（环境科学专业论文）具有产絮凝剂和降解木质素功能的复合菌群研究.pdf

ab s t r a c t 3 7 8 t h e e f f i c i e n c i e s a r e c l o s e t o m u l t ip l e m i c r o o r g a n i s m s y e t t h e y a r e a h e a d o f t i m e f o r 2 d a y s t h e e x p e r i e n c e s p e e d e q u a t i o n s o f r e m o v i n g c o d c r a n d l i g n i n a r e 二 7 4 5 6 7 1e 0 vo4 a n d 二 一 一 一二 一 r e s o e c tiv e lv 1 5 2 5 7 e 一 0 0 4 8 7 k e y w o r d s m u l t i p l em i c r o b i a l fl o c c u l a n t s mb f p a p e r m a k i n g w a s t e w a t e r l i g n i n d e g r a d e 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 据我所知 除了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 南昌大李 或其他 教育 机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 手写 签 字 r m 2年 ir 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解南昌大李 有关保留 使用学位论文的 规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅 和借阅 本 人 授 权南昌大学可以 将 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 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 手写 导师签名 手写 签 字 日 期 7 0 7 年 犷 日签 字 日 期 7 小头 年 月 犷 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 电话 邮编 第一章 文献综述 第一章 文献综述 1 1引言 在水污染严重且用水需求日 益增大的今天 污水净化的重要性也日 益增大 人们相继研究出各种水处理方法 絮凝沉淀法 被普遍认为是一种较为有效的 预处理方法 絮凝剂是用来使溶液中的溶质 胶体或悬浮物颗粒产生絮状沉淀的 物质 在固 液分离和水处理过程中 用以 提高微细固体物的沉降和过滤效果 1 3 根据化学成分的不同 可分为无机 有机和微生物絮凝剂 无机絮凝剂主要有铁 盐系和铝盐系两大类 它生成的絮体不如有机高分子絮凝剂大 单独使用时 投 药 量 大 且 腐 蚀 性 较强 3 5 1 有 机高 分 子 絮 凝 剂 依 化 学 成 分的 不同 可 分 为 合 成 有 机 高分子絮凝剂和天然有机高分子絮凝剂两大类 有些有机高分子絮凝剂的水解 降解产物有毒 生产成本较高 无机和有机合成高分子絮凝剂的生产和应用虽然 已经取得了进步 但它们在使用过程中的不安全性和给环境造成二次污染的危险 性不得不引起人们的重视 因此 开发高效 安全 不污染环境的新型絮凝剂对改进生产工艺 保证 人体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 伴随着生物 技术的发展 微生物絮凝剂应运而生 微生物絮凝剂 m i c r o b i a l f l o c c u l a n t 简 称mb f 是由微生物产生 可使水体中的悬浮颗粒 菌体细胞及胶体粒子凝聚 沉淀的一类次生代谢产物 主要含有糖蛋白 多糖 蛋白 质 纤维素和d n a等 物质 6 刀 它是利用微生物技术 通过细菌 真菌等微生物发酵 提取 精制而 得到的 与传统的无机和有机合成高分子絮凝剂相比 m b f具有许多独特的性 质和优点 易于固液分离 形成沉淀物少 易被微生物降解 无毒无害 安全 性高 无二 次污染 适 用范围 广 不受p h 条 件影响 热稳定 性强 具有除浊和脱色性能 有的微生物絮凝剂用量小 产生絮凝剂的微生物绝大 多数来自 与人类关系十分密切的环境中 资源极其丰富 获得的方法也比 较简 单 种类多 生长快 易于采用生物工程的手段实现产业化 因此 微生物絮 凝剂促进了 生物工程处理废水技术的发展 越来越受到各国 水处理工作者的重 视 第一章 文献综述 1 2微生物絮凝剂的研究进展 最 早的 微生 物絮 凝剂 产生 菌z o o g l o e a f o r m i n g 是b u tt e r f i e l d 于1 9 3 5 年 从活 性污泥中筛选得到的 之后 很多人开始了m b f 的研究 并确立了 胞外生物絮 凝剂和细胞聚合物之间的相互关系1 1 9 8 6年 日 本仓根隆一郎 等人从早田 土 壤中 分 离筛 选得到 红 平红 球菌 将其 产生 的m b f 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 9 1 产絮凝剂菌分布比较广泛 种类也较多 至今发现的具有絮凝性的微生物 达3 0 多种 它们分别属于细菌 放线菌 霉菌 酵母菌和藻类等 其中以 细菌 和真菌居多 而藻类最少 11 0 1 美国 英国 德国 法国 日本 俄罗斯 葡萄牙 以色列 韩国 中国 朝鲜和伊朗等国家对m b f 进行了大量的研究工作 并取得了可喜的成果 我国 的研究起步较晚 目前研究大多停留在实验室阶段 工业生产的报道很少 邓 德丰等从 废 水处理 场的 废 水中 分离 得到c 6 2 细菌 产生的m b f i7i 张本 兰 从 活 性 污 泥 中 分 离 得 到 产m b f 的p a lc a li g e n e s 8 7 2 4 菌 株 7 l 李智良 等分离筛选出 6 株m b f 产生菌 用其发酵离心上清液对皮革废水 造 纸黑液 硫化染料废水 偶氮染料废水 石油化工废水 电镀废水 彩印制版 废水 造币 废水及碳素墨水等进行了絮凝试验 结果表明废水固液分离效果良 好 c o d c r 去 除 率 在5 5 9 8 色 度 悬浮物和 浊度去除 率 达 9 0 以 上 11 0 近两年来 研究人员在筛选新的高效絮凝剂的同时 也在寻找新的途径 开发新型微生物絮凝剂 使其能更符合工业化大规模生产的需要 并且能在水 处理领域实际应用中效率更高 受环境变化影响更小 复合型生 物絮 凝剂的 概念是由 哈 尔滨工 业大 学的 马放教 授首 先 提出 1 1 2 1 它 是以 稻草 秸秆等廉价的生物质材料作为底物 利用纤维素降解菌群和絮凝菌 群 进行两段式发酵后分离 提取而获得的 13 1 通过初筛 复筛和双株混合培养 后 得到了 絮凝效果高达9 3 1 的 f 2 和f 6 组合的复合型生 物絮凝剂产生菌 并生 产出了复合型生物絮凝剂h i t m 0 2 这种絮凝剂安全无毒 可 广泛应用于给水处 理 废 水处理 食品 工 业 和发酵工 业 等 领域 14 1 张志强等 从筛 选到 的絮 凝剂 产 生菌中构建出能比单一菌群产生更高絮凝活性的复合菌群 尝试用啤酒废水替 代葡萄糖作为 培养基中的 碳源和能源并获得成功 其絮凝活性达9 6 8 用于 对 靛蓝印 染 废水的 处理 最大 c o d c r 去 除 率和脱色率分别 达到 7 9 2 和 8 7 6 1 l e 第一章 文献综述 靳慧霞通过实验考察f 2 f 6 复合型微生物絮凝剂分别与无机絮凝剂氯化铝 无机高分子絮凝剂聚合氯化铝 有机絮凝剂聚丙烯酞胺复配使用处理泥浆废水 的絮凝条件和絮凝效果 并对水源水和工业废水中的处理效果进行了测定 实 验结果表明 f 2 f 6 微生物絮凝剂与化学絮凝剂配合使用不但获得了更好的净化 效果 而 且 可 大 大 降 低 絮凝 剂的 总 投 加量 0 6 1 微生物絮凝剂到现在为止都没有投入大规模的生 产 其中一个最重要的原 因就是培养基比 较昂贵 导致微生物絮凝剂的成本太高 所以 寻找廉价的培 养 基成分 降 低培 养基的 成本 成为 现在微生 物絮 凝剂 研究的 一 个重 点 r y u i c h i r o k u r a n e l i在 研 究 红 平 红 球 菌 r h o d o c o c c u s e ry t h r o p o lis 产 絮 凝 剂 时 就 发 现 以 乙 醇或其他种类的酒精作为碳源 不仅大大提高了 絮凝剂的活性 而且可以免去 灭菌的操作 降低了成本 此外 豆饼 水产废水 牛血等也可以作为红平红 球菌产絮凝剂培养基的替代成分 由于微生物产絮凝剂是由遗传基因调控的 所以 可以 通过现代分子生物学 技术从絮凝性微生物中获得高效絮凝基因 导入其它微生物体中 从而使没有 絮 凝 性 的 微 生 物 获 得 较 强 的 絮 凝 性 比 如l s h id a 一 f u j ii 等 i s 研 究 把 啤 酒 酵 母 s a c c h a 2 r o m y c e s c e r e v i s i a e 3 9 6 9 6 v的 f l o i 基 因 导 入 一 株无 絮 凝 性的 菌 株的 基因位点上 使其获得了絮凝性 其絮凝性能及产率比原菌株都好 总之 目 前国内对微生物絮凝剂的研究 大多处在菌种筛选和菌株培养液 对废水处理的实验室小试阶段 要使微生物絮凝剂在我国真正应用于废水的实 际处理 还需要作大量的 进一步的试验和研究 1 3微生物絮凝剂产生菌 微生物絮凝剂产生菌的种类有很多 细菌 放线菌 真菌以及藻类等都可 以产生絮凝剂 见表 1 1 0 第一章 文献综述 表1 l具有絮凝性能的微生物种类 细菌 b a c t e r i a 絮凝剂产生菌 金黄色葡萄球菌 coccus a c in e to b a c te r s p a e r o m o n a s sp g c 2 4 气 单 胞 菌 一彝 1w 1 a g r o b a c t e r i u m s p 1i 杆菌 属 a lc a l ig e n e s c u p id u s 壳 产 碱 杆菌 一 a lc a l ig e n e s c u p u l 协 腹 产 碱 杆 黛n a l c a l ig e n e s f a e c a l is 粪 产 碱 杜 蔓 1 1 a lc a lig e n e s la t u s r g f w 龟 岁 a r t h r o b a c t e r s p s b 6节杆菌i a z o m o n a s s p 氮单胞菌 属 i b a c i ll u s c o a g u la n s 凝 结芽 抱杆 菌 12 11 b a c i l l u s l i c h e n if o r m i s 地衣 芽饱杆菌 2 2 1 b a c i ll u s m e g a te r i u m巨 人 芽 抱杆菌 12 1 1 b a c i ll u s m u c ilg n o n s 硅 酸盐芽 抱杆菌 2 3 1 b a c il l u s s p d p i 5 2 芽 抱 杆菌 2 4 1 b a c i l l u s s u b t i l i s 枯草芽抱杆菌 2 5 1 b r e v ib a c te r iu m in s e c t妙 她 瞻 虫 短 杆 菌 2 11 c it r o b a c t e r s p f a flll fi t ia 恻 廿 r c o r y n e b a c t e r i u m b r e v ic a le 棒 状什m c o t y n e b a c t e r i u m g l u t a m i c 二 谷氨酸棒杆菌1 n 1 c o ry n e b a c t e r i u m h y d r o c a r b o n a c l a is t u s 解烃棒状 杆菌 15 1 t e r i u m r h o d e s ia n u n m 罗得西亚甲基 z o o g l o e a r a m ig e r a生枝动胶g j1 9 1 放线菌 a n t i n o m y c e s n o c a r d i a a m a r a e 苦味诺卡氏 菌1 1 n o c a r d i a c a l c a r c a 石灰壤诺卜 氏菌 14 1 n o c a r d ia r e s t r ic ts 椿象虫诺卡 氏 菌 1 1 4 1 n o c a r d i a r h o d n i i 红色诺卜 氏菌 1 4 1 n o c a r d ia s p 诺k 氏 菌 属 1 14 1 s t r e p t o m y c e s g r is e u s 灰 色 链 霉 菌 lj s t r e p t o m y c e s v i n a c e u s 酒红色链霉 菌1 1 m y c o b a le r iu m p h le i 草分 技杆0 真菌 f u n g a s o e r g i l l u s f u m i e a t u s 烟曲 霉13 4 1 a s p e mi l l u s o c h r a c e u s 棕曲霉1 刀 a s p e r g i l l u s p a r a s i l ic u s 奇生曲a a s p e r g il l u s s o c h r a c e ll u s 赫卿 霉 a s p e r g i l l u s s o j a e 茜油日毒 a s p e r g i l l u s s p 曰毒l 刊 a s a e r g i l l u s v e r s i c o l o r 杂色曲霉1 4 1 a u r c o b a s id i u m o u ll u la n s 出芽 短 梗 霉13 6 1 b r o o m r o l f u n g i f 5 k 1c 具国 c i r i n e l l a s v d o n c i 聚多卷霉 3 1 c u rv l a n a b o e d ii i n 新月弯抱霉p 1 e u p e n ic ill i u m c r u s la c e u s 皮 壳 止 青 霉 i n g e o t r i c h u m c a n d i d u m白 地霉 i h a n s e n u la a n o m a la 异 常汉 逊酵 母 3 1 m o n a s c u s a n k a 赤红曲 霉 13 1 p a e c il o m y c e s s p l 1 拟青 霉 素 属 3 11 p a e n i b a c i ll u s p o ly m y x a 多 粘 类芽 抱杆菌 3 9 1 p e n i c i l l i u m c y l o p i u m园弧青霉 3 4 1 o e rs k w v ia sp 厄 实 菌 剧41 p s e u d o m o n a s sp s b 8 假 单 煦 衅一 一 p s e u d o m o n a s a e r u g in o s a 甲 赞 性 粤 型嘿 p s e u d o m o n a s a lc a lig m e s 犷 塑叭 黑 缨19 1 p s e u d o m o n a s f e a c a l ic r in 男 吧 照 笠 p s e u d o m o n a s f l u o r e s c e n t c t 傅 哭 鲤 粤 了 p s e u d o m o n a s p s e u d o a l c a l 卿 e s 广 卿 鼠 半 b l m 0 p s e u d o m o n a s s l u l z e r i r氏假单袍国卜 例 产紫青霉口 s a c ch a ro m y c es一 c e re v isia e fr a n 14 1 s c h iz o s a c c h a r o m y c e s p o m b e 黑酒 裂值酵 母四 s o r d a r i a f u m ic o 伙 葬 全 燕 j l i 1 w h i l e r o t f u n g i 日r具k9 藻类 a lg a e a n a b a e n o p s is廿 im 熬 c a l o t h r ix d e s e r t i c a 沙漠眉藻1 i c i rc u l a r i s 环圈项圈 蓝细菌 1 8 1 表1 1 所列各种微生物所产生的m b f 有许多 其中最具代表性的为以下三 个 j n a k a m u r a 用 酱油曲 霉 a s o j a e 生 产的 絮凝 剂a j 7 0 0 2 h t a k a g i 用拟 青 霉 属 p a e c ilo m y c e s s p 1 1 微 生 物生 产的 絮 凝 剂p f 1 0 1 r k u r a n e 等 人 利 用 红 平 红 球 菌 r e r y th r o p o l is 研 制出 的 絮 凝 剂n o c 1 e 第一章 文献综述 1 4微生物絮凝剂的特性 1 4 1 微生物絮 凝剂的物理化 学组成 絮凝活性与mb f 的物质属性 组成结构 相对分子量和活性基团有很大关 系 现将近年已 报道的研究较为深入的mb f 列于表1 2 0 表1 2 m b f 的 物质属性 组成 相对分子量和活性基团 m b f 产生菌 絮凝剂 物质属性 成相 对分子 亘d e b a c il l u s s p d p 1 5 2 2 4 1 多聚糖葡 萄 搪 甘 露 搪 半 乳 糖 海 藻 糖 8 4 2 1 摩 2 x 1 0 0 尔比 3 2 8 3 糖醛酸 4 2 7 醋酸 6 2 0 1 内酬酸 活性墓团 狡摹 轻基 氨基 压 t c i l l u s 乎 a s 1 0 1 4 0 1 c i t rob a c t e r s o t k f 0 4 2 6 1 b a c i l l u s l ic b e n ii o r m is 2 2 1 b a c i l l u s m u c i la g in o s u s m b f a 9 2 3 1 c a 移 m e b a c t e r 佃 爪 g l u ta m ic u m r e a 1 1 2 7 1 1 mb f 2 5 4 1 1 糖蛋白衍生 物 8 3 糖 1 1 4 1 醛酸6 1 丙酮酸 0 4 乙 酸 和 1 7 蛋白 质 轻基 胺基 梭甚 氮基 壳聚糖2 3 2 x 1 0 5 4 4 0 氨基 经基 x 1 o 谷氨酸聚合物 多聚精 葡萄糖胺 1 0 1 1 1唐 5 7 己 菊 2 9 4 己 酷胺 聚谷氨酸 1 9 1 箱醛酸 筱基 糖蛋白 4 7 4 中性糖 2 7 4 氨摧糖 半乳糖醛酸 7 2 x1 护 2 5 9 4 x i 护 少量蛋白质 1 x1 护 多搪毗喃糖昔 甘露糖 3 2 2 x 1 护 按基 氮基或 酸氨基 b a c i l l u s s p i 4 5 0 4 2 1酸性多 m 9 5 2 4 中 性糖 包 括半乳 糖 果 塘 葡萄 糖2 2 x l 0 0梭基 经基 棉子塘 1 7 2 搪醛酸 2 4 氨基搪肢基 l a c lo b a c il l u s m b f t r 3 2 1 枯 多 糖精 蛋白 质 糖 胺0氨 基 4 3 1 a s p e r g il l 多 聚 精 蛋白 质7 6 3 箱 2 1 6 蛋白 质3 2 x i 护氮 基 径 基 p a r a s i t i c u 5 4 4 e n t e r o b a c te r a e ro g e n e s 酸 性 多 聚 搪葡 萄 糖 果 塘 甘 露 糖 1 0 3 5 4 洲 摩 尔 比 2 a x 1 护狡 基 径 荃 w f 1 4 5 1 1 3 2 糖 醛 酸 7 4 f 4 酮酸 1 6 iy a 酸胺基 m b f 2 1 4 6 1非还原性多搪a 1 6 键聚合 糖 梭酸根 磷酸根 b a c i l l u s s p b 5 3 4 7 1谷氮酸聚y 谷氮酸 谷 氮酸 c b f 4 8 多 糖 4 7 9 x i 护筱 基 v a g o c o c c u s s p w 3 1 4 9 1 多 聚 糖7 1 5 中 性 糖 1 5 4 0 醛 酸2 x 1 0 m基 狡基 甲 氧基 表示未进行分 析 如表1 2 所示 按m b f 的化学组成分类 主要有蛋白 质 多 糖 脂类和d n a 类等大分子物质 m b f 不仅种类繁多 而且结构各异 通过对大多数m b f 的红 外光谱分析 发现其化学结构中 含有梭基 经基 氨基和磷酸基等活性基团 第一章 文献综述 1 4 2微生物产絮凝剂的生物学机理 1 4 2 1 遗传学 研究 微生 物产絮凝剂的能 力受到遗传基因的调控 所以 很多微生物只有在特定 的生长时期才产絮凝剂 絮凝剂产生的基因调控是一个复杂的过程 对絮凝基 因 的 研究 主 要 是 从 研 究 啤 酒 酵 母 s a c c h a r o m y c e s c e r e v i s i a e 的 凝 集 现 象开 始 的 在啤酒酵母中 国外学者目 前至少发现了1 4 个絮凝基因 其中 显性基因f l o 1 f l 0 2 和f l o 4 f l o 8 是等位基因 f l 0 5 是与 f l o i 不等位的显性基因 另外 隐 性基因 f l 0 6 f l 0 7 可能是 f l o 1 的等位基因 1 9 1 f l o i f l 0 5 f l 0 8 这三个絮 凝基因分子克隆己 获成功 5 0 1 f l o i 基因 位于1 号染色体上a d e d n a 片段3 7 nn处 有显 性表 达 絮 凝 性的 功能 f l o 1 的 表达受 到 亲 株细胞 接合型 m a 乃 遗传 信息的 控制 19 1 f l 0 5 也 位于1 号染 色体 作为 f l o i 的 非 等 位基因 由 f l 0 5 絮凝 基因 构 建出的新菌株所分泌的絮凝剂成分不同于f l o 1 f l o 5 不会因所在的染色体遭到 破坏而失活 但是对热处理敏感 f l o i 絮凝基因正好与此相反 f l 0 5 表达产物 对糜蛋白 酶稳定 f l o 1 表达产物却易被 糜蛋白 酶降 解 1 9 5 0 1 国内 中 科院的何 秀萍等 人p i l 是 最 早 进行絮 凝基因 的 研 究 工 作的 他们从啤 酒酵母中 克 隆 到一 段 与 f l o 1 基因 序列同 源性为 9 9 的 d n a 片 段 f l o i g 全长 4 3 9 6 b p 其 起 始密 码 子 终止密码子及上游调控序列 下游转录终止序列均与f l o 1 基因相同 1 4 2 2代谢机理 研究 由于各种微生物产生的絮凝物质成分各异 其代谢的机理和途径是不同的 这给 研究 工 作 带 来了 一定的困 难 何宁 等 人 5 2 5 3 1 在 此方面 做了 较深 入的 研究 他们 筛选得 到的 谷氨酸棒 杆菌 c o r y n e b a c t e r iu m g l u ta m ic u m c c t c c m 2 0 1 0 0 5 能合成一种以 半乳糖醛酸为主要结构单元的蛋白 聚糖类生物絮凝剂 r e a一 1 1 0 通过提出 假设并从中间 代谢产物和关键酶加以 验证 他们发现 r e a 1 1 的 合成 开始于1 磷酸葡萄搪 在u d p t 1 i b u d p 橇摇 矜 9 1 1 衍旺酸异构醉 图1 1 r e a 1 1 的假设生物合成机理 除此之外还发现 在菌体生长阶段 从关键节点6 磷酸葡萄糖处有相当一部 分代谢通量流向磷酸戊糖途径 为细胞生长提供能量 导致流入絮凝剂代谢途 径的通量减少 絮凝剂产量偏低 1 4 2 3生理学意义 m b f 的产生对微生物本身所具有的功能和意义 目 前的研究还不是很清楚 但有资料显示 将絮凝菌突变成非絮凝菌后 其在生长程度 形态 生理上与 絮凝菌基本相同 此外 将由质粒控制絮凝性状的细菌去除该质粒后 细菌的 絮 凝 能 力 消 失 但 其 生 长 情 况 依 然良 好 5 0 还 有 研 究 表明 絮 凝 物 质 的 破 坏 使 得细胞与培养液接触面积增大 对微生物的生长有一定的促进作用 其真正的 生理意义并非使得微生物产生絮凝 而在于构成微生物的多糖荚膜 抵抗千燥 保护菌体 微生物的这种絮凝性可能只是一种伴生性状 1 4 2 4系统发育学研究 既然微生物产絮凝剂是由基因调控的 属于遗传学的范畴 那么絮凝剂产 生菌在系统发育学上应该存在一定的联系 李文鹏等人 5 4 1 对其进行了 初步的 探 索 他 们 从 陈冻 样 芽 抱 杆 菌b a c i ll u s m u c i la g i n o s u s y n u c c o o o i 中 提 取 扩 增 得 到 1 6 s r d n a 片段 对其进行d n a 测序 并与数据库中 最相似的1 6 个分类单位进行 了 比 较 结 果显 示 在构 建的 系 统 树中 与 b a c il 2 1u s m u c il a g i n o s u s y n u 0 0 0 0 0 1 关 系最近的分类单位为 b a c i l l u s m u c i l a g i n o s u s h s c c 1 6 0 5 t b a c i l l u s m u c i l a g i n o s u s 1 4 8 0 d 和 p a e n i 2 b a c il lu s s p n b t 它 们 形 成 一 个单 系 群 分 支 芽 胞 杆 菌 p a e n i2 b a c i l l u s 和b a c i l l u s 的许多种都能产生絮凝剂 上述具有絮凝活性的细菌多数均形 成胞外多搪 这在一定程度上说明 分子系统发育树具有一定的预测性 从而 第一章 文献综述 为 下 一 步 筛 选 絮 凝 剂 产 生 菌 提 供了 参考 依 据 1 5微生物絮凝剂的优势 1 高效 同等用量下 与现在常用的各类絮凝剂如铁盐 铝盐 聚丙烯酞胺等相比 a s o j a e 分 泌的a j 7 0 0 2 对 活 性 污 泥的 絮 凝 速 率 最 快 而 且 絮 凝 沉 淀比 较容 易 用 滤 布 过 滤 用 聚 丙 烯 酸 胺4 0 0 m g l 以 上 的 量 就 会 使 絮 凝 沉 淀 粘 稠 而 不 易 过 滤 15 5 5 6 1 2 安全无毒 m b f 是安全无毒的 这己 被许多实验所证明 m b f a 9 的急性毒理实验结果 表明 小白鼠 一次 性吞 食i pig 的该 絮 凝剂 后 体态 饮食 运 行等均无 异常反 应 给小鼠 和 豚鼠 注 射r e ry th r o p o li s 的 细 胞 及 培 养 液 均未 致 病 因 此 m b f 也 可 用于 食品 医药 等 行业的发 酵 后处理 1 s s 1 3 无二次污染 m b f 由 于其成分复杂多样 到目 前为止 己 报道的微生物产生的絮凝物质为 糖 蛋白 多 糖 蛋白 质 纤 维素 和d n a等 高 分 子 物 质 相 对分 子 质量多 在 1 0 s 以 上 mb f 既然是微生物的分泌物 自 然不会危害它自 身 不会影响水处理效果 且絮凝后的残渣可被生 物降 解 对环境无害 不会造成二次 污染 s s 1 4 絮凝广泛 mb f 能絮凝处理的对象较广 有活性污泥 粉煤灰 果汁 饮用水 河底沉 积物 细菌 酵母菌以 及各种生产废水 其他絮凝剂则由 于各自 的特点而在某些 应用领域受到限制1s s 1 5 处理费用低 mb f 是靠生物发酵产生的 化学絮凝剂是人工合成的 从生产所用原材料 生产工艺能源消耗等方面考虑 m b f应是经济的 这一点为国内外普遍认同 mb f 处理技术总费用较化学絮凝处理技术总费用低 一般工业废水采用生物处理 技术费用低于化学处理技术 前者约为后者的 2 3 以印染工业的漂洗水为例 达到二 级排放 标准 采用 化学 馄凝处 理的费 用一 般为0 71 0 元耐 用m b f 处 理废水 其处理费 用较目 前的化学絮凝处理费用低 大约节约1 3 的资 金 第一章 文献综述 1 6微生物絮凝剂在环境污染治理中的应用 1 废水悬浮颗粒的去除 在含有大量极 细 微悬 浮固 体 颗粒 s s 浓度为3 7 0 m g l 的 焦化废水悬浮液中 加 入2 的a l c x il ig e n e s h t 培 养 物 并 加 入 钙离 子 废 水中 即 形 成肉 眼 可见 的 絮 凝 体 这些絮凝体可以 得到 有效的 沉降 去除 沉降 后上清液的s s 为8 0 m 叭 去除 率为7 8 而用聚铁絮凝剂处理同样溶液 s s 的去除率仅为4 7 15 7 6 0 1 0 2 废水脱色 mb f 通过电中和 架桥 网卷等作用使得废水中胶体性悬浮污染物凝聚 聚 集成较大的 颗粒而从废水中分离出来 从而实现废水的脱色净化 张志强将菌株 h x c s 2 菌株h x t d 2 和菌株c y g s 4 混合培养得到复合菌群2 其所产mb f 对 靛 蓝印染 废水有 较 好的 处 理 效果 脱色率 达到9 2 7 16 1 e 3 乳化液的 油水 分离 用a r m l y s l o t u s 培养物可以 很容易地将棕桐酸从其乳化液中 分离出来 向1 0 0 m l 含0 2 5 的乳 化 液中 加入1 0 m l a l m l i g e n e s l o t u s 培养 物和1 m l 聚 氨基 葡糖后 在细小均一的乳化液中即形成明显可见的油滴 这些油滴浮于废水表面 有明显 的 分 层 下 层 清 液的c o d e r 值 从 原 来的4 5 0 m g l 降 为2 3 5 m g l 去除 率为4 8 0 无论是无机絮凝剂 还是人工合成高分子絮凝剂都未 有这样好的絮凝效果 5 9 1 4 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 从微生物中分离 出的絮凝剂能有效地改善污泥的沉降性能 防止污泥解絮 提高整个处理系统的 效率 如甘草制药废水生化处理过程中形成的膨胀活性污泥 当在其中添加 n o c 1 后 污 泥的s v i 污 泥 体 积指 数 从2 9 0 m g l 下 降 到5 0 m g l 消 除了 污 泥 膨胀 恢复了活性污泥的 沉降能力 5 9 6 2 1 5 高 浓度 有机 废水的 处 理 畜 牧 场废 水中 含 有 较高 浓 度的 总 有机 碳 t o c 和 总 氮 t m 试验 表明 微 生 物絮凝剂可以 有效地去除畜牧废水中的t o c和t n 用n o c 1 微生物絮凝剂加 c a t 十 处 理 处理1 0 m in 上 清 液 接 近 透明 t o c o d 均 有明 显降 低 浊 度去 除率达 16 3 1 6 污泥脱水 用2 m g l 的r e r y t h r o p o l is 的 培 养 液 和5 m 叭 的1 c a c 1 2 溶 液处 理9 5 m g l 浓缩后的污泥 可使污泥体积在2 0 m i n内浓缩为原来的9 2 上清液的吸光度 第一章 文献综述 o d 6 6 o 值小于0 0 5 15 9 1 0 1 7木质素的微生物降解 1 7 1 木 质素 简 介 木 质 素 l ig n i n 是 生 物圈 中 最为 丰 富 的由 苯丙 烷 类 似 物为 单 元 构 成的 组 成 复 杂难于降解的一大类芳香族多聚物 结构复杂 单元结构之间连键的种类很多 不适于通过水解的方式降解 它主要分布于植物体细胞壁的中层 与纤维素和 半 纤维素 一 起充 填 于 微 纤维 m i c r o f i b r i l 之间 其 主要 作用是把 植物的 成熟 组 织 细胞胶连起来 以增强植物组织的强度和硬度 从而使植物的各种结构组成一 个完整的 整体 并 在一定 程度上可保护植物免受害虫和病原体的伤害16 4 6 5 1 植 物体木质素的含量随植物种类不同而有差异 针叶类植物的木质素含量为2 5 3 5 阔叶类植物的木质素含量为 1 8 2 2 禾本科植物的木质素含量为1 6 2 5 166 1 根 据 木 质 素 氧 化 分 解得 到的 分 解 产 物 可 将 其 分 为 三 种 图 1 2 针 叶 材 木 质素 其结构单 元为 松 柏醇 i 阔 叶 材木 质素 其结 构单 元为 松 柏醇 和芥 子醇 1 1 草本 类木 质素 其结构单元为 松柏醇 芥子醇和捍豆醇 i 1 1 c j 1 oh0切 h 小以 m目 r一丫 oh 几 耳 图1 2木质素单体单元结构 和大多数自 然聚合物不同 木质素不含有易水解而重复的单元 其构成单元 由c c和c o c等不易水解的键连接 在丙基侧链和芳香核之间的醚键是构连木 质素单体的 主要键型 0 0 4结构 约占5 0 6 0 在芳香核和丙 基侧链之 间的c c 键 0 1 结 构 占7 图1 3 6 7 6 8 1 图1 3木质素典型二聚体结构 第一章 文献综述 木质素各结构单元可通过强的醚键 c o c 或碳碳键 c c 连接 同时 木质素和纤维素 半纤维素相互渗透并通过化学键紧密相连 决定木质素难于 降解的原因有以下几个方面 木质素结构之间的链键复杂无规律 木质素 本身是极不规则的 还没有完全己知的化学结构 木质素难以由一个不破坏 其结构的方法提取出来 目前用来分离和提纯木质素的条件过于激烈 因此无 法得到纯天然木质素 连接各结构单元的碳碳键的双芳基醚键是很难裂解的 从 而 使 木 质 素 无法 有 效 地降 解 成 单 体 6 4 1 1 7 2降解木质紊的 微生物及其研究 进展 6 9 1 由 于木质素具有各种生物学稳定的复杂键型 不能以通常的生化断键方式 如水解反应 来分解 微生物要降解它极为困难 因此能降解木质素的微生 物相对较少 据文献报道 仅有一些高等真菌中的木材腐朽菌 主要是担子菌 极少部分细菌和一些放线菌具有降解木质素的能力 然而 就已发现的微生物 中具有高降解能力 降解速度快的菌株十分稀少 1 7 2 1真菌 可按木腐败真菌降解木材多聚物的不同分为三个不同的类群 1 软腐菌基本上能降解木材中的纤维素和半纤维素 但它对木质素的降 解 能 力 极弱 这 类真菌主 要属担子 菌纲 和半知菌纲的 几 个属 2 褐腐菌主要分解纤维素和半纤维素 而对木质素能力有限 这类真菌主 要属担子菌纲 有拟管革桐菌等 1 8 种 3 白 腐菌能大量降 解木质素 也能降 解纤维素 和半纤维素 是少数能 将木 质素完全降解的微生物 白 腐真菌绝大多数为担子菌 少数为子囊菌 它能把 木材中的木质素和纤维素彻底降解为二氧化碳和水 王宏勋等研究了4 株产酸白 腐菌在碱性黑液体系中p h值 固 体量 酸析与 酸溶木质素 c o d c r的变化状况 结果表明碱性对产酸白 腐菌具有抑制作用 s i b 和s 5 b 能 够适 应一定的 碱性 环境 同 时改 变体 系p h 值 木质素 和c o d c r e s i b 可 将 环 境酸 碱 度 从 初 始的p h 8 p h 9 下降 到p h 1 即 通 过 产 酸 与 生 物降 解 去除体 系中木质素 c o d c r 去除率达7 3 说明产酸白 腐菌在碱性黑液中 可以 发 挥 产酸 与 降 解的 双 重 功 能 可 应 用 于黑 液的 生 物 处 理 17 0 1 吴涓等研究了不同白腐真菌菌株对灰法造纸黑液废水的处理效果 考察了 黑液废水浓度和碳氮源添加量对黑液脱色及c o d c r 去除率的影响 研究表明 第一章 文献综述 变色栓 菌对黑 液废水的处 理效果 最好 c o d s 去除率为6 4 2 5 脱色率为 4 7 3 1 用自 选的白 腐真菌a h 2 8 2 菌株处理未经稀释的黑液废水 分别添加 0 2 纤维二糖和0 0 2 天冬酞胺 c o d c r 去除率达6 2 4 5 和6 8 6 0 研究发现 锰过氧化物酶和木素过氧化物酶对c o d c r 去除率有直接影响17 q m i tt a r 等 人发 现 p c h ry s o s p o r i u m 在 灭 菌 的 黑 液中 驯 化 后 处 理能 力 增 强 驯 化后处理未经预处理的 造纸黑液 脱色率可以 达到5 5 7 并且伴随 着b o d 5 和 c o d c r 的 去 除 7 2 1 1 7 2 2细菌 丝状细菌 放线菌 和非丝状菌参与木质素的部分降解作用 孙先锋通过驯化和分离 从1 1 9 株微生物中筛选出6 株能在以 木质素为唯一 碳源的培养基上生长的细菌 对它们进行了分类鉴定 它们分属于假单胞菌属 黄单胞菌属和枝动杆菌属 摇瓶降解实验结果表明 这 6株菌能不同程度地降 解 木 质素 其中2 号 经1 2 天的 培养 后 木 质素去除 率 达2 3 4 17 3 1 杨金水等采用苯胺蓝脱色法 从活性污泥中分离筛选得到 2 株具有分泌木质 素降解过氧化物酶能力的细菌菌株p k e 1 1 7 和p k e 2 2 5 根据生理生化反应结果 和1 6 s r d n a序列分析 初步确定菌株p k e 1 1 7 为p s e u d o m a n a s属的1 个新种 p k e 2 2 5 为p s e u d o m a n a s t h e r m a e r u m的1 个新菌株 对于菌株p k e 1 1 7 的发酵液依 次 经 d e a e 2 纤 维 素 3 2 s e p h a d e x g 2 7 5 凝 胶 过 滤 纯 化 木 质素 过 氧 化 物 酶的 冀 芦 醇 氧 化比 活力 从0 1 8 7 u m g 提高 到 2 0 4 5 u m g 酶的 纯化倍数为 2 3 5 1 回收 率 1 5 7 4 1 白 腐菌中的黄抱原毛平革菌已 成为研究木质素降解的一种模式菌 但由于 木质素的完全降解是真菌 细菌及相应微生物群落共同作用的结果 非真菌类 微生 物群落 在木质素降 解中 也 起到了 重 要作 用 7 5 7 6 1 因 此构建多 种菌属 混合培 养的木质素降解菌群将成为一个重要的研究方向 1 7 3木质素的降 解机理及相关降解酶 7 7 1 真菌分解木质素是依靠一个复杂的胞外过氧化物酶系统 这一系统主要由 3 种酶 构 成 木 质素 过 氧 化 物 酶 l ip 锰 过 氧 化 物酶 m e 漆酶 l a c 另 外 还 有其它几种酶的综合作用 总的来说 这些酶的作用机理是 在适宜的条件下 白 腐真菌的菌丝首先利用其分泌的超纤维素酶溶解表面的蜡质 产生纤维素酶 半纤维素酶 内切聚糖酶 外切聚糖酶 降解木质素和纤维素 使其成为含有 第一章 文献综述 酶的糖类 1 7 3 1木质素过氧化物酶及其理化性质 木 质素 过 氧 化 物 酶 l i p 是 一系 列 含有一个 f e s 一 叶 琳环 m血红素辅基的 同 功酶 分子量3 7 0 0 0 4 7 0 0 0 等电点为3 5 左右 k i r k等人在1 9 8 3 年从限氮培养 黄饱原毛平革菌时发现了过氧化物同工酶 在这些同工酶中 h1 h2 h6 h7 h8 和h1 0 是木质素过氧化物酶 其中h2 和h8 的数量占 优 木质素过氧化 物酶在 温度大 于 3 5 时开 始失 活 p h 值为 4 5 时 很 稳定 在 p h 值 3 0 以 下极不 稳定 加入葬 芦醇可 极 大 地增加 酶的 稳 定性 e d t a 叠 氮 化物 氰 化物和3 氨基 1 2 今 三毗咯都能 抑制它的活性 但氯离子不会抑制 无其它还原性底物时 h 2 0 2 会引 起 酶的 部 分 和 不 可 逆失活 l ip 的 催 化机 理 高 铁 酶首 先 被 h 2 0 2 氧 化生 成 二 价 氧化产物 复 合 物i c o m p o u n d i 然 后复 合物i 获 得一 个电 子 而被还原 得到 一价酶中 间 产 物 复合物1 i c o m p o u n d 1 1 和一 个自 由 基产 物 复 合物i i 能够作用于木质素或其它基质 这个催化反应因为一个电子的还原反应而不断 进行下去 在有过氧化物存在时 可以继续氧化为复合物ii i c o m p o u n d l i i 但 这不是催化反应的部分 1 7 3 2锰过氧化物酶及其理化性质 锰过氧 化 物 酶 m n p 是 一种搪蛋白 分子量 约为 4 6 0 0 0 由 一 个铁血红素 基 和一 个 m n 2 十 构 成了 活 性中 心 另 外还 有两 个起稳定结 构作 用的 c a 其 分子中 有 1 0 条长的蛋白 质单链 一条短的单链 它是唯一的一个中间过氧化物酶 因为 它的主要底物为有机酸 k i r k等人发现的1 0 种过氧化物酶中 h 3 h 4 h 5 和h 9 均是 锰 过 氧 化 物 酶 锰 过 氧 化物 酶的 活 性 不 仅 依 赖 于 h 2 0 2 还 依 赖 于 h 1 2 的 存 在 在温 度大于 4 0 时开 始失活 它的 最佳稳定 p h 值是 4 8 加 入 惰性 蛋白 质 如 牛 血 清 蛋 白 和 m n 2 可 提高 酶 的 稳 定 性 另 外 m n 2 蛋白 质 如 凝胶 牛 血清蛋白 蛋 清蛋白 和 一 经基酸 如 苹 果酸 柠檬酸 都能 促 进酶 活性的 提高 锰过氧化物酶催化反 应机理是 h 2 仇的 两个电 子将高 铁酶氧化 形成中间产物 复 合 物i c o m p o u n d i 复 合 物i 将 m n 十 氧 化 为 m n 十 酶 被 还 原 为 一 价 中 间 产 物 复 合 物1 1 c o m p o u n d 1 1 复合 物1 1 是 锰过氧 化 物酶非 常重要的中 间 物质 如图1 4 和图1 5 在过量的 过氧化物存在时 酶被氧化为复合物ii i c o m p o u n d 1 1 1 但同 样这不是催化反应的 部分 第一章 文献综述 a h 岌合钧 1x合钧叮 复合 物 自it 反1 2 或有 刃