（动物学专业论文）深海多糖类生物絮凝剂产生菌halomonas+spv3a的菌种改良与产物分析.pdf

摘要 深海多糖类生物絮凝剂产生菌h a l o m o n a ss p v 3 a 的菌种改良 与产物分析 摘要 微生物絮凝剂 m i c r o b i a lf l o c c u l a n t 简称m b f 是一类由微生物产生的可使 液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 子代谢产物 是一种具有生物可降解性和安全性的新型 高效 无毒的廉价的水 处理剂 可广泛应用于废水处理 食品加工 生物制药等方面 近些年来受到研 究者极大关注 有逐步取代传统絮凝剂的趋势 本文以深海絮凝剂产生菌h a l o m o n a ss p v 3 a 为出发菌株 进行诱变菌种改 良 获得了w 6 0 2 w 9 0 2 w 9 0 8 w 9 0 9 w 9 0 1 3 五个突变子 并从 v 3 a 发酵液中得到一株自发突变株h a l o m o n a ss p v 3 a 3 v 3 a 3 发酵液絮凝率 高达9 9 8 6 最佳摇瓶培养条件为 2 5 0 m l 摇瓶装液量5 0 m l 培养基盐 度 2 0 n a c i 分段控温培养 2 4 c 培养1 5 h 然后2 8 c 继续培养 发酵周期 2 5 2 8 h 它克服了h a l o m o n a ss p v 3 a 在低温 低转速的产絮凝剂最佳条件下 菌体生长缓慢 发酵周期长达l o d 的缺陷 通过乙醇沉淀等处理从v 3 a 一3 撑发酵 液中得到了生物絮凝剂h b f 3 h b f 3 粗品化学组分分析 总糖2 9 8 中性糖2 0 5 6 糖醛酸7 1 5 氨 基糖1 0 6 h p g p c 测定h b f 3 的分子量为2 3 2 5 8 9d a 紫外光谱分析等现示 h b f 3 不含蛋白质和核酸 h b f 3 的红外光谱分析得到一个典型的多糖红外光谱 图 特征吸收峰为3 2 9 4 2 9 5 1 2 9 5 3 1 6 4 6 1 0 7 4 8 6 2 c m 一 h b f 3 的水解产物 的t l c 分析呈单一斑点 h p l c 分析结果显示h b f 0 3 单糖组分包括 葡萄糖2 7 3 海藻糖0 7 7 甘露糖1 1 2 鼠李糖1 5 6 6 和葡萄糖醛酸6 7 6 是目前已报 到的鼠李糖含量最高的生物絮凝剂 与出发菌株产的絮凝剂h b f 1 类似 h b f 3 也有很好的稳定性和应用前景 在热稳定性方面 即使1 0 0 c 处理3 0 m i n 絮凝率仍保持在9 0 0 6 以上 在p h 1 1 2 之问絮凝率没有明显的变化 应用研究表明 它对各类水质具有良好的絮凝效果 无论是菌体 藻类还是固体颗粒悬浮物 此外 在乳化和金属离子的痕量 1 0 母 吸附方面它也表现出了优异的性能 摘要 关键词 生物絮凝剂 盐单胞菌 结构特征 重金属吸附 a b s t r a c t i m p r o v e m e n t o fad e e p s e ah a l o m o n a s s p v 3 ab ym u t a t i o ni n p r o d u c t i o no f p o l y s a c c h a r i d eb i o f l o c c u l a n ta n dp r o d u c t a n a l y s e s 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 ren 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 c s u b s t a n c e sp 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 e s u s p e n s i o n sa n ds e p a r a t es o l i df r o mt h em i x t u r e 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 c a n do r g a n i cf l o c c u l a n t s t h e yh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so 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 e n v i r o n m e n tf r i e n d l ya n ds oo n m i c r o b i a lf l o c c u l a n t sc a nb eu s e di n w a s t e w a t e rt r e a t m e n t f 1 0 0 dp r o c e s s i n ga n db i o p h a r m a c yf i e l d s ob i o f l o c c u l a n t s h a v ed r a w nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sa n db e c o m ef r o n tl i n eo ff l o c c u l a n t s i n v e s t i g a t i o n as p o n t a n e o u sm u t a n ts t r a i nw a so b t a i n e df r o mf e r m e n t a t i o nb r o t ho f h a l o m o n a ss p v 3 aw h i c hw a si s o l a t e df r o md e e p s e as e d i m e n tw i t hh i g hc a p a b i l i t y o fp r o d u c i n gb i o f l o c c u l a n t f e r m e n t a t i o nc o n d i t i o no p t i m i z a t i o ns h o w e dt h a tt h e o p t i m a lp r o d u c t i o nc o n d i t i o n so ft h em u t a n t c u l t i v a t i n gi n5 0 m l2 0 n a c im e d i u m i na2 5 0 m lf l a s kw i t ht w o s t a g et e m p e r a t u r ec o n t r o l f i r s tc u l t u r e da t2 4 cf o r15 ha n d t h e nc u l t u r e da t2 8 2f o rt h er e s tf e r m e n t a t i o nt i m e a t16 0 r m i na n d2 8 cf o ra b o u t 2 5 2 8 h a f t e ro p t i m i z a t i o no ff e r m e n t a t i o nc o n d i t i o n t h ec u l t u r ec o u l da c h i e v ea f l o c c u l a t i n gr a t ea sh i g ha s9 9 8 6 f o rk a o l i ns u s p e n s i o na tad o s a g eo f2 m l l t h e h a l o m o n a ss p v 3 a p a r e n ts t r a i n g r e ws l o w l ya n dt h ef e r m e n t a t i o nc y c l ew a sa sl o n g a sl o do ni tso p t i m a lp r o d u c t i o nc o n d i t i o n 1 8 2 7 5 r m i n t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h es p o n t a n e o u sm u t a t i o ns t r a i nh a sm u c hm o r ea d v a n t a g ei nb i o f l o c c u l a n tp r o d u c t i o n c o m p a r e dw i t hi t sp a r e n ts t r a i n b i o f l o c c u l a n tp r o d u c e db yh a l o m o n a ss p v 3 a 一3 群i s h b f 3w h i c hw a so b t a i n e da r e rp u r i f i c a t i o n t h er e s u l ts h o w e dc r u d eh b f 3c o n t a i n e dn e u t r a ls u g a r2 0 5 6 u r o n i ca c i d s 7 15 a m i n os u g a r l 0 6 a n dt a t a ls u g a r2 9 8 u vs p e c t r a la n a l y s i ss h o w e dt h a t h b f 一3d i d n tc o n t a i na n yp r o t e i no rn u c l e i ca c i d t h em o l e c u l a rw e i g h tw a s i i i a b s t r a c t d e t e r m i n e da b o u t2 3 2 5 8 9d ab yg p cc o l u m n u l t r a h y d r o g e ll i n e a ri nh p l cs y s t e m a n dt h er e f r a c t i v ei n d e xd e t e c t o rw a su s e d 船t h et h ed e t e c t o r h b f 3h a dat y p i c a l i n f r a r e ds p e c t r o g r a mo fe p s sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i ca b s o r p t i o np e a l w a s3 2 9 4 2 9 51 2 9 5 3 1 6 4 6 1 0 7 4 8 6 2 c m q t l ca n a l y s i so f h b f 3s h o w e do n es i n g l ep o i n to ns i l i c a g e lp l a t e h p l ca n a l y s i ss h o w e dt h a th b f 3w a s c o n s i s to fg l u c o s e2 7 3 f u c o s e o 7 7 m a n n o s e1 1 2 r h a m n o s e15 6 6 a n dg l u c u r o n i ca c i d6 7 6 i tc o n t a i n e d t h eh i g h e s tr h a m n o s ec o n t e n ta m o n gt h ep r e v i o u s l yr e p o r t e db i o f l o l c c u l a n t s t h er e s u l ts h o w e dt h a th b f 一3s h o w e dah i g hs t a b i l i t ya g a i n s th e a ta n de x t r e m e p h s l i g h td e r e a s ei na c t i v i t yw a so b s e r v e da sp hc h a n g e df r o m1 t o12 i na d d i t i o n c a w a sf o u n dt ob eu n n e c e s s a r yt of l o c c u l a t ek a o l i nc l a y t h er e s u l to fa p p l i c a t i o n i nv a r i o u sw a s t e w a t e ri n d i c a t e dt h a ti th a daw i d ef l o s p e c t r u mn om a t t e rc e l l a l g a eo r s u s p e n d e ds o l i d s f u r t h e r m o r e t h ep o t e n t i a lo fh b f 3i nr e m o v a lo ft r a c ea m o u n t s m e t a i i o n sa n de m u l s i f i c a t i o no fo i lw a sa l s oi n v e s t i g a t e d k e yw o r d b i o f l o c c u l a n t h a l o m o n a s s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i z a t i o n h e a v ym e t a l a d s o r p t i o n 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文 是本人在导师指导下独立完成的研究成 果 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果 均在 文中以明确方式标明 本人依法享有和承担由此论文而产生的权 利和责任 声明人 签每 磊之 武 7 卵9 年g 月1e l 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留 使用学位论文的规定 厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅 有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版 保密 的学位论文在解密后适用本规定 本学位论文属于 1 保密 在年解密后适用本授权书 2 不保密八彳 请在以上相应括号内打 作者签名 钛 丸 伊辛 一 t t k 日期 砷年历明 日期 如矽年多月胡 第一章z t f 学位论文正文 第一章绪论 2 l 世纪人类社会面临 人口剧增 资源匮乏 环境恶化 三大问题的严峻挑 战 随着陆地资源的日趋减少 开发海洋 向海洋索取资源 尤其是海洋微生物 资源越来越受到人们的关注 海洋微生物所处的高盐 高压 低温 寡营养的特 殊环境 赋予其独特的生化结构和生存机制 往往能产生结构新颖 功能多样的 活性物质 另外越来越多的实验证明 来自海洋动植物活性物质的真正生物源是 海洋微生物 可见 海洋微生物活性物质的开发利用前景广阔 人们已从放线菌 真菌 细菌 微藻等海洋微生物中分离出具有抗肿瘤 抗病毒 抗细菌 免疫调 节功能以及其它用途的生物活性物质 学者预言 最有前途的抗肿瘤药物或生物 活性物质将来自海洋 而海洋微生物在此领域有着巨大的潜力 海洋微生物胞外多糖正是海洋微生物在生长代谢过程中分泌到细胞壁外的 多糖或多糖复合物 以适应其生存环境 维持生命活动 2 0 世纪8 0 年代以来 海 洋微生物胞外多糖独特的化学结构和生物活性研究在海洋生态学 微生物学特别 是药学领域受到广泛关注 近年来 海洋微生物胞外多糖的结构及生物活性研究 取得了显著进展 据统计 已经发现4 9 属7 6 种微生物产生胞外多糖 包括陆地和 海洋环境 但真正有应用价值并已进行或接近工业化生产的仅十几种 近年来 利用生物技术开发的新型发酵产品 微生物多糖 以其安全 无毒 理化性质 独特等优良特性 越来越受到人们的关注 到目前为止 已大量投产并已得到广 泛应用的微生物多糖主要有黄原胶 x a n t h a ng u m 广泛应用于食品 制药 石油 化工等多个领域 另一些极具商品价值的微生物多糖 或寡糖 如 结冷胶 g e l l a n g u m 短梗霉多糖 p u l l u l a n 右旋糖酐 d e x tr a n 小核菌葡聚糖 s c l e r o g l u c a n 热凝多糖 c u r d l a n 海藻糖 t r e h a l o s e 透明质酸 h y a l u r o n i c 和壳聚糖 c h i t a s a n 等 也得到快速发展 近几年 世界上微生物多糖的年增长量均在1 0 以上 具 有很强的市场竞争力和广阔的发展前景 仅结冷胶 近五年来年增长量均在3 0 以上 据估计 全世界微生物多糖年工业产值可达5 0 亿 1 0 0 亿美元 它们己作为 胶凝剂 成膜剂 保鲜剂 乳化剂 絮凝剂等广泛应用于食品 制药 石油 化 工 废水治理 环保等多个领域 第一章z t f 学位论文正文 1 1 絮凝剂的研究进展 絮凝剂是一种用途广泛的水处理剂 它可使水中不易沉淀的固体悬浮颗粒 粒径lo 7 1 0 3 c m 凝聚沉淀 目前广泛应用的絮凝剂按其分子组成 一般的可 将其分为无机絮凝剂 有机絮凝剂以及逐渐兴起的生物絮凝剂和复合絮凝剂 如 表1 1 无机絮凝剂虽然运行可靠 但存在处理效率不佳 耗费大 有一定的危害 且在消除一种污染物的同时又带来另一种污染物等问题 有文献报道 水中铝含 量高于0 2 0 5 m g l 时可使鲑鱼致死 且由于铝盐絮凝法产生的污泥广泛应用于 农业 导致土壤中铝含量升高 植物出现铝害 从而影响植物正常生长 甚至死 亡 并伴随这些农作物进入食物链亦影响到人体的健康 临床上铝中毒主要表现 为铝性脑病 铝性骨病和铝性贫血等 老年性痴呆症即是铝性脑病的一种 产生 这种病症主要是因为处理水中a 1 3 浓度过高所致 这些毒性给人类健康带来了很 大的危害 此外 铁盐类絮凝剂不仅对所用设备具有强腐蚀性 而且容易残留铁 离子 使被处理液带有颜色 影响水质 且高浓度的铁对人体健康和生态环境有 不利影响 当处理含有较多硫化物的工业废水 如纺织印染废水 石油工业废水 酸法造纸废水等 时 由于f e 3 会被还原为f e 2 同时形成胶体状态的f e s 和f e 2 s 3 的混合物 很难形成絮凝沉淀 现市场上多为合成有机高分子絮凝剂所代替 尤 其是聚丙烯酰胺类絮凝剂 由于聚丙烯酰胺类具有高絮凝性和低生产成本而得到 广泛应用 2 0 世纪8 0 年代 日本这类絮凝剂年产量已达2 4 0 0 吨 这类絮凝剂投加 量少 絮凝速度快 适应范围广 所以在市场上占绝大多数份额 但其在水中的 残留单体不易被降解 具有强烈的神经毒性 而且还有很强的 三致 致畸 致 癌 致突变 效应 因而使其应用范围受到限制 对环境和人体健康不利 存在 二次污染问题 现在许多国家和领域已禁止或限量使用此类絮凝剂 如美国批准 使用的聚丙烯酰胺s e p a r u mn p l o 最大容许浓度为lm g m l 英国规定p a m 的投加 剂量平均不得超过0 5 m g m l 最大投加剂量不得超l m g m l 天然高分子絮凝剂作为一种较新的水处理剂 是利用蛋白质 多聚糖 木质 素 几丁质等生物体分泌的天然有机高分子 通过化学改性制成 由于天然有机 高分子物质具有无毒 能安全降解的特点 所以曾一度引起各科研机构的重视 但由于它的絮凝活性较弱 限制了其广泛的开发应用 2 第一章z t f 学位论文正文 由生物产生的高分子物质 生物絮凝剂不但没有传统絮凝剂的上述缺点 而且还具有安全 高效 可生物降解 无毒 不污染环境等特点 生物絮凝剂最 突出的特点是具有生物降解性 可消除二次污染 属于绿色环保产品 另外 生 物絮凝剂 自美国科学家b u t t e r f i e l d 从活性污泥中筛选出絮凝剂产生菌以来 韩 国 日本等国家的学者对生物絮凝剂进行了大量的研究 并取得了初步的研究成 果 日本学者于上世纪8 0 年代后期制成的命名为n o c 1 的第一种生物絮凝剂 由菌r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i s 产生 已用于畜产废水处理 并收到良好效果 现 以工业化生产 它的出现大大推动了生物絮凝剂的研究进程 而目前 国内的生 物絮凝剂研究尚处于实验室阶段 表1 1 絮凝剂品种分类 3 第一章z t f 学位论文正文 1 2 生物絮凝剂研究发展状况 生物絮凝剂是利用生物技术 通过生物发酵 抽提 精制而得到的一种具有 生物可降解性和安全性的新型 高效 无毒的廉价的水处理剂 可广泛应用于废 水处理 饮料工业 生物制药等方面 生物絮凝剂近些年来受到研究者极大关注 有逐步取代传统絮凝剂的趋势 微生物絮凝剂 m i c r o b i a lf l o c c u l a n t 简称m s f 是一类由微生物产生的可使液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 沉淀的特殊高分子代谢产物 是利用生物技术 通过微生物发酵 分 离提取而得到的一种新型的高分子生物絮凝剂 l 就其化学成分来讲 主要有蛋 白质 黏多糖 纤维素 脂类和核酸等 与传统的无机或有机高分子絮凝剂相比 生物絮凝剂具有许多独特的性质和 优点 产生菌易得 资源丰富 周期短而且效率高 0 为微生物高分子代谢产 物无毒无害 安全性高 易被微生物降解 无二次污染 具有很强的除浊和 脱色性能 适用范围广 易于固液分离 形成沉淀物少 0 某些还具有p h 和热稳定性强 用量小的特点f 2 4 1 1 2 1 微生物絮凝剂研究历史 早在1 8 7 6 巴斯德 l o u i sp a s t e u r 就在啤酒酵母中观察到的细胞聚集现象 当 时运用该种絮凝作用主要为从培养液中将微生物细胞分离出来 1 9 3 5 年 b u t t e r f i e l d 从活性污泥中分离出一株细菌 该细菌的培养液具有一定的絮凝能力 19 71 年z a j i c 和k n e t t i n g 从煤油中分离出一株棒状杆菌 该茵可以分泌 种对泥水 具有絮凝作用的多聚物质 5 1 1 9 7 6 年 n a k a m u r a 等从2 1 4 株霉菌 酵母菌 细 菌和放线菌中 分离出了1 9 株具有絮凝能力的菌株 其中包括细菌5 株 放线 菌5 株 霉菌8 株 酵母l 株 其中酱油曲霉a j 7 0 0 2 a s p e r g i l l u ss o j a e7 0 0 2 产生 的微生物絮凝剂对面包酵母絮凝能力最好 6 微生物絮凝剂不仅能够去除体系中 的细胞体 并且对废水中和颗粒都有去除作用 1 9 8 5 年 t a k a g i 等对青霉属 p a e c i l o m y c e ss p 1 1 产生的絮凝剂进行了研究 并通过乙醇沉淀和凝胶色谱分离 精制得到了称为p f l 0 1 的产品 这种絮凝剂分子量约为3 0 万 主要成分是半乳 4 第一章z f f 学位论文正文 糖胺 p f l 0 1 对枯草杆菌 大肠杆菌 啤酒酵母 红血细胞 活性污泥 纤维素 粉 梭甲基纤维素 活性碳 氧化铝等具有良好的絮凝效果1 7 1 9 8 6 年 k u r a n e 等人研究活性污泥法处理酞酚醋废水时发现了红平红球菌 r h o d o c o c c u s e r y t h r o p o l i s 用特定的培养基和培养条件研制成了微生物絮凝剂n o c 1 该产品可 用于畜产废水处理 膨胀污泥的沉降 瓦厂废水及纸浆废水处理 效果显著 3 到目前为止 n o c 1 仍是已发现的最好的生物絮凝剂 它具有强而广泛的絮凝 活性 n o c 1 也是目前研究最为深入透彻的生物絮凝剂 在此之后的研究中 1 9 9 7 年s u h h h 等报导了由杆菌d p 1 5 2 b a c i l l u ss p d p i s 2 产生的絮凝剂 美国 利用筛选得到的高絮凝活性菌株与其它生物化学性状的菌株混合在一起制成生 物活液 用以消除下水道淤塞 水体富营养化和污泥膨胀等 除美国 日本外 英国 法国 德国 原苏联 韩国等都对微生物絮凝剂进行了广泛的研究 国外 对微生物絮凝剂的商业化生产始于2 0 世纪9 0 年代 虽然对絮凝剂产生菌的研究 涉及面较广 其中最有代表性的是下列三个 n a k a m u r aj 用酱油曲霉 a s p e r g i l l u s s o j a e 生产的絮凝剂a j 7 0 0 2 t a k a g ih 用拟青霉属 p a e c i l o m y c e ss p i 1 微生物生 产的絮凝剂p f i o i 及k u r a n er 等人用红平红球菌 r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i s 研制 成功的微生物絮凝剂n o c 1 我国微生物絮凝剂的研究起始于2 0 世纪9 0 年代 此后研究报导逐年增加 但多数都在菌种筛选阶段 未见有微生物絮凝剂产品生产的报导 国内近几年的 研究筛选了不少的优良菌株 陆茂林等分离的j i m 8 9 j i m 1 2 7 9 李良智等分 离到的p a l e a l i g e n e s 8 7 2 4 菌株 1 0 l 宫小燕等的p s e d o m o n a ss p g x 4 1 t 1 1 邓述波等 的a 9 菌 1 2 j 黄民生筛选出的q 1 q 2 y 3 菌株 1 3 j 尹华筛选出的g s 7 t 1 4 1 柴晓 利等筛选的氮单抱菌 1 5 刘紫娟等分离到的巨大芽抱杆菌a 2 5 t 1 6 何宁等的 c o r y n e b a c t e r i u mg l u t a m i c u m t l 7 栗兴社等最近报导的产生高效絮凝剂及具有较强 重金属吸附能力的节杆菌l f t o u 2 t 蝎j 1 2 2 微生物絮凝剂产生菌 产生絮凝剂的微生物绝大多数来自于人类关系十分密切的土壤中 资源极其 丰富 获得的方法也较简单 现将目前已经报道的絮凝剂产生菌归纳如表1 2 表1 2 微生物絮凝剂产生菌一览表 第一章z t f 学位论文正文 分类絮凝剂产生菌分类絮凝剂产生菌 a e r o m o n 珊s p a g r o b a c t e r i u ms p a r t h r o b a c t e rs p a z o m o n a ss p b a c i l l u sc o a g u l a n s b a c i l l u sl i c h e n f o r m i s b a c i l l u sm e g a t e r i u m b a c i l l u sm u c i l g n o n s b a c i l l u ss u b t i l i 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 a c a l a s t u s d e m a t i n u ms p e n t e r o b a c t e rs p e n t e r o b a c t e ra e r o g e n e s s p o r o l a c t o b a c i l l u ss p s t a p h y l o c o c c u sa u r e l l z o o g l o e ar a m i g e r a n o c a r d i ar e s t r i c a n o c a r d i ar h o d n i s t r e p t o m y c e sg r i s e u s s t r e p t o m y c e sv i n a c e u s a s p e r g t t l u so c h r a c e 搬 a s p e r g i l l u sp a r a s i t i c 猫 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 sv e s i c o l o r a u r e o b a s i d i u mp u l l u l a n s c i r c i n e l l as y d o w i e u p e n i c i l l i u mc r u s t a c e u s h a n s e n u l aa n o m a l a m o n a s c u sa n k a p a e c i l o m y c e ss p 6 第一章z t f 学位论文正文 细菌l a c t o b a c i l l u ss p l a c t o b a c i l l u s f e r m e n t u m m e t h y l o b a c t e r i u m r h o d e s i a n u n m o e r s k o v i as p p e s t a l o t i o p s i ss p p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s a p s e u d o m o n a sa l c a l i g r n e s p s e u d o m o n a s f l u o r e s c e n t 真菌 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 o r d a r i a f u m i c o l a w h i t r o t f u n g i 藻类 a n a b a e n o p s i sc i r c u l a r i s c a l o t h r i xd e s e r t i c a p h o r m i d i u ms p o s c i l l a t o r i as p 1 2 3 生物絮凝剂的产生和絮凝影响因素 外界条件直接影响微生物絮凝剂的产生和积累 不同的絮凝剂产生菌产生絮 凝剂的条件也不同 微生物絮凝剂的合成与培养中的以下因素有关 培养基中的 碳源 氮源 生长因子 初始p h 值 培养温度 培养时间 通气良等 1 9 2 0 硝 如 红平红球菌的最适合碳源为葡萄糖 果糖等水溶性糖类 最适合的氮源为尿 素和硫酸铵 拟青霉 p a e c i l o m y c e ss p i 1 最适合的碳源为淀粉 最适合的氮源为 多肤或酪氨酸 s p i 1 能够利用各种碳水化合物有效地生成絮凝剂 如葡萄糖 果糖 甘露糖 蔗糖 淀粉等 而以淀粉为碳源 以酪蛋白的水解产物为氮源最 有利于絮凝剂的产生 c a 2 尤其是c a o 在浓度l o m e l 极大地刺激菌体生长和絮凝 剂产生 每一种细菌 只有这些条件达到最佳时 才能产生大量的絮凝剂 多数 细菌在对数生长期后期或稳定期所产絮凝剂的絮凝性最强 而后减弱 大多数絮凝剂的絮凝效率均受到絮凝剂浓度 离子种类及离子强度 絮凝体 系的p h 温度及搅拌强度和时间这些因子的影响 测定絮凝率大都以高岭土为 絮凝对象 2 2 也有的以酵母细胞为絮凝对象 但由于很多因素影响着絮凝发生 所以测定絮凝活性的方法有一定的局限性 尚需进一步改进 7 第一章z t f 学位论文正文 1 2 4 生物絮凝剂的分类 按化学组成分类 生物絮凝剂大多为有机能性多糖类和有机能性蛋白质类物 质 另外还有少量属于脂类和d n a 等其他类型 目前已报道的生物絮凝剂组分 如表3 所示 表1 3 已报道的部分微生物絮凝剂的组成 絮凝剂产生菌组成参考文献 a i 2 0 l a l c a l i g e n e sc u p i d u s 4 2 5 葡萄糖 3 6 3 8 半乳糖 8 5 2 糖醛 2 3 k t 2 0 l 酸 l o 3 乙酸组成的多聚糖 a r c u a d e n d r o n 糖醛酸 已酮糖 中性糖 2 4 s o t s 4 9 a s p e r g i l l u ss o j a e2 0 9 半乳糖胺 0 3 葡糖胺 3 5 3 2 酮葡 8 1 a j 7 0 0 2 糖酸 2 7 5 蛋白质 a s p e r g i l l u s s o 糖醛酸 己酮糖 中性糖 3 2 l 2 5 j s 4 2 m f 6a r t h o b a c t e rs o 核蛋白 2 6 d p 1 5 2b a c i l l u ss p d p1 5 2 g l u c o s e m a n n o s e g a l a c t o s e f u c o s e 8 4 2 l 2 7 u r o n i ea c i d a e t i ca c i d p y r u b i ca c i d b p 2 5b a c i l l u sm e g t e r i u m葡萄糖 甘露糖 4 i 2 8 a 2 5 k 跆b s i e l l a 半乳糖 葡萄糖 半乳糖醛酸 甘露糖 葡萄糖 2 9 p n e u m o n i a eh 1 2 醛酸 5 6 0 4 2 5 9 2 l o 9 2 3 7 1 3 3 7 k l e b s i e l l as p s i1酸性多聚糖 半乳糖 葡萄糖 甘露糖 5 2 l p f 1 0 l p a c e c i l o m y c e s 半乳糖胺其中 8 0 为n 未取代半乳糖胺 8 2 s p 1 n 端乙酰半乳糖胺 p e s t a r t p e s t a l o t i o p s i ss o 葡萄糖 葡萄糖胺 葡萄糖醛酸 鼠李糖 3 0 l k c t c8 6 3 7 p 1 0 0 3 5 1 6 1 3 f j i c o r y n e b a c t e r i u m 糖醛酸 鼠李糖 甘露糖 半乳糖 3 l p h r m i d i u ms o 儿 8 第一章z f f 学位论文正文 表1 3 c o n t i n u e d a r p 3r 3m i x e ds t r a i n s g l u c o s e g a l a c t o s e s u c i n ia c i d p y r u b i c 3 2 a c i d 5 6 1 o 6 2 5 r 已o l l c o r y n e b a c t e r i u m 半乳糖醛酸 3 3 1 g l u t a m i c u m c c t c cm 2 0 1 0 0 5 n o c 1r h o d o c o c c u s 多肽和甘油酯的复合体 脂质组成 g m 3 4 e r y t h r o p o l i ss it m t d m b a c i l l u ss u b t i l i s聚y 一谷氨酸 3 5 p y 9 0 e n t e r o b a c t e r 酸性多糖 葡萄糖 木糖 半乳糖 半乳糖 3 6 s p b y 2 9 醛酸 1 2 4 1 多糖类生物絮凝剂的组成及结构 多糖主要有中性糖 酸性糖和碱性糖组成 多糖类物质具有较长的分子骨架 还有以骨架为中心向外延伸的支链 容易絮凝水中的悬浮颗粒 由于对多糖的研 究远没有像核酸及蛋白质那样成熟的方法 所以需要结合很多化学方法和仪器分 析来测定糖的组成结构 测定糖的组成就要将离子交换层析 凝胶层析薄层层析 t l c 高效液相色谱 h p l c 气质联用 g c m s 等各种方法结合起来 先将 多糖粗品经交换层析 凝胶层析薄层层析 然后用h p l c 检测糖的纯度 再将多 糖酸水解后做t l c 分析就可以知道多糖中含有几种单糖组分 然后将酸解后的产 物做乙酞化衍生 通过g c m s 分析就可以知道多糖由哪几种单糖残基组成及各 单糖残基间的比例 有的学者还通过测定糖昔酶 蛋白酶 金属鳌合剂 如e d t a 和加热处理等对生物絮凝剂絮凝能力的破坏与否 来判断絮凝剂的化学组成 1 2 4 2 糖蛋白及蛋白质类生物絮凝剂的组成 n o c 1 是t a k e d a 等人从r e r y t h r o p o l i s 中分离到一种蛋白质性质的生物絮凝 费 i j 7 3 7 5 这种蛋白质含氮量为1 1 易被蛋白酶降解 在s d s p a g e 中有多条 带 1 9 9 6 年y o k o i 等人发现了一株b a c i l l u ss u b t i l i s e 里 它合成分泌的生物絮凝剂 是聚y 一谷氨酸 结构较为简单 热稳定性较差 对糖蛋白类物质 首先要破坏 9 第一章z t f 学位论文芷文 糖与蛋白之间的o 一或n 一相连的糖昔键 然后分别研究糖及蛋白质的成分 蛋 白质的氨基酸组成可以通过氨基酸分析仪来完成 蛋白质二级结构及三级结构可 以通过n m r m s 等方法测定出来 1 2 4 3 脂类和核酸类生物絮凝剂的组成 目前发现的唯一的脂类絮凝剂 由k u r a n e 从r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i ss 2 1 的 培养液中分离得到 3 7 3 甜 该絮凝剂是由糖及脂肪酸组成 糖部分是由葡萄糖及 海藻糖组成 脂肪酸部分是由不同分子量的分枝菌酸组成 分子量范围为4 9 6 6 0 6 道尔顿 凝胶层析结构表明这种脂类生物絮凝剂包含有葡萄糖单霉菌酸酯 g m 海藻糖单霉菌酸酯 t m 和海藻糖二霉菌酸 t d m 而s a k k a 报道的p s e u d o m o n a s s p c 1 2 0 则可以产生相对分子量大于2 1 0 6 的天然双链d n a 用于凝集细胞p 9 1 1 2 5 生物絮凝剂的应用 有些研究者认为正是因为一些生物絮凝剂是通过化学桥联作用将被絮凝物 质积聚在一起 所以其絮凝作用通常是广谱的 不易受微生物个体和颗粒物表面 特性的影响 能被絮凝的物质包括各种细菌 放线菌和真菌的纯培养物 活性污 泥 微囊藻 泥浆 土壤固体悬浮液 底泥 煤灰 血细胞 活性炭粉末 硅胶 粉末 氧化铝 高岭土和纤维素粉等 均具有较好的絮凝能力 但也有一些生物 絮凝剂的絮凝作用物质的面较窄 例如 a s p e r g i l l u ss o j a e 产生的絮凝剂可以非常 有效地絮凝b r e v i b a c t e r i u m l a c t o f e r m e n t u m 等微生物 絮凝率达到1 0 0 但对另 一些微生物絮凝效果较差 有的只有3 3 更为极端的例子是 h a n s e n u l aa b o m a l 甚至不能絮凝其非絮凝性的突变株细胞 这说明 生物絮凝剂的絮凝能力仍然会 受被絮凝物质性质的影响 微生物絮凝剂不仅高效 安全 对环境不产生二次污染 而且用量少 适用 范围广 作用条件粗放 是传统絮凝剂的良好替代品 从国内外对微生物絮凝剂 应用范围的研究看 它不仅可以替代传统絮凝剂用于给水处理 或者用于医药 食品加工和发酵等行业的固液分离 而且在高浓度难降解废水的除浊 除重金属 脱色和除油等方面也表现出相当的优势 另外 在传统的活性污泥工艺系统运行 中常常会出现污泥膨胀或污泥活性不够高的现象 微生物絮凝剂可以很好地改善 活性污泥的性能 i o 第一章z t f 学位论文正文 1 高浓度有机废水的处理 k u r a n e 在8 0 m l 畜产废水中加入浓度为l 的l m l c a 2 溶液和5 m l 红平红球菌 r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i s 培养物 可以使t o c 从 1 4 2 0 m g l 下降到4 2 5 m g l 使t n 从4 2 0 m g l 降为2 1 5 m g l 去除率分别为7 0 和4 0 同时废水的o d s s o 从8 6 降为0 0 2 出水基本是无色澄清的 2 在改善污泥膨胀中的作用 如甘草制药废水生化处理过程中形成的膨胀性 污泥 当在其中添加n o c 1 微生物絮凝剂后 可以使污泥的s v i 污泥容积指数 很快从2 9 0 下降到5 0 消除了污泥的膨胀 恢复了活性污泥的沉降能力 3 废水的脱色 现今的活性污泥法技术除去水中的b o d 并非难事 但对于脱 色几乎还没有特效的处理方法 国外一般采用的方法是将废水浓缩焚烧 外海弃 置或大量稀释后排放等 国内采用物理化学或生化处理方法 效果不好 现有的 无机或有机合成高分子絮凝剂效果亦不显著 而采用微生物絮凝剂处理可达理想 目标 在含有可溶性着色物质的黑墨水 面包酵母产生过程中排出的培养基糖蜜 废水 糖蜜发酵生产酒精过程中精馏后的酒精发酵母液 造纸碱性黑液 颜料废 水等有色废水中 加入微生物絮凝剂n o c 1 经絮凝沉淀后 可得到无色透明 的上清液 4 给水处理 邓述波等人利用含有糖醛酸 中性糖和氨基糖的多糖絮凝剂处 理河水 相比于海藻酸钠 明胶絮凝剂而言 絮团大 沉降快 上清液浊度低 而且处理后c o d 值最小 5 对污泥的脱水作用 用红平红球菌培养物2 m l 和5 m l 浓度为l 的c a 2 溶 液 处理9 5 m l 浓缩后的污泥 可以使污泥体积在2 0 r a i n 内浓缩为原来的9 2 上清液的o d 5 5 0 值小于0 0 5 6 乳浊液的处理 目前尚未见到无机或有机合成絮凝剂用于处理油脂乳浊液 的报道 r k u r a n e 等人的研究表明 向1 0 0 m l 浓度为0 2 5 的棕搁油乳浊液中 加入1 0 m ga 1 a t u s 的絮凝剂粗制品 同时加入l m l l 聚氨基葡萄糖 c h i t o s a n 作 为辅助絮凝剂 才良快便可见到油滴上浮到乳浊液表面 形成油层 很容易与下 部溶液分离 7 重金属离子的吸附 在工业废水中 重金属离子的废水占有相当大的比 重 这些废水中的重金属离子如c r v 0 c u 2 h g c d