a la n dp h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s w i t ha na i mt oi n v e s t i g a t et h ef a c o r sa f f e c t i o n gf o l c c u l a t i n gc a p a b i l i t yw em a d e ao r t h o g o n a lt e s t ，w h i c hw a sp e r f o r m e dt os c r e e nt h em e d i u mc o m p o s i t i o na n dt h e o p t i m u mc o n d i t i o n s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eo p t i m a lc o m p o n e n t so ft h ec u l t u r e w e r e ：s u c r o s e2 0 9 l 、y e a s te x t r a c t0 5 9 l 、( n h 4 ) 2 s 0 41 0 9 l 、k h 2 p 0 45 9 l ；t h e o p t i m u mc u l t u r ec o n d i t i o n sw e r e ：o r i g i n a lm e d i u mp hg 0 、c u l t u r et e m p e r a t u r e3 0 ( 2 、 c u l t u r et i m e7 2 h 、r o t a t i o ns p e e d15 0 r m i n c a 2 + c o u l d p r o m o t et h em i c r o b i a l f l o c c u l a n tp r o d u c t i o nn o t a b l e l y ，w h e nt h ep ho ft h ec u l t u r ew a s13 ，t h eh i g h e s t f l o c c u l a t i n gr a t eo ff l o c c u l a n t sp r o d u c e db yg 5t og a o l i n gc l a ys u s p e n s i o nw a sa s h i g ha s9 6 5 s t u d yw a sm a d eo nt h ec o m p o s i t i o na n dp r o p e r t yo fb i o f l o c c u l a n tg 5 t h er e s u l t s h o w e dt h a tt h em a i nc o m p o n e n to ft h ef l o c c u l a n tw a sap o l y s a c c h a r i d e ，t h e b i o f l o c c u l a n tg 5p o s s e s s e dc o r k i n gt h e r m o s t a b i l i t y t h r o u g ha n a l y z i n g t h e f l o c c u l a t i n g f e a t u r e so fb i o f l o c c u l a n t so nk a o l i n s u s p e n s i o ns o l u t i o n ，p r e a n dp o s t - f l o c c u l a t i o n e l e c t r i cp o t e n t i a l ，e l e c t r i c a l s c a n n i n gg r a p h ，a n d i t sc h e m i c a l c o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r e ，t h ef l o c c u l a t i n g m e c h a n i s mc o u l db ei n f e r r e da sf o l l o w s ：b i o f l o c c u l a n t sa n dp e l l e t sa b s o r b e dt h r o u g h e l e c t r i c - a t t r a c t i o na n dh y d r o g e n b o n d b i o f l o c c u l a n t sh a d r e l a t i v e l yh i g h e rm o l e c u l a r w e i g h t ，a n dc o u l de a s i l ys t r e t hi nw a t e r , a b s o r d e dw i t hp e l l e t st h r o u g ha c t i v eg r o u p a n dl i n kp e l l e t s ，r e a c h i n ga b s o r p t i o nb r i d g e d u r i n gt h ep r o c e s so ff l o c c u l a t i o n ，c a c l 2 u i 生物高分了絮凝剂g 5 的制备0 絮凝机理研究 e n h a n c e d f l o c c u l a t i n g e f f e c t t h r o u g h e l e c t r i c n e u t r a l i z a t i o n ，c o m p r e s s i o n o f b i e l e c t r i cl a y e ra n dr e d u c e de l e c t r o m o t i v ef o r o e b i o f l o c c u l a n t0 5c o u l d e f f e c t i v e l y r e m o v et h e s u s p e n d e d s u b s t a n c e si n w a s t e w a t e r m a d eaf l o c c u l a n te x p e r i m e n to nt h eb e e r yw a s t e w a t e ru n d e rt h eo p t i m u m f l o c c u l a t i n gc o n d i t i o n s t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h et u r b i d i t yr e m o v i n gr a t ew a s9 2 k e yw o r d s ：b i o f l o c c u l a n t ；b a c t e r i u m i d e n t i f i c a t i o n ；c u l t u r a lc o n d i t i o n s f l o c c u l a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：f l o c c u l a t i n gm e c h a n i s m i v 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：王恶日期：力哆年，月矽日作者签名：工虑日期：卅年，月影日 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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密商。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 王志 日期：护净，月) 日 导师签名：式不r 吨“蝴期如o c 产多月日 硕 ：学位论义 第1 章绪论 水是人类赖以生存的物质，大部分天然水源都必须经过处理后方可使用。工 业化一方面使人们的生活水平得以提高；另一方面带来的却是环境污染的加剧。 这两者都对水处理提出了越来越严格的要求。污水处理技术的不断发展和工程应 用已经成为维系社会经济可持续发展的必要组成部分。经济的快速发展引发了更 突出的环境污染问题，水处理技术开始走向以环境保护为背景的历程。 在水处理特别是给水处理中，向原水中加入絮凝剂使其中的悬浮物和胶体混 凝沉降是预处理中最主要的处理工艺。因此，关于絮凝剂的研究成为水处理中一 个非常重要的课题。在水处理中，絮凝剂的定义为：凡是用来使水溶液中的溶质、 胶体或者悬浮物颗粒团聚，产生絮状沉淀的物质都叫絮凝剂。絮凝剂广泛应用于 自来水生产、污水处理、管道紧急疏浚，另外在发酵产品固液分离及食品工业等 方面亦已得到应用。 1 1 絮凝剂概况 絮凝齐i j 是一英能使悬浮液中的细颗粒凝聚、沉降的物质，广泛应用于废水处 理、化工等领域。19 9 0 年美国絮凝剂的消耗量为3 万吨( 主要用水处理) ，价值9 4 0 0 万美元，并以每年4 的速度增加。目前我国生产聚铝的厂家达5 0 多家，每年生 产聚丙烯酰胺近万吨。由此可见，絮凝剂产品有着广阔的市场。随着工业的发展， 污水量的增加，絮凝剂的需求量势必还将增加。 水处理混凝过程净水能否达到高效能的关键问题之一，就在于恰当地选择及 使用性能优良的絮凝剂。絮凝剂可以分为以下几类：无机絮凝剂，以铝盐为代表， 包括铝盐如硫酸铝、氯化铝、铁盐以及无机高分子絮凝剂如聚合氯化铝、聚合硫 酸铁：有机高分子絮凝剂如聚丙烯酞胺、聚丙烯酸钠等：天然高分子絮凝剂，主 要是指那些从动植物以及海洋生物中提取的蛋白质、多糖、糖蛋白、粘多糖类絮 凝剂，如甲壳素、几丁质、明胶、海藻酸钠等。对筛选到的产絮凝剂的微生物 在特定的培养基中进行培养，使微生物产生并分泌到胞外具有絮凝活性的物质 z - 5 ， 其组成与天然高分子絮凝剂相似，以多糖、蛋白质为主。 目前在给水及废水混凝处理中，应用最广泛、最成熟的絮凝剂是第一和第二 类絮凝剂，因为这两类絮凝剂，尤其无机高分子絮凝剂具有成本低廉、高效、适 应性强等优点，因而在近年得到了迅速发展与应用。然而它们对环境和生物的副 作用即二次污染越来越引起人们的关注。据研究资料表明，铝盐絮凝剂具有潜在 的毒性作用，主要表现在四个方面：其一，对水生生物的毒性效应，已有文献报 生物高分予絮凝剂g 5 的制备j 絮凝机理研究 道，当水中铝含量高于o 2 - 0 5 m g l 时，即可导致蛀鱼致死；其二，对植物的毒性 效应，土壤中铝含量升高会导致植物发生铝害，影响植物生产，甚至死亡；其三， 铝进入食物链亦可影响人体健康，临床上铝中毒主要是铝性脑病、铝性骨病和铝 性贫血等。其中，老年性痴呆即是铝性脑病中的一种。研究资料表明，老年性痴 呆病与只俱增与饮用水中过量铝含量有关。其四，对微生物毒性效应，据报道， 当铝浓度大于2 5 m g l 时会对活性污泥产生毒性影响，并使整体去除效果下降。由 于环境医学界关于铝对生物体影响的报道与争论，铁系絮凝剂受到一定的重视。 然而铁盐对金属具有腐蚀作用，而且过量会导致水中色度问题。有机合成高分子 絮凝剂生物可降解性很差，尤其是日前常用的聚丙烯酰胺的单体丙烯酰胺具有强 烈的神经毒性，而且还是三致物，因此在发酵和食品等行业，应用受到限制。天 然高分子絮凝剂，由于取自于动植物，因而毒性较低。有的絮凝效果较好，但成 本过高，絮凝效果不理想，所以应用也很有限。 微生物絮凝剂是一类由微生物产生的有絮凝活性的次生代谢产物，由于微生 物种类繁多，分布广泛，易于从环境中筛选到絮凝剂产生菌，如活性污泥、土壤、 河流底泥、各种工业废水，甚至下水道、厨房排水道污泥都可作为絮凝产生菌的 菌种来源。其中活性污泥是筛选絮凝剂产生菌的主要来源，因为活性污泥本身就 是以絮凝性细菌为中心形成的各种微生物的聚集体。微生物还具有代谢活动旺盛、 生长繁殖快、列环境适应能力强、易产生变异等特点，可以通过优化培养条件使 絮凝剂产生菌在短时间内大量自我繁殖并生产絮凝剂。还可通过基因工程的手段， 使絮凝剂产生菌同时获得其它优良性状，如高效性，产生更多的微生物絮凝剂， 对环境的适应能力增强，对某种难降解污染物具有降解性等，以提高微生物絮凝 剂的实用性。由于上述特点，以及微生物絮凝剂的安全无毒，因此近年来得到了 各国研究者的广泛关注并成为新型絮凝剂研究开发的热点。 1 2 微生物絮凝剂的发展概况 1 8 7 6 年，法国l o u i sp a s t e u r 在研究酵母菌l e v u r ec a s s e e u s e 时，发现该菌能产生 絮凝作用。l9 3 5 年，美国科学家从活性污泥中筛选出具有絮凝能力的絮凝剂产生 菌。之后，人们对絮凝剂产生菌的研究也越来越密切了。1 9 7 1 年，z a j i c 和k n e t t i n g 从煤油中分离出一株对泥水具有絮凝能力的棒状杆菌。1 9 7 6 年，j n a k n m u r a 等对 能产生絮凝效果的微生物进行了研究，从酵母、霉菌、细菌、放线菌等菌株中筛选 出1 9 种具有絮凝能力的微生物。其中霉菌8 种、酵母菌1 种、细菌5 种、放线菌5 种。 其中以酱油曲霉( a s p e r g i l l u ss o j u e ) 产生的絮凝齐l j a j 7 0 0 2 效果最好。2 0 世纪8 0 年 代，日本仓根隆一郎等人从r 本的旱田土壤中分离出红平红球菌s 1 ，并将菌种产 生的微生物絮凝剂命名为n o c 1 。该菌种在处理畜产废水、膨胀污泥和砖场生产 废水等方面取得了很好的效果，被认为是目前发现的最好的微生物絮凝剂。 硕 j 学位论文 国外在微生物絮凝剂研究方面做了大量的工作，如朝鲜、伊朗和日本就研究 发现了一些新的絮凝剂产生菌阳。8 3 ，其产生的微生物絮凝剂有p y 9 0 、a s 1 0 1 、a 9 9 、 d p 1 5 2 ，其中比较有代表性的是1 9 9 7 年s u h h h 等人发现的d p 1 5 2 絮凝剂，其首 次发现杆状细菌也能产生絮凝剂。2 0 0 1 年，s h i h i l 等旧1 再次发现了一株杆状细菌 c c r c l2 8 2 6 可产絮凝剂，并指出该絮凝剂的分子量达2 10 5 ，最适环境为中性。 2 0 0 3 年，新加坡国立大学的s d e n t 等训从土壤中分离出一株粘质杆状细菌，研究 了该菌产生的絮凝剂m b f a 9 的组成特性，用于处理淀粉废水可使s s 和c o d 分别降 低8 5 5 和6 8 5 。1 9 9 9 年，关于糖类以外微生物絮凝剂生产培养用碳源的第一篇 报道1 ，来自同本国家人类与生物科学技术研究工业科技机构，他们发现乙醇比 葡萄糖和果糖可更有效地产生红平红球菌s 一1 絮凝剂。国外微生物絮凝剂的商业化 生产上世纪9 0 年代就丌始了。 我国的微生物絮凝剂发展起步较晚，目前尚处于实验室阶段。上世纪9 0 年代 以来，国内有关的报道也日渐增多，但大多数还停留在菌种筛选阶段，成功投入 生产的报道尚很少。我国近3 年对微生物絮凝剂性能方面的探索主要有：程金平n 2 3 等得出了絮凝剂d t j m 1 的最佳絮凝条件；江南大学的何宁n 3 1 从土壤中分离出一株 谷氨酸棒杆菌属( c c t c c m 2 0 1 0 0 5 ) ，其絮凝剂分子量为1 0 5 d a ；陈欢1 发现了 一种产生胞外多糖絮凝剂s c 0 6 的纤维堆囊菌( s p o r a n g i u r nc e l l u l o s u mn u s t 0 6 ) ， s c 0 6 由葡萄糖、甘露糖和葡萄糖醛酸组成，其比例约为5 ：3 ：1 ，絮凝活性依赖于阳 离子存在，在p h2 - 9 范围内絮凝活性稳定；湛雪辉n 5 3 等从污水中筛选菌株x h 1 ， 其微生物絮凝剂絮凝率近8 6 ，最适p h6 5 7 5 、最适温度为3 0 ；时红们利用筛 选株t j 3 产生的微生物絮凝剂处理高岭土悬浊液絮凝率达9 2 4 。我国科学工作者 在对絮凝基因和转基因的研究方面也做了大量的工作，如中科院微生物研究所的 张博润 就对酵母絮凝机理研究概况做了论述，何秀萍对絮凝基团f l o i g 的序列 作了测定和分析，江南大学的李寅、何宁n8 川等研究了新型蛋白聚糖类生物絮凝 剂r e a l l 的合成途径。 1 3 微生物絮凝剂的研究 1 3 1 微生物絮凝剂的种类与特点 微生物絮凝剂是利用微生物技术，通过生物发酵、抽提、精制而得到的一种 具有生物分解性和安全性的新型、高效、无毒的廉价的水处理剂弛训。微生物絮凝 剂包括两大类心：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，红平红球菌乜2 。2 盯( 属放线菌) 、酱油曲霉怛钆剐、拟青霉妇7 圳等的分泌物； 另一类是某些微生物的菌体，它本身具有絮凝性，如草分枝杆菌心引、d e m a t i u m 生物高分了絮凝剂g 5 的制备。j 絮凝机理研究 s p 口0 l 、真菌1 3 2 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m 1 ( 延滞期、指数生长期、稳定期和衰亡期) ，在 生长后期，尤其是稳定期，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 悬浮物颗粒，即为微生物絮凝剂，主要包括蛋白质b 卜37 1 、糖类拍8 44 1 、脂类、纤维 素n 铲4 7 1 、氨基酸的均聚物8 f 侧、d n a 哺0 5 等物质。 与传统的无机和有机合成高分子絮凝剂相比，微生物絮凝剂具有很多独特的 性质和优点： ( 1 ) 微生物絮凝剂具有高效的絮凝性能； ( 2 ) 微生物絮凝剂对人体无毒无害，安全性高； ( 3 ) 易被微生物降解，无二次污染： ( 4 ) 应用范围广，脱色效果好； ( 5 ) 易于固液分离，形成的沉淀物少； ( 6 ) 有的微生物絮凝剂还具有不受p h 条件影响，稳定性强，用量少等特点： ( 7 ) 产生絮凝剂的微生物绝大多数来自土壤和活性污泥中，资源极其丰富， 获得的方法也较简单，成本低廉。 1 3 2 微生物絮凝剂合成的影响因素 产微生物絮凝剂的微生物分布范围很广泛，因此，微生物絮凝剂的合成受到 很多因素的影响，合成微生物絮凝剂的影响因素包括培养基成分( 碳源、氮源、 无机离子、水、生长因子及其他物质) 、操作条件( 培养基p h 值、培养温度、通 气量、培养时间等) 、絮凝剂产生菌遗传因素等等。 1 3 2 1 培养基成分的组成 ( 1 ) 碳源。微生物絮凝剂的合成与碳源有较大关系。对细胞生长最合适的碳 源并不一定是对絮凝剂分泌最有利的碳源，用橄榄油为碳源时，虽有利于细胞生 长，但却不利于絮凝剂的合成。 ( 2 ) 氮源。在氮源中，尿素和硫酸铵对生物絮凝剂的产生和细菌的繁殖最为 有利。硝酸铵和氯化铵也可促进增长，但絮凝活性只相当于用尿素的6 0 7 0 。 碳氮比对于絮凝剂的合成也有影响。在有机氮源中，酵母浸粉和酪蛋白质氨基酸 最为有效。 ( 3 ) 无机盐。微生物所需的无机盐指含k 、n 、p 、s 、n a 、m g 、f e 等元素 的无机化合物。它们是细胞和酶的重要组成元素，参与稳定微生物的细胞结构， 维持酶的活性，调节微生物细胞渗透压、氢离子浓度、氧化还原电位等。 ( 4 ) 生长因子。微生物生长所不可缺少的微量有机物质就是生长因子，包括 维生素、氨基酸、嘌呤嘧啶等物质。络蛋白氨基酸、蛋白胨、酵母膏、络蛋白、 硕f ：学位论文 丙氨酸和谷氨酸等，可以促进絮凝剂的产生睛2 、5 劓。 ( 5 ) 水。水既参与微生物的代谢，又是代谢反应的介质，是微生物营养中不 可缺少的。 1 3 2 2 微生物絮凝剂产生菌的培养条件 ( 1 ) 培养基初始p h 值。任何微生物只有在一定的环境中才能生长，培养基 的初始p h 值对絮凝剂的产生有重要的影响。初始p h 值在6 0 9 0 为合适的初始 p h ，会使菌株的生长速度大大加快，缩短其培养周期，同时也会提高絮凝剂的活 性。 ( 2 ) 温度。培养温度对微生物产絮凝剂有明显影响。微生物絮凝剂产生的最 佳温度一般在2 5 3 5 ，温度过低菌体生长速度变慢，温度过高细胞内代谢途径 将发生改变。 ( 3 ) 供氧量。供氧量也是影响微生物絮凝剂产生的重要因素。增加供氧量有 利于好氧或兼性厌氧微生物进行好氧呼吸作用，从而促进絮凝剂的合成；另一方 面，增加供氧量可以阻止菌体絮凝成较大的凝聚体。 1 3 2 3 微生物絮凝剂产生菌的遗传因素 微生物絮凝剂的产生一般由多个基因控制，且基因控制机理复杂，涉及定位 基因与抑制基因之i 日j 的相互作用，定位基因的表达j 絮凝基凶的合成和分泌等。 到目f i 为止，人们已经发现了十几个与絮凝剂产生有关的基因。且对与絮凝有关 的基因进行了研究，以期揭开微生物产生絮凝剂的机制。 1 3 3 微生物絮凝剂絮凝活性的影响因素 1 3 3 1 影响絮凝活性的内在因素 研究影响微生物絮凝剂絮凝活性的因素，其内因有： ( 1 ) 絮凝剂分子量。絮凝剂分子量的大小对絮凝活性有很大影响。通常，絮 凝剂分子量越大，其分子链越长，所带电荷和活性吸附位点越多，电荷中和能力 就越强，架桥作用和卷扫作用越明显，其絮凝活性就越高。目前已分离纯化的微 生物絮凝剂多为多聚糖和蛋白质之类的生物高聚物，分子量大多在10 5 _ 1 0 6 ，例如 酱油曲霉产生的絮凝剂f 1 分子量在2 0 00 0 0 以上。但分子量过大导致分子链折 叠，影响胶粒靠近，反而使絮凝活性降低。 ( 2 ) 絮凝剂分子构型。絮凝剂分子在水中的伸展状态直接影响絮凝活性。一 般认为，絮凝剂分子呈现无规则线团时，分子的有效长度变短，不利于吸附架桥： 而分子充分伸展，呈现柔性线状则有利于絮凝。因此，线性分子比非线性分子絮 凝活性高，有利于分子链架桥形成絮体。分子交联多或支链多，将因空间受阻会 使絮凝活性降低。 生物，向分了絮凝剂g 5 的制稀与絮凝机理研究 ( 3 ) 絮凝剂中活性基团的数量与类型。一些特殊基团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，对絮凝活性有很大影响。大多数微生物絮 凝剂的红外光谱表明，在其结构中存在着羧基、羟基、氨基和磷酸根。z a j i c 等认 为，这些官能团对高岭土的絮凝是有贡献的。大多数人认为，羧基在絮凝中起重 要作用，也有其他学者强调氨基和磷酸根的重要性。 ( 4 ) 细胞表面疏水性。絮凝活性也与细胞表面疏水性有关，处于对数生长后 期的细胞，表面疏水性增强，其絮凝活性升高。处理污水可降低微生物絮凝剂的 细胞表面疏水性，其絮凝性能会明显下降。而聚合阳离子却可增强细胞表面疏水 性，故能提高其细胞的絮凝活性。但v i j a y a l a k s h m i 等提出，在用枯草芽孢杆菌处 理煤屑污水时，其细胞表面是亲水性的。 1 3 3 2 影响絮凝活性的外在因素 影响微生物絮凝剂絮凝性能的外因包括很多方面，其主要因素为： ( 1 ) 絮凝剂的投加剂量。每一种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。据分析，投加剂量的最佳值大约是固体颗粒表面吸附大分子 化合物达到饱和时一半的吸附量，因为此时大分子在固体颗粒上架桥几率最大。 ( 2 ) 温度。有些微生物絮凝剂易受温度的影响，主要是因为高温可使某些生 物高分子( 如蛋白质絮凝剂) 变性及空间结构改变，某些活性基团不再与悬浮颗 粒结合，因而表现出絮凝活性下降。有些微生物絮凝剂对温度不敏感，因为这类 微生物絮凝剂主要是由多聚糖构成的，多聚糖结构经高温处理变化不大，仍能以 化学键的方式与被絮凝物结合，因而其絮凝活性随温度变化不大。 ( 3 ) 絮凝环境的p h 值。微生物絮凝剂的絮凝能力与絮凝环境的p h 值有关， 主要是因为酸碱度的变化影响微生物絮凝剂及其被絮凝物表面电荷的性质、数量 及中和电荷的能力。不同的微生物絮凝剂对不同的被絮凝物具有不同的初始p h 值要求，这种差异主要是由絮凝剂的化学成分决定的。 ( 4 ) 金属离子的种类和浓度。金属离子的种类和浓度对微生物絮凝剂的影响 很大。一定浓度的金属离子可以使微生物絮凝剂分子与悬浮颗粒以离子键结合， 从而促进絮凝，因此对于提高微生物絮凝剂的絮凝活性有重要意义。不同的絮凝 剂，其适合的离子种类有所差异，目前研究较多的有c a “、m 9 2 + 、m n ”、a 1 3 + 、 f e 3 十等。 ( 5 ) 搅拌时间。叶晶菁等人筛选出来的生物絮凝剂在试管絮凝实验中，若只 快摇混合1 0 次，絮凝率仅为5 6 2 7 ，且絮体细小；若继续进行1 0 次慢速颠倒混 合则絮凝率升至7 8 5 5 ，且絮体较为粗大，沉降速度也加快。说明慢摇对小絮体 互相结合而成大絮体是必须的。 ( 6 ) 胶粒表面电荷和表面结构。胶粒表面电荷亦影响絮凝活性，同一絮凝剂 硕f ：学位论文 对不同胶粒会表现出不同的絮凝活性。微生物絮凝剂所带电荷多数为负电荷，在 处理阳离子型废水时，加入的生物高聚物吸附在带电胶粒上，将中和胶粒的表面 电荷，这就降低了胶粒的z e t a 电位而使其聚沉，提高了絮凝活性。胶粒的表面结 构对絮凝活性也有定的影响。实践表明，尽管微生物絮凝剂具有广阔的絮凝作 用，但对不同胶体颗粒表现出不同的絮凝活性，地衣芽孢杆菌c c r c l 2 8 2 6 对高 岭土、氧化铝和活性碳的絮凝活性( i o d ) 分别为8 5 、6 1 及3 0 。 1 3 4 微生物絮凝剂絮凝机理的研究 关于微生物絮凝剂的絮凝机理，目前还不是很清楚，处于探讨阶段。人们还只 是对絮凝机理提出了一些假说或通过使用传统的絮凝机理进行解释，而传统的絮 凝理论对生物絮凝剂的某些絮凝特性还是无法作出完整的解释。目前出现的假说 都只是部分地解释微生物絮凝剂的絮凝现象。 1 3 4 1 微生物絮凝剂的结构和性质 微生物絮凝剂的絮凝特性取决于絮凝剂本身的特性，而絮凝剂的特性主要决 定于不同的微生物。研究微生物絮凝剂的机理，必须研究不同微生物絮凝剂的组 成、各组分的性质等特性。微生物絮凝剂不仅种类繁多，而且结构性质各异。目 前已分离纯化的微生物絮凝剂多为多聚糖和蛋白质之类的生物高聚物。尽管多数 微生物絮凝剂的主要成分为多糖、蛋白质、糖蛋白，但所形成的高分子聚合物的 结构、性质不同，使得絮凝剂的絮凝性能不同，其絮凝机理也不同。多糖主要由 中性糖、酸性糖和碱性糖组成；蛋白质由多种氨基酸组成。微生物絮凝剂的特定 组分决定了微生物絮凝剂的特性。产生絮凝剂的微生物种类多，一定有产生高效 絮凝剂的菌株，从分子组成分析微生物絮凝剂，可以从根本上解释微生物絮凝剂 的絮凝机理。 1 3 4 2 微生物絮凝剂的传统絮凝机理 絮凝作用是一个复杂的物理化学过程，很多人致力于细胞絮凝的机理及其影 响因素的研究。对于传统的絮凝作用机理，主要包括为： ( 1 ) 吸附架桥作用。该理论认为，微生物絮凝剂大分子借助离子键、氢键和 范德华力，同时吸附多个胶体颗粒，在颗粒间产生“架桥”现象，并形成一种网 状的三维结构而沉淀下来。这种作用的核心是大分子的“吸附架桥”作用。l e e 等以吸附等温线和 电位测定表明，环圈项圈藻p c c 6 7 2 0 所产生的絮凝剂对膨 润土絮凝过程是以“桥联作用 机理为基础的。电镜照片显示细菌之间有胞外聚 合物搭桥相连，正是这些桥使细胞丧失了胶体的稳定性而紧密聚合并在液体中沉 淀下来。t e n n y 、b u s c h 提出胞外高分子聚合物通过桥联作用使悬浮物絮凝时，絮 凝剂分子和颗粒之间以离子键结合促使絮凝发生。 生物赢分了絮凝剂g 5 的制备弓絮凝机理研究 ( 2 ) 电性中和作用。l e v y 等嵋5 3 在研究絮凝剂f j l 时指出，在胶体颗粒的絮 凝过程中，电中和效应也是不容忽视的。当生物高分子絮凝剂所带电荷与颗粒带 电性质相反时，颗粒因为吸附生物絮凝剂而使表面电荷密度降低，从而颗粒之间 能够充分相互靠拢使得吸引力成为主要作用力，为絮凝剂的架桥提供了有利条件。 ( 3 ) 卷扫作用。形成小粒絮体的絮凝剂在重力作用下沉降，犹如一个过滤网 下降，迅速卷扫水中胶粒产生沉淀，卷扫作用基本是一种机械作用。当溶液中聚 合物浓度高时，会发生溶胶作用，以致无法实现架桥。 1 3 4 3 现代絮凝假说 目前，针对微生物絮凝剂提出了一些新的絮凝理论，主要有：b u t t e r f i e l d 的黏 质假说；g r a b t r e e 的p h b 酯合学说；f r i e d m a n 的菌体外纤维纤丝学说；m i k i 针对酵 母菌提出的“类外源絮凝聚素 假说及s t r a n t f o r d 提出的病毒假说。但这些假说适 用范围窄，只能解释部分菌引起的絮凝。如：g r a b t r e e 的p h b 酯合学说只能解释部 分p h b 引起的絮凝；f r i e d m a n 的菌体外纤维纤丝学说只能针对纤维素类絮凝剂的 絮凝机理做出合理的解释，该学说认为某些微生物产生的絮凝物质并不游离到菌 体培养液中，而是作为菌体细胞的某一组分，或者附着于细胞表面形成荚膜状， 类似于菌体外有“纤丝 ，而产生絮凝作用；“类外源絮凝聚素 假说只能对非 游离态絮凝剂作出合理的解释，该假说认为在微生物细胞表面存在絮凝性分子或 基团，使细胞容易结合凝聚产生絮凝现象。 从生物絮凝剂的多样性以及表现出的絮凝范围的广普性可以断定，絮凝机理 肯定是多样的。絮凝过程是一个复杂的过程，为了更好的解释絮凝机理，需要对 特定絮凝剂和胶体颗粒的组成、结构、电核、构象及各种反应条件对它的影响进 行更深入的研究。 1 3 5 微生物絮凝剂的应用研究 1 3 5 1 微生物絮凝剂在污水处理中的应用 微生物絮凝剂的应用研究已涉及各种废水处理，主要运用在悬浮物去除、脱 色、c o d 去除等。微生物絮凝剂在污水处理中的应用主要包括有： ( 1 ) 城市生活污水的处理。用从城市生活污水中分离出的具有絮凝、降解作 用的高效混合菌群对生活污水进行处理，可使污水的c o d 和b o d 去除率达到 1 0 0 。用絮凝剂t h 6 处理生活污水，其c o d 和s s 去除率分别为6 8 和9 0 。 ( 2 ) 建材和焦化废水的处理。在含有大量固体悬浮颗粒的废水中，加入某种 微生物絮凝剂的发酵液，可使废水中形成大量絮凝体以沉淀去除。如在焦化废水 悬浊液中，加入a l c a l i g e n u e sl a t u s 培养液，沉降后上清液的固体悬浮颗粒去除率 达7 8 。用红平红球菌产生的絮凝剂处理瓦厂废水，处理后的上清液几乎是透明 硕1 ：学位论文 的。 ( 3 ) 染料废水的脱色。目前的废水处理技术虽能降低b o d 5 ，但是对可溶性 色素溶液的脱色效果不佳，使用微生物絮凝剂处理可以达到理想的效果。如用 p a l e a l i g e n e s8 7 2 4 菌株产生的絮凝剂对造纸黑液和氯霉素生产废水等颜色较深的 废水进行脱色处理，其脱色率可分别达到9 5 和9 8 。用n t x 絮凝剂对质量浓 度为1 0 0m g l 的葸醌染料废水进行脱色，其脱色率可达9 3 。 ( 4 ) 畜产废水的处理。畜产废水的b o d 5 很高，是一类难处理的有机废水。 采用微生物絮凝剂可以有效地降低其t o c 含量和t n 含量。如在畜产废水中加入 微生物絮凝剂n o c 1 ，处理1 0 m i n 后，其t o c 和t n 去除率分别为7 0 和4 0 ， 浊度去除率达9 4 5 ，处理后的水基本上是无色澄清的。 ( 5 ) 食品工业废水的处理。微生物絮凝剂用于食品废水的处理，可达到满意 的效果。如用微生物絮凝剂普鲁兰来处理味精生产废水，其c o d 和s s 去除率可 达到4 0 左右，其浊度去除率可达9 9 。用絮凝剂a 9 处理淀粉厂的黄浆废水， 其处理效果也明显优于目前使用的化学絮凝剂，且可回收其蛋白质成分作饲料。 ( 6 ) 塑料工业废水的处理。在塑料工业废水中酞酸酯含量较高，较难处理， r h o d o c c o c u s ne r y t h r o p o l i s 能在以酞酸酯为碳源的培养基上生长，并合成一种酶。 该酶将具有不同支链的邻苯二甲酸酯分解成邻苯二甲酸和乙醇，而且同时产生絮 凝剂，达到双重处理效果。 ( 7 ) 电镀废水的处理。电镀废水中的铬和氰对人体危害很大，是废水处理的 重点治理成分。田小光以硫酸盐还原菌培养液为净化剂，可使水中的c r 6 + 质量浓 度由4 4 11 m g l 下降为5 3 7j - t g l 。 1 3 5 2 微生物絮凝剂在其它方面的应用 微生物絮凝剂不仅可以应用于废水处理，还可以进行油水分离、污泥沉降脱 水等等。微生物絮凝剂在其它方面的应用主要有： ( 1 ) 给水和饮用水。水源水中往往含有颗粒物、少量有毒有机物及水中滋生 的病原菌等。微生物絮凝剂在给水中去除浊度、病原菌等方面的效率高于传统的 无机及有机絮凝剂，而且用量少，应用范围广，沉淀物过滤性好，饮用后对人体 无毒副作用。 ( 2 ) 乳化液的油水分离。向一些乳化液中加入特定的絮凝剂，在一定程度上 可使油水分离。如用a l c a l i g e n u sl a t u s 培养物可以将棕榈酸从乳化液中分离出来， 下层清液的c o d 从4 5 0 m g l 下降为2 3 5 r n g l ，去除率为4 8 ，远高于有机和无 机高分子絮凝剂。 ( 3 ) 活性污泥沉降性能的改善。活性污泥处理系统的效率常因污泥的沉降性 能变差而降低，微生物絮凝剂能有效地提高整个处理系统的效率。如将由红平红 生物蕾分了絮凝剂g 5 的制稀j 絮凝机理研究 球菌制得的微生物絮凝剂n o c 1 加入到已膨胀的活性污泥中，可以使污泥容积指 数从2 9 0 下降到5 0 ，并且在污泥沉降性能得到恢复的同时不会降低有机物的去除 效率。 1 4 选题背景与研究内容 1 4 1 微生物絮凝剂的研究背景 絮凝剂在生活污水与工业废水处理过程中越来越受到重视，占有举足轻重的 地位。近几十年来，无论是无机絮凝剂还是有机絮凝剂都有了很大的发展。资料 显示，仅我国的絮凝剂产量就以1 0 的年平均速度增长，国外高分子絮凝剂的生 产与消费近几年也保持了1 5 的年平均增长速度。目前，人类社会工业生产活动 的高速发展和人口的急剧增长，人类赖以生存的水域环境受到越来越严重的污染， 这对絮凝剂的应用提出了严峻的挑战。据有关研究表明，铝系絮凝剂中铝盐对人 体有一定的毒害作用，饮用水摄入过多的铝离子的人群中，老年性痴呆症的患者 比例较高。铁系絮凝剂中铁盐对金属有腐蚀作用，而且会造成处理水中带有颜色， 高浓度的铁也会对人类健康和生态环境造成不利影响。人工合成的有机高分子絮 凝剂不易被降解，会对环境造成二次污染，且其聚合用的单体即丙烯酰胺具有强 烈的神经毒性和致癌作用。微生物絮凝剂作为天然生物高分子絮凝剂的重要种类， 除了具有天然高分子絮凝剂的无毒、无二次污染等优点外，能产生絮凝剂的微生 物种类多，生长快，使得对微生物絮凝剂的筛选容易，微生物絮凝剂的制备时间 短。更为突出的是，微生物絮凝剂在絮凝沉降的同时还可利用微生物絮凝剂产生 菌的生化降解功能，达到降解有机污染物，絮凝沉降胶体和悬浮物。随着生物科 学基因工程领域许多重大突破的取得，环境科学工作者开始将生物技术与絮凝技 术结合起来，微生物絮凝剂的研制迅速发展起来，研究开发出微生物絮凝剂，开 创了絮凝剂研究工作的新领域。 通过对微生物絮凝剂的更加全面、深入的研究，生物絮凝剂将更好、更广泛 的应用于生产实践，为水处理技术的发展开拓了广阔的前景。加