微生物絮凝剂的研究和应用

朱晓江¹，尹双凤²，桑军强³
(1.深圳市天健化学工业清洗有限公司，广东深圳518034；
2.清华大学化学系，北京100084；3.清华大学环境科学与工程系，北京100084)

　　摘　要：综述了微生物絮凝剂的研究发展、絮凝的机理及其在水处理中的应用，并预示了今后微生物絮凝剂领域的研究将出现的几个重要发展方向。
　　关键词：微生物絮凝剂；絮凝机理；水处理
　　中图分类号：X17
　　文献标识码：B
　　文章编号：1000-4602(2001)06-0019-04

　　微生物絮凝剂就是利用生物技术，从微生物或其分泌物提取、纯化而获得的一种安全、高效、且能自然降解的新型水处理剂，包括糖蛋白、多糖、纤维素、蛋白质和DNA等［1］。由于微生物絮凝剂可以克服无机高分子和合成有机高分子絮凝剂本身固有的缺陷，既可生物降解又安全可靠，最终实现无污染排放，因此越来越受到关注。

1　微生物絮凝剂的研究进展

1.1产生絮凝剂的微生物种类
　　具有分泌絮凝剂能力的微生物称为絮凝剂产生菌，至今发现的具有絮凝性的微生物已经超过17种，包括霉菌、细菌、放线菌和酵母菌等［2］(见表1)。最早发现的絮凝剂产生菌是Butterfield于1935年从活性污泥中筛选得到的，至今最具代表性的微生物絮凝剂有以下三种：Nakamura J发现的酱油曲霉(Aspergillus sojae)产生的絮凝剂AJ7002；Takagi H用拟青霉素(Paecilomyces sp.I—1)产生的微生物絮凝剂PF101，它对枯草杆菌、大肠杆菌、啤酒酵母、血红细胞、活性污泥、硅藻土、纤维素粉、活性炭、氧化铝等有良好的絮凝效果；Kurane利用红平红球菌(Rhodococcus erythropolis)研制成功微生物絮凝剂NOC—1，对大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、粉煤灰水、活性炭粉水、膨胀污泥、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。

表1　具有絮凝性的微生物种类^［2］ Alcaligenes cupidus协腹产碱杆菌 Nocardin rhodnii红色诺卡氏菌 Aspergillus sojae酱油曲霉 Paecilomyces sp.拟青霉属菌 Aspergillus ochraceus棕曲霉 Pseudomonas aeruginosa铜绿假单胞菌 Aspergillus parasiticus寄生曲霉 Pseudomonas fluorescens荧光假单胞菌 Brevibacterium insectiohilium嗜虫短杆菌 Pseudomonad faecalic粪假单胞菌 Brown rot fungi棕腐真菌 Rhodococcus erythropolis红平红球菌 Corynebacterium brevicale棒状杆菌 Schizosaccharomyces pombe粟酒裂殖酵母 Geotrichum candidum白地霉 Slaphytococcus aureus金黄色葡萄球菌 Monacus anks赤红曲霉 Streptomyces grisens灰色链霉素 Nocardin restricta椿象虫诺卡氏菌 Streptomyces vinacens酒红色链霉素 Nocardin calcarea石灰壤诺卡氏菌 White root fungi白腐真菌

1.2 微生物絮凝剂的性质及制取
　　Mckinney发现了积累在细胞外的多糖类物质和细菌絮凝作用之间的关系，随后Buch、Pavoni也从废水中发现了絮凝物质。一般来说，微生物产生的絮凝物质的分子质量多在1×10⁵以上，如Sakka的Pseudomonas sp.C—120产生的絮凝物质是分子质量＞2×10⁶的天然双链DNA。
　　不同的絮凝剂产生菌产生絮凝剂的条件不同，主要影响因素为培养基的碳源、氮源、培养温度、初始pH值、通气速度等。如产多糖蛋白类絮凝剂的Rhodococcus erythropolis的最适碳源为葡萄糖、果糖等水溶性糖类，最适氮源为尿素和硫酸铵。而Paecilomyces sp.I—1的最适碳源为淀粉，最适氮源为多肽和酪胺酸。培养基的初始pH值对微生物产生絮凝剂有影响，最适宜的pH值一般为中性到偏碱性，并且在培养过程中pH有一个先上升后下降再稳定的过程。在培养过程中，最适宜的温度为25～30 ℃左右，温度太低会使菌体活性降低、生长减慢，温度太高会使菌体产生的絮凝剂活性较低。另外，培养基中阳离子种类及浓度对微生物产生絮凝剂也有影响，Sakka等人观察到Ca2+对酵母菌产生絮凝剂有诱导作用。在有些情况下，通气量对细菌的生长及产絮凝剂的能力是一个不可忽略的影响因素，培养初期大量通气，一方面满足了生物生长的需求，另一方面也能防止菌体絮凝成较大的颗粒。
　　从发酵液中提取和纯化微生物絮凝剂的方法有多种，一般采用抽滤或离心的方法去除菌体，然后根据发酵液的组分及絮凝物质的种类、性质而采用乙醇、硫酸铵盐析、丙酮、盐酸胍等沉淀获得。对于结构较为复杂的絮凝剂的提取，则需用酸、碱或有机溶剂反复溶解、沉淀以得到粗品。絮凝剂的纯化一般采用将粗品溶于水或缓冲溶液中，通过离子交换、凝胶色谱纯化，也有把粗品溶解、去除不溶物、透析纯化的。
1.3　絮凝剂产生菌的基因控制
　　絮凝剂产生的基因控制是一个复杂的过程，涉及定位基因与抑制基因的相互作用、定位基因的表达、絮凝剂的合成和分泌等。目前人们只对某些细菌、酵母菌中与絮凝有关的基因及其产物、絮凝微生物细胞壁的成分、结构进行了研究，以期揭开微生物产生絮凝剂的机制。目前至少发现了14个絮凝基因，据报道,FL01、FL05、FL08、tupl都是定位于染色体上与絮凝有关的基因。FL01和FL05絮凝基因都在1号染色体上，FL08在3号染色体上，这三个絮凝基因分子克隆已获成功。FL05絮凝基因有显性表达絮凝性的功能，但其表达受到亲株细胞结合型(MAT)遗传信息的控制。由FL05絮凝基因构建出的新菌株所分泌的絮凝素成分不同于FL01，FL05不会因所在的染色体遭到破坏而失活，但是对热处理敏感，FL01絮凝基因正好与此相反
。FL05表达产物对糜蛋白酶稳定，FL01表达产物却易被糜蛋白酶降解。FL08/f10的表达受MATa/MATa的抑制。
　　Saito等人的研究表明，絮凝微生物与絮凝剂产生菌之间有一定关系。他们用蛋白酶K处理絮凝微生物的细胞壁，从细胞壁上切下一个使絮凝微生物细胞对悬浮细胞絮凝起主要作用的蛋白质，但该蛋白如何在菌体内形成，怎样在细胞壁上定位以及它与菌分泌出胞外的絮凝剂分子在形成机制上有何相似之处尚不清楚。
　　Kakka等人发现絮凝能力是微生物非必需的，从絮凝菌中得到的非絮凝突变子在生长程度、形态、生理上与絮凝亲本均相同。Henry报道了一株由质粒控制絮凝性状的细菌，质粒消除后絮凝能力丧失，菌生长良好。而王镇等［1］报道了其所筛选的四种絮凝剂产生菌均不含质粒，因而认为产生絮凝性的性状不是由质粒控制的。

2　微生物絮凝剂的絮凝机理

　　关于微生物絮凝剂的作用机理先后提出过很多学说，如Butterfield的粘质假说，Grabtree的PHB(poly-β-hydroxybutyric acid)酯合学说，Friedman的菌体外纤维素纤丝学说等。目前较为普遍接受的是“桥联作用”机理，该机理认为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，从而形成一种网状三维结构而沉淀下来。该学说可以解释大多数微生物絮凝剂引起的絮凝现象，以及一些因素对絮凝的影响并为一些实验所证实。例如Levy等人以吸附等温线和ζ电位测定表明，环圈项圈藻PCC—6720所产絮凝剂确实是以“桥联”机制为基础的。电镜照片显示的聚合细菌之间由细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地聚合成凝聚体在液体中沉淀下来［3］。
　　絮凝剂的分子结构、形状、分子质量和所带基团对絮凝剂的活性有影响。大分子上要有线形结构，如果分子是交联的或支链结构，其絮凝效果就差［4］。分子质量对活性也有影响，一般来说，分子质量越大，絮凝活性越高，用蛋白酶处理Aspergillus sojae AJ7002产生的絮凝剂活性有所下降就是由于絮凝剂中蛋白质组分水解引起多聚物分子质量降低而致。一些特殊基团由于在絮凝剂中充当颗粒物质的吸附部位或维持一定的空间构像，对絮凝剂活性影响很大。研究表明，用高锰酸钾处理Asp絮凝剂的己糖胺多聚物部分，使其氧化而释放出氧，活性就消失。处理水体中胶体离子的表面结构与电荷对絮凝效果也有影响，水体中钙、镁离子的存在能显著降低胶体表面的负电荷，促进“架桥”形成。另外，絮凝剂的加入量对活性也有一定影响，通常有一最佳加入量，过多和过少絮凝剂效果均下降，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的一半吸附量，因为这时大分子在固体颗粒上架桥的几率最大［4］。
　　胶体粒子的表面结构也会对絮凝剂的絮凝效率产生影响。研究表明，虽然絮凝剂均具有广谱絮凝作用，但是对不同的胶体颗粒表现出不同的絮凝活性［1］。有人研究了Baker′s酵母细胞的絮凝剂特性，当用半刀豆球蛋白A处理后活性丧失，这是因为豆球蛋白与细胞表面的甘露糖结合，覆盖了细胞表面，阻止了细胞与胶体颗粒的结合。细胞的年龄对絮凝作用也有影响，在培养早期，絮凝性不好，随着发酵的进行，絮凝活性逐渐增加，这可能是因为细胞年龄影响着细胞壁中的甘露聚糖、葡萄糖和蛋白质组分，从而影响絮凝剂效果。
　　絮凝过程是胶体颗粒与大分子相互靠近、吸附并形成网状结构的过程，因而大分子与胶体颗粒的表面电荷对絮凝效果有很重要的影响。体系的pH值直接影响着絮凝剂大分子和胶体颗粒的表面电荷，从而影响着它们之间的靠近和吸附行为。体系中的离子，尤其是高价异种离子能够显著改变胶体的ζ电位，降低其表面电荷，促进大分子与胶体颗粒的吸附与架桥。阳离子的影响，特别是Ca2+促进作用的报道很多，研究者在研究Ca2+对环圈项圈藻产絮凝剂絮凝膨润土的影响时发现，Ca2+的加入减少了大分子和悬浮颗粒的负电荷，增加了悬浮颗粒对大分子的吸附量，促进了架桥的形成。Ca2+不仅可以促进絮凝的形成，而且高浓度的Ca2+可以有效地保护絮凝剂不受降解酶的作用。但也有报道认为体系中盐的加入会降低絮凝的活性，这可能是由于离子的加入破坏了大分子与胶体之间氢键的形成。有一种生物絮凝剂的活性受缓冲液离子强度的影响,在高离子强度下，大量离子占据了絮凝剂分子的活性位点，并把絮凝剂分子与固体悬浮颗粒隔开而抑制絮凝［5］。高温引起生物大分子的变性使其结构和功能破坏，如Kurane报道S—1生产的含蛋白质的絮凝剂在不密封条件下，在100 ℃下加热1 s后活性下降50%。有的絮凝剂不含高温变性成分或所含高温变性成分只是对分子质量的贡献，而对高温不敏感。
　　絮凝的形成是一个复杂过程，“架桥”机理并不能解释所有现象，絮凝剂的广谱活性也证明吸附机理不是单一的。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、电荷、构像及各种反应条件对它们的影响进行更深入的探讨。

3　微生物絮凝剂在水处理中的应用

　　与有机或无机合成高分子絮凝剂相比，微生物絮凝剂具有絮凝范围广、活性高、安全无害、不污染环境等特点，而且作用条件粗放，大多不受离子强度、pH值及温度的影响［1、6］，因此可以广泛应用于给水和污水处理。
　　①畜产废水的处理［7］
　　畜产废水是含BOD较高的难处理有机废水，采用合成有机絮凝剂虽然有较好的效果，但存在二次污染。猪粪尿废水采用NOC—1加Ca2+处理10 min后，废水的上清液变成几乎透明的液体，废水中的TOC由处理前的8 200 mg/L变为2 980 mg/L，去除率达63.7%，OD660由处理前的15.7变为0.86，浊度去除达94.5%。
　　②可消除污泥膨胀［7］
　　不少工业废水在采用活性污泥处理过程中，形成的活性污泥容易发生膨胀，从而影响处理效率，若添加微生物絮凝剂，会取得良好效果。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NOC—1微生物絮凝剂后，污泥的SVI很快从290下降到50，消除了污泥的膨胀，恢复了活性污泥的沉降能力。
　　③建材废水的处理［8］
　　含有高悬浮物的建筑材料加工废水也是较难处理的一类废水，例如陶瓷厂废水，主要包括胚体废水和釉药废水两种，前者主要含有较多的粘土颗粒，后者除含粘土颗粒外，还有相当数量的釉药。当添加NOC—1后5 min，胚体废水的OD从原来的1.4降低到0.043；釉药废水的OD660从17.2下降到0.35；浊度去除率分别为96.6%和97.9%，可得到几乎透明的上清液。
　　④废水的脱色［8、9］
　　现今的活性污泥法技术除去废水中的BOD并非难事，但对于脱色几乎还没有特效的方法，特别是对于那些可溶性色素很难处理，而采用微生物絮凝剂NOC—1，对墨水、糖蜜废水、造纸黑液、颜料废水等进行的试验表明，处理后上清液变为无色透明。辛宝平用P.alcaligenes 8724菌株产生的絮凝剂在实验室对纸浆黑液和氯霉素等颜色较深的废水进行脱色处理，其脱色率分别达95%和98%以上。
　　⑤给水处理［10］
　　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COD值最小。

4　结语

　　微生物絮凝剂的研制和开发应用方兴未艾，其特性和优势为水处理技术的发展展示了一个广阔的前景，决定了它在污水处理等众多领域有很大的应用潜力。微生物絮凝剂将可能在未来取代或大部分取代传统的无机高分子和合成有机高分子絮凝剂。今后微生物絮凝剂领域的研究将出现几个重要的发展方向：
　　①利用现代分子生物学技术把获得的高效絮凝基因转化到一些有一定可应用酶活化或能降解污染物的微生物中，组建工程菌，找出微生物絮凝剂的最佳应用场所，既明显地提高絮凝效果，还可以大大降低絮凝剂的投加量，从而降低处理成本。
　　②优选原料和优化生产路线，降低微生物絮凝剂生产成本。例如在NOC—1的培养基中，作为氮源的酵母浸膏价格比较贵，占NOC—1生产成本的80%。人们研制出用豆饼、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。另外有些絮凝剂产生菌还能以自然界中或人工合成的高分子物质作为培养基碳源，如Corynebacterium hydrocarboclastus可利用煤油生长并产生絮凝剂。
　　③从天然植物中提取出能释放激素的生物絮凝剂，如高等海藻和芦荟。
　　④将酶和激素等促进微生物生长的物质加载到常规絮凝剂上，实现生化与絮凝处理的有机结合，以期在保证出水水质的前提下，缩短生化系统启动和废水在生化系统的停留时间，从而将微生物絮凝剂拓展到概念更广的生物絮凝剂研究范畴。
　　就我国的微生物絮凝剂的研究而言，起步晚，层次低，正面临着来自国外的竞争和环境质量要求越来越严的挑战。除邓德丰和辛宝平、王镇等人进行过基础研究外，其余仅见一些综述性报道文章。因此迫切需要从我国的实际国情出发，组建较强的科研队伍，投入更多的财力，为我国微生物絮凝剂的发展奠定理论和物质基础。

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