微生物絮凝剂的研究与应用进展

Posted 2023-01-13 絮凝

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综述了微生物絮凝剂的研究进展、微生物絮凝剂的种类和性质、絮凝机理、影响因素、提取方法及其在水处理中的应用。提出了微生物絮凝剂的研究将出现的几个重要发展方向。
1 引言
絮凝沉降法在水处理中占有极其重要的地位，国内外的工业废水处理，使用絮凝法的比例约占60%～75%，而自来水工业几乎100%使用絮凝法作为净水手段。目前广泛应用于水处理中的絮凝剂主要有无机高分子絮凝剂(如PAC)和有机高分子絮凝剂(如PAM)。由于无机絮凝剂一般用量较大且可能对环境产生二次污染，如聚合铝系列的铝离子会对人类健康产生危害；PAM的残留物不易被微生物降解，且其单体具有强烈的神经毒性和“三致"(致畸形、致突变、致癌)效应。美、英等国对PAM的使用作出限制，严格规定PAM的最大投加量不得超过1.0mg/L。因此，研究开发絮凝效果好、易生物降解、无二次污染、对环境安全的新型絮凝剂是很有必要的。微生物絮凝剂(MBF)是符合以上要求，最具发展潜力的新型高效环保型絮凝剂。
2　MBF的研究进展
具有分泌絮凝剂能力的微生物称为絮凝剂产生菌，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。20世纪70年代，日本学者在研究酞酸酯生物降解过程中发现了具有絮凝作用的微生物培养液，从此人们开始了对MBF的研究。1976年，Nakamura从霉菌、细菌、放线菌、酵母菌等菌种中筛选出19种具有絮凝活性的微生物，其中以酱油曲霉(Aspergillus
sojae)AJ700产生的絮凝剂效果最好。1985年，Takagi 研究了拟青霉菌属(Paecilomyces
sp.)微生物产生的絮凝剂PF101，它对大肠杆菌、血红细胞、活性污泥、纤维素粉、活性炭、硅藻土等都有良好的絮凝效果。1986年，Kurane从土壤中分离筛选到红平红球菌(R.
erythropolis)，研制成絮凝剂NOC-1。NOC-1对泥浆水、河水、粉煤灰水、活性碳粉水、膨胀污泥、纸浆废水、畜产废水等都有极好的絮凝和脱色效果。在廉价培养基开发和连续培养方面，Kurane用水产加工废水代替原培养基中的酵母汁来培养红平红球菌生产NOC-1，得到的絮凝剂的活性比用酵母汁培养的提高2～3倍，培养时间缩短为原来的1/4～1/7，成本降低为原来的1/5，NOC-1的生产速度提高了2.5倍。
我国对MBF的研究起步较晚，但近年来发展很快。邓德丰从废水中分离得到C-62细菌菌株产生的MBF。王镇选出的4株菌其絮凝活性均优于Kurane报道的R.
erythropolis。张本兰从活性污泥中分离得到P.
alcaligenes菌株。胡筱敏从土壤中得到1株高效硅酸盐芽孢杆菌，其产生的絮凝剂A-9絮凝效率高达99.2%，且用量仅为一般MBF的1/10～1/100。
目前，虽然美国、日本、英国等国有多种MBF产品面市，但MBF的开发还主要停留在实验室研究阶段，未见大规模的工业应用。
3　MBF产生菌的种类及MBF的收获方法
进行MBF的研究和开发，首要工作是筛选鉴定出优良的絮凝剂产生菌。这类微生物广泛存在于土壤、污泥、废水中。目前见诸报道的具有絮凝性能的微生物有30多种，它们分别属于细菌、放线菌、酵母菌、霉菌等。
由于MBF的化学成分主要是多聚糖和蛋白质，因而提取方法与一般的多聚糖和蛋白质的提取方法无多大区别。首先用离心和过滤的方法除去菌体，离心条件一般为中高速(5000～10000r/min)。然后根据发酵液以及絮凝性质不同，采用不同的药剂进行沉淀、萃取。如用乙醇沉淀，硫酸铵盐析，丙酮、盐酸胍等沉淀，以及分馏等。对于一些结构复杂，成份多的絮凝剂，要用多种方法(如用酸碱、有机溶剂等)反复沉淀、溶解、萃取配合起来得到粗品。然后将粗品溶于水，通过离子交换树脂、凝胶色谱等纯化分离可得到纯品。
4　MBF的遗传基础和生理意义
一些微生物只是在特定生长阶段产生絮凝剂。因此，有的研究者推测MBF合成(性状表达)受遗传基因的严格调控，而已有的实验结果确证了微生物分泌絮凝剂的能力是受遗传基因控制的。一些研究者已着手应用遗传工程的方法，将絮凝基因转入活性污泥和其他广泛应用的发酵工程微生物中，从而获得絮凝能力强且易于培养的优良微生物。
日本的研究结果表明，MBF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表面增加的缘故。这种现象说明MBF作为微生物的代谢产物，其积累也对微生物本身的生长产生抑制作用。MBF真正的生理意义在于构成微生物的多糖荚膜，抵抗干燥，保护菌体，微生物的絮凝性只是一种伴生性状。
5　MBF的化学组成及微观结构
从化学成分上来讲，MBF主要是微生物产生的有絮凝活性的代谢产物，包括糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和DNA等，相对分子量大多在105以上。不同种类的微生物产生的絮凝剂的主要成分不相同。例如，R.
erythropolis产生的NOC-1是多糖蛋白；拟青霉菌属(Paecilomyces
sp.)产生的PF101是由氨基半乳糖相连而成的粘多糖；假单胞菌属(Pseu-domonas
sp.)C-120产生的絮凝剂是天然双链DNA。有些MBF中还有无机金属离子，如Ca2+、Mg2+、Al3+等。
已知的MBF的微观结构有2种：
(1)纤维状，如从厌氧诺卡氏菌(Nocardia
amarae)提取的絮凝蛋白质；
(2)球状，如从曲霉(Aspergillus sojae)中获得的絮凝剂。
6　MBF的絮凝机理
关于MBF的作用机理先后提出过很多学说，如Butterfield的粘质学说，Grabtree的PHB酯合学说，Fiedman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，同时吸引多个胶体颗粒，因而在颗粒中起了“中间桥梁"的作用，形成一种网状三维结构而沉淀下来。该理论可以解释大多数MBF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证实。絮凝体的形成是一个复杂的过程，“桥联"机理并不能解释所有的现象，絮凝剂的广谱活性说明它是由多种机理共同起作用。为了更进一步解释絮凝机理，还需作更深入地研究。
7　MBF的合成及其影响因素
7.1　MBF的合成
MBF的合成与微生物代谢活动有关。微生物代谢变缓之后，由于自身的分解才能释放絮凝剂，形成絮体。如黄杆菌属(Flavobacterium)的培养物只有在对数生长后期才出现絮凝活性。而Aspergillus属的细菌在培养第1天就表现出絮凝活性，第2天或第3天达到最大值，之后随着培养时间的延长，絮凝活性下降。R.
erythopolis在对数生长期的早期和中期，随着细胞的增长，同时产生絮凝物质，到了静止期，细胞开始分裂，不再产生新絮凝物质。对广泛产碱菌(Alcaligenes
latusde)的研究表明，絮凝剂产量最大时是在对数生长期的中后期，在静止期后期，絮凝活性迅速下降，其原因可能是因为解絮凝酶的存在所致。
以上的研究表明，最好在细菌对数生长后期或静止早期收获MBF，此后，絮凝活性即使不下降也不会再有提高。
7.2　影响MBF合成的因素
7.2.1　碳源
MBF合成与碳源有较大关系。在R.erythropolis的培养中，用0.5%的葡萄糖，0.5%蔗糖为碳源时，絮凝剂的产量较高；以果糖为碳源培养协腹产碱杆菌(Alcaligenes
cupidus)，其絮凝剂的产量超过其他所有碳源；使用葡萄糖、半乳糖和果糖比用淀粉和麦芽糖对Alcaligenes
cupidus分泌絮凝剂更为有效。富含单糖或营养丰富的培养基有利于絮凝剂的产生，而用高氮低糖的培养基，会使絮凝剂的产量降低。对细胞生长最有利的碳源，不一定是对絮凝剂分泌最有利的碳源。例如，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。
7.2.2　氮源
在氮源中，尿素和硫酸铵对MBF的产生和细菌的繁殖最为有利。用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60%～70%。碳氮比对于絮凝剂的合成也有影响，碳氮比为60～114时，动胶菌属(Zoogolea
sp.)的絮凝活性较高，大于或小于此值活性便迅速下降。在有机氮源中，酵母浸液和酪蛋白质氨基酸最为有效。
7.2.3　温度和pH值
培养温度对絮凝剂的合成也有一定影响。对R.erythropolis的研究表明，在30℃时，絮凝剂产量要高于25℃和37℃时的产量。温度升高时，微生物生长加快，但絮凝活性却降低，可见，温度的升高并不有利于絮凝剂的合成。初始pH值最好控制在6～9.5内，过高或过低均不利于絮凝剂的合成。
7.2.4　其它影响因素
培养液的体积尽管不影响培养液中微生物的总量，但会影响絮凝物质的产生。此外，通气量对絮凝剂的合成也有影响，培养初期，为满足生物生长的需求，促进絮凝剂的产生，需大量通气；培养后期，可适当减小通气量，以防止菌体絮凝成较大絮凝体而使活性降低。
8　影响MBF絮凝能力的因素
8.1　絮凝剂的分子量、分子结构
MBF分子量大小对其絮凝效果的影响很大，分子量越大，絮凝效果就越好。当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。一般线性结构的大分子絮凝剂的絮凝效果较好，如果分子结构是交链或支链结构，其絮凝效果就差。
8.2　絮凝剂的投加剂量
对于某种MBF，要取得最佳絮凝效果，均有一个最佳投量。在低浓度范围内，絮凝效率随浓度的增大而提高，但是在达到一定浓度后，再增大絮凝剂的浓度，絮凝效率反而下降。
8.3　温度
研究表明，与化学反应类似，适当提高温度可促进絮凝，使絮凝效率提高。然而高温会严重影响某些MBF的效率。这主要是因为高温可使生物高分子变性，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的下降。例如R.
erythropolis产生的絮凝剂在100℃的水中加热15min后，其絮凝活性下降50%。
8.4　 pH值
pH值对MBF絮凝活性的影响主要是由于酸碱度的变化，影响MBF及悬浮颗粒表面的电荷的性质、数量及中和电荷的能力。不同的絮凝剂对pH值变化的灵敏程度不一样，同一种絮凝剂对各种的废水有不同的初始pH值要求。
8.5　无机金属离子
金属离子的种类和浓度对MBF活性影响较大。适当浓度的金属离子可以促进絮凝剂分子与悬浮颗粒以离子键结合，显著提高其絮凝活性。但是，金属离子的浓度不宜过高，否则，由于大量离子占据了絮凝剂分子的活性位置，把絮凝剂分子与悬浮颗粒隔开而抑制絮凝。
9　MBF絮凝剂在环境污染治理中的应用
与有机高分子絮凝剂相比，MBF具有絮凝范围广、活性高、安全无毒、不污染环境等特点，而且作用条件粗放[17，22，23]
，具有广谱絮凝活性[21，24]，因此，可以广泛用于给水和污水处理中。应用实例见表1。
表1　 MBF应用于废水处理举例
应用举例畜产废水除BOD陶瓷废水除浊度造纸废水脱色消除污泥膨胀
所用MBFNOC-1+Ca2+NOC-1Alcaligenes latus培养物红品红球菌培养物
处理时间10 min5 min5 min———
处理效果浊度去除率为94.5%，BOD显著下降浊度去除率为97.9%脱色率为94.6%，上清液无色透明SVI值从290下降到50
10　　　 MBF絮凝剂发展前景展望
10.1
要实现MBF的应用推广，关键是降低其生产成本。MBF的生产成本主要为培养基成本，故降低成本的关键是选择廉价培养基。例如，在NOC-1的培养基中，酵母浸膏价格较贵，占NOC-1生产成本的80%，用豆饼、水产废水和牛血取代酵母浸膏后，培养基价格下降了2/3以上；
10.2
随着基因技术的飞速发展，可以利用现代分子生物学和基因工程技术，把高效絮凝基因转移到便于发酵生产的菌中，组建工程菌，为MBF的工业化奠定基础。目前人们只对部分酵母菌中和絮凝有关的基因进行了研究，发现了至少14个絮凝基因，其中FL01、FL05絮凝基因在1号染色体上，FL08在8号染色体上。上面3个基因分子已被成功克隆。
10.3
通过对现有生物处理系统的改良来优化系统的性能。如国内有学者试图通过把酶或激素等促进微生物生长的物质加载到活性污泥上，实现絮凝与生化处理的有机结合，以期在保证出水水质的情况下，缩短污水在生化系统中的停留时间。
10.4
虽然产MBF的微生物种类很多，但是MBF还可以直接从自然界中提取。例如，美国生物细菌控制系统公司(Biological
Bacteria Control System
Inc)从高等海藻和芦荟中提取出能释放激素的MBF，在生活废水处理中效果较好。