第十三章微生物学新技术在环境工程中的应用..
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a b
c
（物理吸附、生物特异吸附）
、离子结合法
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
胞外多聚物（Extracellular polymers，ECP）
微生物在一定的环境条件下，在其代谢过程中分泌的、包围在微生物细 胞壁外的多聚化合物。
荚膜、粘液层及其它表面物质。
成分：脂、脂肽、多糖脂、中性类脂衍生物等。 用途：表面活性剂、絮凝剂或助凝剂、沉淀剂。
絮凝的机理
“桥联作用”机理
沉淀剂
降低活性污泥与水间的表面张力
Байду номын сангаас
又称水不溶态酶，从筛选、培育获得的优良菌体中提取活性极强的酶，再 用包埋法（或交联法、载体结合法、逆束胶酶反应系统）等方法将酶固定 在载体上，制成不溶于水的，使酶变成不溶于水的固态酶。
水溶性酶
水不溶性载体
固定化技术
水不溶性酶
固定化酶
13.1
固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用
四、固定化酶和固定化微生物的固定化方法
石油废水、油脂废水处理中可考虑应用。
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
1、生物表面活性剂和生物乳化剂的开发与应用
生物表面活性剂(Biosurfactant)是指利用酶或微生物等通过生物催化 和、生物合成等生物技术从微生物、植物和动物上得到的具有表面活性的天
然表面活性剂。
亲水基和疏水基结构于一体的两亲化合物。
Aspergillus parasiticus寄生曲霉
Brevibacterium insectiohilium 嗜虫短杆菌 Brown rot fungi棕腐真菌 Corynebacterium brevicale 棒状杆菌
Pseudomonas fluorescens荧光假单胞菌
Pseudomonad faecalic粪假单胞菌 Rhodococcus erythropolis 红平红球菌 Schizosaccharomyces pombe 粟酒裂殖酵母
具有较好的热与化学稳定性;
乳化作用。 分类
按表面活性剂化学结构不同分六类。
研究和开发 微生物法 酶催化法
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
2、微生物自身絮凝和沉淀作用
• •
胞外多聚物性质不同分为两种类型 R型：疏水性，菌落粗糙型；
S型：亲水性，菌落光滑型;
R型细菌可应用于废水处理 活性污泥是亲水还是疏水，取决于两者的比例及表面电荷。
•载体结合法
物理吸附、共价结合、离子结合、生物特异结合将酶固定在非水溶性载体上。
常用载体：葡聚糖、活性炭、胶原、琼脂糖、玻璃珠、高岭土、硅胶等。
•交联法
将酶与两个或两个以上官能团的试剂（双功能或多功能试剂）反应形成共价键的固
定方法。 交联剂：戊二醛、双重氮联苯胺等
如：戊二醛和酶蛋白中的游离氨基发生Schiff反应，
取，精制而得到的有絮凝活性的物质。
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
3、微生物絮凝剂和沉淀剂的开发与应用
微生物絮凝剂的优势
微生物絮凝剂可以克服无机和有机高分子絮凝剂本身固有的成本高，絮凝效
果有限，存在二次污染且对人体有害的缺陷。
产絮凝剂的微生物种类
细菌、放线菌、霉菌及酵母菌，乃至原生动物的一些种。
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
3、微生物絮凝剂和沉淀剂的开发与应用
絮凝剂是用来使溶液中的溶质、胶体或者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。
根据化学成分不同
无机：铁盐系和铝盐系 有机：有机高分子絮凝剂、天然高分子絮凝剂
微生物：通过直接利用微生物细胞，或细胞提取物，或代谢产物，发酵，提
原剂对酶的影响等
•
常用提取方法
水溶液提取 表面活性剂提取 丁醇提取
13.1
固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用
三、酶的纯化
•
• • •
使酶与各种杂质分离，达到所需的纯度。
浓缩
去杂质 纯化 结晶
13.1
固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用
四、固定化酶和固定化微生物的固定化方法
固定化酶(immobilized enzyme)
固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用
一、酶制剂剂型
干燥粗酶制剂
酶是生物界普遍存在的物质， 可以动物、植物和微生物作原料来 提取酶制品。但作为酶制剂工业生 产以微生物最为合适。
稀液体酶制剂
浓液体酶制剂
干燥粉状酶制剂
固定化酶
13.1
固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用
二、酶的提取
交联法有2种形式： 酶直接交联法 酶辅助因子交联
形成席夫碱，从而使酶分子之间相互交联形成固定化酶。
13.1
固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用
四、固定化酶和固定化微生物的固定化方法
固定化方法
•包埋法(将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中，使酶固定化的方法)
格子型：酶包埋在聚合物的凝胶网格子中，使酶固定。
亲水基：有极性，多为糖、氨基酸、脂、肽等。
疏水基：非极性，多为脂肪酸或烃类。
广义的生物表面活性剂可分为生物表面活性剂和生物乳化剂
（Bioemulsifier）。
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
1、生物表面活性剂和生物乳化剂的开发与应用
• • •
生物表面活性剂都具有下列特性: 能降低界面张力;
第十三章
微生物学新技术在环境工程中的应用
微生物学新技术：
遗传诱变育种
基因工程 酶工程 微生物制剂 生物表面活性剂
13.1
固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用
酶（enzyme）：
高效、专一性强的生物催化剂。
缺点：稳定性差（容易失活而降低催化能力）、不能重复
使用、纯化困难。
13.1
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
3、微生物絮凝剂和沉淀剂的开发与应用
提取胞外多聚物制絮凝剂的方法：
物理：高速离心超声波和均化处理
化学：酸水解、热碱法和有机溶剂析出
提取步骤：
微生物浓缩和洗涤
剥取ECP
有机溶剂析出 富集 纯化
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
3、微生物絮凝剂和沉淀剂的开发与应用
预处理
•
胞外酶：存在培养液中，过滤或离心去除菌体，清液即为粗
酶液。
•
胞内酶：破碎细胞壁和质膜，制成无细胞提取液再提纯。
干燥、机械、超声、冷冻、溶菌酶等
13.1
固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用
二、酶的提取
提取：在一定条件下，用适当的溶剂处理含酶原料、使酶充分溶解
到溶剂中的过程。
•
要充分了解酶的结构、等电点、pH、温度的稳定性、氧化还
固定化微生物
比固定化酶操作简单成本低
固定化细胞比天然细胞稳定性高 催化效率比离体酶高
以与固定化酶相同的固定方法将酶活力强的微生物体固定在载体上。
• • •
•
•
能完成多步酶反应
固定化微生物能保留某些酶促反应所必需的辅助因子（如 ATP、
Mg2+、NAD等）
13.1 固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用 四、固定化酶和固定化微生物的固定化方法
Geotrichum candidum白地霉
Monacus anks赤红曲霉 Nocardin restricta椿象虫诺卡氏菌 Nocardin calcarea 石灰壤诺卡氏菌
Slaphytococcus aureus金黄色葡萄球菌
Streptomyces grisens灰色链霉素 Streptomyces vinacens 酒红色链霉素 White root fungi白腐真菌
微胶囊型：半透性的高聚物薄膜包裹固定酶的技术。
将酶或含酶菌体包埋在凝胶细微网格中， 制成一定形状的固定化酶
将酶包埋在各种高分子聚合物制成的小球内，制成固定化酶
逆胶束酶反应系统
表面活性剂的两性分子在有机溶剂中自发形成聚集体，其亲水端连 接成逆胶束的极性核，水分子插入核中，疏水性的一端进入主体有机 溶剂中，酶分子溶于逆胶束中，组成逆胶束酶系统。
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
具有絮凝性的微生物种类
Alcaligenes cupidus协腹产碱杆菌 Aspergillus sojae 酱油曲霉 Aspergillus ochraceus 棕曲霉
Nocardin rhodnii红色诺卡氏菌 Paecilomyces sp.拟青霉属菌 Pseudomonas aeruginosa 铜绿假单胞菌
c
（物理吸附、生物特异吸附）
、离子结合法
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
胞外多聚物（Extracellular polymers，ECP）
微生物在一定的环境条件下，在其代谢过程中分泌的、包围在微生物细 胞壁外的多聚化合物。
荚膜、粘液层及其它表面物质。
成分：脂、脂肽、多糖脂、中性类脂衍生物等。 用途：表面活性剂、絮凝剂或助凝剂、沉淀剂。
絮凝的机理
“桥联作用”机理
沉淀剂
降低活性污泥与水间的表面张力
Байду номын сангаас
又称水不溶态酶，从筛选、培育获得的优良菌体中提取活性极强的酶，再 用包埋法（或交联法、载体结合法、逆束胶酶反应系统）等方法将酶固定 在载体上，制成不溶于水的，使酶变成不溶于水的固态酶。
水溶性酶
水不溶性载体
固定化技术
水不溶性酶
固定化酶
13.1
固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用
四、固定化酶和固定化微生物的固定化方法
石油废水、油脂废水处理中可考虑应用。
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
1、生物表面活性剂和生物乳化剂的开发与应用
生物表面活性剂(Biosurfactant)是指利用酶或微生物等通过生物催化 和、生物合成等生物技术从微生物、植物和动物上得到的具有表面活性的天
然表面活性剂。
亲水基和疏水基结构于一体的两亲化合物。
Aspergillus parasiticus寄生曲霉
Brevibacterium insectiohilium 嗜虫短杆菌 Brown rot fungi棕腐真菌 Corynebacterium brevicale 棒状杆菌
Pseudomonas fluorescens荧光假单胞菌
Pseudomonad faecalic粪假单胞菌 Rhodococcus erythropolis 红平红球菌 Schizosaccharomyces pombe 粟酒裂殖酵母
具有较好的热与化学稳定性;
乳化作用。 分类
按表面活性剂化学结构不同分六类。
研究和开发 微生物法 酶催化法
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
2、微生物自身絮凝和沉淀作用
• •
胞外多聚物性质不同分为两种类型 R型：疏水性，菌落粗糙型；
S型：亲水性，菌落光滑型;
R型细菌可应用于废水处理 活性污泥是亲水还是疏水，取决于两者的比例及表面电荷。
•载体结合法
物理吸附、共价结合、离子结合、生物特异结合将酶固定在非水溶性载体上。
常用载体：葡聚糖、活性炭、胶原、琼脂糖、玻璃珠、高岭土、硅胶等。
•交联法
将酶与两个或两个以上官能团的试剂（双功能或多功能试剂）反应形成共价键的固
定方法。 交联剂：戊二醛、双重氮联苯胺等
如：戊二醛和酶蛋白中的游离氨基发生Schiff反应，
取，精制而得到的有絮凝活性的物质。
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
3、微生物絮凝剂和沉淀剂的开发与应用
微生物絮凝剂的优势
微生物絮凝剂可以克服无机和有机高分子絮凝剂本身固有的成本高，絮凝效
果有限，存在二次污染且对人体有害的缺陷。
产絮凝剂的微生物种类
细菌、放线菌、霉菌及酵母菌，乃至原生动物的一些种。
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
3、微生物絮凝剂和沉淀剂的开发与应用
絮凝剂是用来使溶液中的溶质、胶体或者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。
根据化学成分不同
无机：铁盐系和铝盐系 有机：有机高分子絮凝剂、天然高分子絮凝剂
微生物：通过直接利用微生物细胞，或细胞提取物，或代谢产物，发酵，提
原剂对酶的影响等
•
常用提取方法
水溶液提取 表面活性剂提取 丁醇提取
13.1
固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用
三、酶的纯化
•
• • •
使酶与各种杂质分离，达到所需的纯度。
浓缩
去杂质 纯化 结晶
13.1
固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用
四、固定化酶和固定化微生物的固定化方法
固定化酶(immobilized enzyme)
固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用
一、酶制剂剂型
干燥粗酶制剂
酶是生物界普遍存在的物质， 可以动物、植物和微生物作原料来 提取酶制品。但作为酶制剂工业生 产以微生物最为合适。
稀液体酶制剂
浓液体酶制剂
干燥粉状酶制剂
固定化酶
13.1
固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用
二、酶的提取
交联法有2种形式： 酶直接交联法 酶辅助因子交联
形成席夫碱，从而使酶分子之间相互交联形成固定化酶。
13.1
固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用
四、固定化酶和固定化微生物的固定化方法
固定化方法
•包埋法(将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中，使酶固定化的方法)
格子型：酶包埋在聚合物的凝胶网格子中，使酶固定。
亲水基：有极性，多为糖、氨基酸、脂、肽等。
疏水基：非极性，多为脂肪酸或烃类。
广义的生物表面活性剂可分为生物表面活性剂和生物乳化剂
（Bioemulsifier）。
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
1、生物表面活性剂和生物乳化剂的开发与应用
• • •
生物表面活性剂都具有下列特性: 能降低界面张力;
第十三章
微生物学新技术在环境工程中的应用
微生物学新技术：
遗传诱变育种
基因工程 酶工程 微生物制剂 生物表面活性剂
13.1
固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用
酶（enzyme）：
高效、专一性强的生物催化剂。
缺点：稳定性差（容易失活而降低催化能力）、不能重复
使用、纯化困难。
13.1
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
3、微生物絮凝剂和沉淀剂的开发与应用
提取胞外多聚物制絮凝剂的方法：
物理：高速离心超声波和均化处理
化学：酸水解、热碱法和有机溶剂析出
提取步骤：
微生物浓缩和洗涤
剥取ECP
有机溶剂析出 富集 纯化
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
3、微生物絮凝剂和沉淀剂的开发与应用
预处理
•
胞外酶：存在培养液中，过滤或离心去除菌体，清液即为粗
酶液。
•
胞内酶：破碎细胞壁和质膜，制成无细胞提取液再提纯。
干燥、机械、超声、冷冻、溶菌酶等
13.1
固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用
二、酶的提取
提取：在一定条件下，用适当的溶剂处理含酶原料、使酶充分溶解
到溶剂中的过程。
•
要充分了解酶的结构、等电点、pH、温度的稳定性、氧化还
固定化微生物
比固定化酶操作简单成本低
固定化细胞比天然细胞稳定性高 催化效率比离体酶高
以与固定化酶相同的固定方法将酶活力强的微生物体固定在载体上。
• • •
•
•
能完成多步酶反应
固定化微生物能保留某些酶促反应所必需的辅助因子（如 ATP、
Mg2+、NAD等）
13.1 固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用 四、固定化酶和固定化微生物的固定化方法
Geotrichum candidum白地霉
Monacus anks赤红曲霉 Nocardin restricta椿象虫诺卡氏菌 Nocardin calcarea 石灰壤诺卡氏菌
Slaphytococcus aureus金黄色葡萄球菌
Streptomyces grisens灰色链霉素 Streptomyces vinacens 酒红色链霉素 White root fungi白腐真菌
微胶囊型：半透性的高聚物薄膜包裹固定酶的技术。
将酶或含酶菌体包埋在凝胶细微网格中， 制成一定形状的固定化酶
将酶包埋在各种高分子聚合物制成的小球内，制成固定化酶
逆胶束酶反应系统
表面活性剂的两性分子在有机溶剂中自发形成聚集体，其亲水端连 接成逆胶束的极性核，水分子插入核中，疏水性的一端进入主体有机 溶剂中，酶分子溶于逆胶束中，组成逆胶束酶系统。
13.2
微生物细胞外多聚物的开发与应用
具有絮凝性的微生物种类
Alcaligenes cupidus协腹产碱杆菌 Aspergillus sojae 酱油曲霉 Aspergillus ochraceus 棕曲霉
Nocardin rhodnii红色诺卡氏菌 Paecilomyces sp.拟青霉属菌 Pseudomonas aeruginosa 铜绿假单胞菌