微生物絮凝剂

微生物絮凝剂摘要：微生物絮凝剂是一种具有广阔应用前景的天然高分子絮凝剂，因其具有高效、无毒、无二次污染等性质而备受人们的关注，并广泛应用于水处理、食品加工和发酵工业。本文综述了微生物絮凝剂的研究与应用进展，包括合成絮凝剂的微生物种类、微生物絮凝剂的分类及特点、结构、微生物絮凝剂的絮凝机理和絮凝能力的影响因素，最后提出了微生物絮凝剂的发展趋势。关键词：微生物絮凝剂；絮凝机理；研究进展絮凝剂被广泛地应用于工业废水处理、食品生产和发酵等工业中。一般把絮凝剂分为3 类：1、无机絮凝剂，如硫酸铝、聚合氯化铝、聚合硫酸铁等； 2、有机合成高分子絮凝剂，如聚丙烯酰胺及其衍生物、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸盐等；3、天然高分子絮凝剂，如改性淀粉、聚氨基葡萄糖、壳聚糖、藻酸钠、几丁质和微生物絮凝剂1。人们逐渐认识到：无机絮凝剂一般使用量较大，容易造成二次污染。如水中残留铝离子过多，不但对水生生物和植物有害，还可造成老年人的铝性骨病及痴呆症。铁离子虽对人体无害，但铁离子会使处理的水呈现红色，并刺激铁细菌繁殖，从而加速对金属设备的微生物腐蚀。目前使用的PAM 等高分子有机絮凝剂，通常价格昂贵，在水中的残留物不易降解，而且有些聚合物单体具有毒性和致癌作用。随着人们生活水平的提高，以及对卫生及环境的关注，急需研究和开发絮凝效果好、价格低廉、易降解、环境友好、应用范围广、无二次污染的新型絮凝剂。当今国内外对絮凝剂研究和发展方向是由无机向有机、低分子向高分子，单一向复合、合成型向天然型发展。基于生物多样性，开展了微生物絮凝剂的研究。微生物絮凝剂是一类由微生物在生长过程中产生的，可以使水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、沉淀的特殊高分子聚合物。是一种具有生物分解性和安全性的新型、高效、无毒、廉价的水处理剂，近些年来受到极大关注, 有逐步取代传统絮凝剂的趋势2。1 合成絮凝剂的微生物种类能产生絮凝剂的微生物有很多种类，细菌3，5、放线菌4、真菌5以及藻类6等（见表1）都可以产生絮凝剂。这些已经鉴定的絮凝微生物，大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中，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降性能，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 一些能产生絮凝剂的微生物微生物种类 Microorganisms絮凝剂主要成分 Components of flocculats细菌 BacteriaRhodococcus erythropolis 蛋白质 Protein Alcaligeues cupidus 酸性聚多糖 Acid polysaccharidePseudomouas sp 粘多糖 MucopolysaccharideLactobacillus fermeutum蛋白质 ProteinFlavobacterium sp蛋白质 ProteinZoogolea sp氨基多糖 Animopolysaccharide放线菌 AntinomycesNocardia amarae蛋白质 Protein Streptomyces griseus蛋白质 Protein 真菌 FungiAspergillus sojae 多聚糖胺 Poly-hexosamineSaccharomyces cerevisiae多肽 Poly peptide藻类 AlgaeAnabaenopsis ccircularis 酸性聚多糖 Acid polysaccharide这些微生物的絮凝能力有较大差异，因未进行过全面的比较试验，尚不能确定絮凝能力最强或絮凝剂产率最大的究竟是哪一种微生物。2 微生物絮凝剂的分类及特点2.1 微生物絮凝剂的分类根据近些年对微生物絮凝剂的研究与报道，可把它分为4 大类：（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，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-乙酰葡萄糖胺等成分均可作为絮凝剂。（1）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，主要是细菌的荚膜和黏液质，除水分外，其余主要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物。（4）利用克隆技术所获得的絮凝剂。这类絮凝剂是用基因工程技术和现代分子生物学，把高效絮凝基因转移到便于发酵的菌中，构造高效遗传菌株，克隆絮凝基因能在多种降解中产出有效的微生物絮凝剂7。2.2 微生物絮凝剂的特点与无机或有机高分子絮凝剂相比，微生物絮凝剂具有许多独特的性质。（1）微生物具有比表面积大、转化能力强、繁殖速度快、易变异、分布广等特点，且生物絮凝剂的来源广，这样生物絮凝剂的生产周期会非常短且效率高。（2）高效。同等用量下，与现在常用的铁盐、铝盐、聚丙烯酰胺相比，微生物絮凝剂对活性污泥的絮凝速度最高，而且絮凝沉淀物容易过滤。（3）无毒。微生物絮凝剂为微生物菌体或菌体外分泌的生物高分子物质，属于天然有机高分子絮凝剂，它安全无毒。（4）可消除二次污染。微生物絮凝剂是微生物的分泌物，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。（5）应用范围广泛，脱色效果独特。微生物絮凝剂能处理的对象有活性污泥、粉煤灰、木炭、墨水、泥水、河底沉积物、高岭土、印染废水等。而且，生物絮凝剂对悬浊液絮凝速度快、用量少，对胶体、溶液均有较好的絮凝效果，对富含有机物的屠宰废水和血水也有较好的去色效果。（5）微生物絮凝剂价格较低。无论从生产成本还是处理技术总费用，微生物絮凝剂的价格都低于化学絮凝剂的价格。不足之处是，生物絮凝剂的效果容易受到有毒物质的干扰，因此，被处理的废液中必须无妨害菌体生长的因素8 。3 微生物絮凝剂的结构为了深入了解微生物产生絮凝剂的原因和解释微生物絮凝剂的絮凝机理，需要对微生物絮凝剂絮凝基团的组成、结构进行研究。3.1 微生物絮凝剂的化学结构研究微生物絮凝剂的化学结构，大致有三种方法2，9：( 1) 因子破坏法：通过测定纤维素酶、蛋白酶（如链霉蛋白酶）、金属阳离子螯合剂（如EDTA）和加热等处理对微生物絮凝能力的破坏，以判断絮凝剂的化学组成。( 2) 化学分析法：能够有效地证明微生物絮凝剂的具体生化组成，包括多糖的单位成分、蛋白质的氨基酸构成等。( 3) 再形成法：将与絮凝剂形成有关的成分分别提取出来，再把它们加在一起，如果可以形成絮凝物，絮凝剂的组成便得到证实。例如，先用EDTA 将金属离子去除，再添加金属离子，观察是否会恢复絮凝能力，如果恢复，那么金属离子的作用便得到充分的证实。3.2 微生物絮凝剂的微观结构已知的微生物絮凝剂的微观结构有两种：( 1) 纤维状：具有这种特殊结构的絮凝剂形成像丝绸一样的纤维，是絮凝体形成过程中的颗粒间连接物。( 2) 球状：从酱油曲霉获得的絮凝剂有三种成分：聚己糖胺、蛋白质和2-葡糖酮酸。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，且絮凝行为模式也由非离子型转变为阳离子型。3.3 微生物絮凝剂的化学本质根据多年的研究，可以初步确定，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10，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，一些絮凝剂专论与综述工业水处理中还含有无机金属离子，如Ca2+、Mg2+，A13+和Fe3+等。研究表明，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 微生物絮凝剂的絮凝机理絮凝作用是一个复杂的物理化学过程，对于微生物絮凝剂的絮凝机理曾经先后提出过很多种学说：粘质说、电荷中和机理和离子键、氢键键桥学说11 。下面介绍主要的几种：1) 架桥絮凝机理。这一机理认为，絮凝剂借助离子键、氢键、同时结合了多个颗粒上的分子，在颗粒间起了“中间桥梁”的作用，从而使悬浮物形成网状结构的絮凝物而沉淀下来。通常认为合成的高分子絮凝剂都是通过这种机理产生絮凝作用，微生物絮凝剂的絮凝机理与合成的高分子絮凝剂的作用机理是一致的。这种机理最为人们所认可。2) 电性中和机理。这一机理认为胶体粒子的表面一般带有负电荷，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，会中和胶体表面上的部分电荷，使静电斥力减少，从而使胶粒间发生磁力碰撞而凝聚，向溶液中加入金属离子或调节pH 值可影响其絮凝效果。3) 化学反应机理。这一机理认为生物大分子中某些活性基团与被絮凝物质相应基团反应，进而聚集成较大的分子而沉淀下来。通过对生物大分子进行改性处理，使其添加或丧失某些活性基团，絮凝活性发生变化而起作用。某些学者指出絮凝剂的活性主要是依赖于活性基团，即活性基团决定了絮凝剂的活性。4) 卷扫作用机理。这一机理认为，当微生物絮凝剂的投加量一定且形成小颗粒絮体时， 可以在重力作用下，迅速网捕，卷扫水中一些胶粒，从而产生沉淀。这种作用可看成是一种机械作用，实践证明，所需絮凝剂的量与原水中杂质悬浮体含量成正比。从微生物絮凝剂的多样性及其表现出的絮凝范围的广谱性可以断定，絮凝机理肯定是多样的。絮凝过程是一个复杂的过程，为了更好地解释机理，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。5 絮凝能力的影响因素除了被絮凝物质的性质外，影响微生物絮凝剂絮凝能力的因素还包括温度、p H 、无机金属离子和絮凝剂的分子量等。5.1 温度温度对一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变性后会丧失部分絮凝能力12 ，所以由多聚糖构成的絮凝剂就不受温度的影响。例如，Aspergillus sojae产生的絮凝剂在温度为30 80 时，活性最大，高于或低于这个温度活性便迅速下降，而Paecilomyces sp产生的聚半乳糖胺絮凝剂在0一1 0 之间时, 絮凝活性几乎不变。5.2 PH 絮凝剂的絮凝能力受PH 影响的原因，是酸碱度的变化改变生物聚合物的带电状态和中和电荷的能力以及被絮凝物质的颗粒表面性质(如带电情况)，如Paecilcnnyces sp产生的絮凝剂聚半乳糖胺, 在p H 为4 7.5 时，絮凝能力最强，当p H 为3 或8 时，絮凝能力急剧下降为0。5.3 金属离子与其他无机离子有些微生物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13和中和作用，对微生物絮凝剂的絮凝活性有重要意义，甚至是必据的条件。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(多肤)型的徽生物絮凝剂。例如, H.conomala的絮凝和非絮凝菌株细胞壁的脂肪酸和氮荃酸的组分与含量虽无较大差别，但其金属离子含量有着极大的差异, 前者Ca2+，Mg2+和N a+的含量远比后者高。此外，各种离子在絮凝剂中的作用也得到较为深入的研究。具体来说：Ca2+的作用：Ca2+ 可以显著提高微生物絮凝剂的活性。对于一些微生物来说, 形成絮凝体必须有Ca2+的参与，但对另一些微生物却不是这样。一般认为，钙离子的作用是起化学桥联作用，在絮凝微生物细胞之间联结细胞表面的蛋白质和多糖。Mg2+的作用：添加Mg2+也能够提高微生物絮凝剂的活性。但关于镁离子的作用，一些研究者根据各自的研究结果得出的结论并不一致。Na+的作用：Na+可以增加絮凝剂的活性，但达到一定浓度后，再提高N a+的浓度对增加絮凝活性的意义不大。除上述3 种金属离子之外，Fe3+和Al3+对絮凝活性也有作用。但这两种离子在低浓度时可以提高微生物絮凝剂的活性，达到一定浓度后, 反而会抑制絮凝物的形成。5.4 微生物絮凝剂的浓度和其他絮凝剂一样，微生物絮凝剂的絮凝效率也受其浓度的影响，在较低浓度范围内，随絮凝剂浓度的提高，絮凝效率升高，但达到最高点后，再增加絮凝剂的浓度，絮凝效率反而降低。5.5 微生物絮凝剂的分子量微生物絮凝剂的分子量大小对絮凝剂的絮凝活性至关重要。分子量大，吸附位点就多，携带的电荷也多，中和能力也强，桥联作用和卷扫作用明显。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，除少数外，分子量大都在几十万到几百万。分子量的减少会降低絮凝剂的絮凝活性，例如絮凝剂的蛋白质成分降解后，分子量减小，絮凝活性明显下降。6 微生物絮凝剂的发展趋势和研究方向鉴于目前国内外的研究状况，微生物絮凝剂的主要发展趋势体现在以下几个方面：1、 加大絮凝微生物的筛选力度和范围，从而筛选到更多的高效絮凝微生物；2、 从生产工艺的角度出发，选用廉价的工业废料作为培养基以降低培养基配制成本，建立高效生化反应器，优化发酵的运行条件，提高培养基效率，不断探索新工艺新方法，使微生物絮凝剂的生产真正实现产业化水平。例如在NOC-1 的培养基中，用豆饼、水产废水和牛血取代酵母浸膏后, 培养基的价格下降了2/ 3 以上14；Ci trobacter sp. TKF04 可以用乙酸作为惟一的碳源营养来合成絮凝剂15；2、加强对微生物絮凝剂的物质结构特性、絮凝特性等方面的基础性研究，深入研究微生物絮凝剂的絮凝机理以及它在处理不同水质废水时的共性与特性。拓宽微生物絮凝剂的应用范围，使之能够处理各种不同的废水。根据不同的废水水质研制具有针对性的高效微生物絮凝剂或复合絮凝剂，既能明显提高絮凝效果，还可大大降低絮凝剂投加量，从而降低处理成本, 这是使微生物絮凝剂实现工业应用的前提16；3、利用现代分子生物学技术获得的高效絮凝基因，通过转基因技术，构建高产絮凝剂的工程菌，以期实现微生物絮凝剂的大规模生产；4、将微生物絮凝剂拓展到概念更广的生物絮凝剂研究范畴。例如Haruhiko Yokoi 研究发现, 在厌氧条件下Enterobacter sp. BY-29 能够同时产生氢和絮凝剂17。将酶和激素等促进微生物生长的物质加载到絮凝剂上，实现生化反应与絮凝处理的有机结合，以保证水处理的出水水质的前提下，缩短生化系统启动和废水在生化系统的停留时间。微生物絮凝剂的研制和应用方兴未艾，其特性和优势为水处理技术的发展提供了一个广阔的舞台，相信在不久的将来，随着对微生物絮凝剂研究的不断深入，微生物絮凝剂将会广泛地应用于工业废水处理、食品生产和发酵等工业中，并将有可能在未来取代或部分取代传统的无机高分子和合成有机高分子絮凝剂。我国的微生物絮凝剂研究起步较晚，层次还比较低，急需广大环境工作者投入更多的人力物力进行发展，为我国絮凝剂的发展奠定理论和物质基础。参考文献:1 江锋，黄晓武，胡勇有. 胞外生物高聚物絮凝剂的研究进展 J . 给水排水，2002, 28( 8) : 83- 89.2 Ohshima,H., A simple expression for Henrys function for the retardation effect in electrophoresis of spherical colloidal particales J. J.Colloid and Interface Science,1994,168: 269- 271.3 S . B. Deng, R. B. Bai, X. M . Hu, Q. Luo. 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