微生物絮凝剂及其研究进展

微生物絮凝剂及其研究进展

摘要介绍了近几年来国内外微生物絮凝剂和絮凝微生物的一些发展概况,列举了近几年发现的一些微生物絮凝剂的物质属性和组成,重点讨论了胞外絮凝剂的絮凝机理，重点综述了环境中的物化生等因素对絮凝剂的生成和絮凝作用的研究进展，分析讨论了微生物絮凝剂的应用概况，提出微生物絮凝剂的发展趋势和研究方向。

关键词：微生物絮凝；絮凝剂；絮凝作用；絮凝机理

微生物的絮凝作用最先由法国的Louis Pasteur 在1876 年研究酵母菌Levure casseeuse 时发现。20 世纪80 年代后期, 日本在微生物絮凝剂开发上取得了引人瞩目的成果, 仓根隆一郎等从土壤中筛选到红平红球菌的S-1 菌株, 并制成了NOC-1微生物絮凝剂。此后, 许多国家的科学工作者对微生物絮凝剂及其絮凝剂产生菌进行了大量的研究工作, 取得了许多标志性的研究成果, 为微生物絮凝剂的工业应用展示了良好的前景。

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。

长期以来给水与污水处理过程中最常用的絮凝剂包括两大类：无机盐及其聚合物如铁盐、铝盐等；有机合成的高分子化合物，如聚丙烯酰胺等。这两类絮凝剂都存在着毒性较大，会造成二次污染等问题。有关研究表明，饮用水摄入过多铝离子的人群中，老年性痴呆症的患者比例较高。而丙烯酰胺单体具有强烈的神经毒性和致癌作用。另外，这两类絮凝剂都是不可生物降解的，存在絮凝沉降后污泥难处理的问题。近20年来，天然有机高分子絮凝剂受到人们的广泛重视。作为一类较新的水处理剂，天然有机高分子絮凝剂是利用蛋白质、多聚糖、木质素、几丁质等生物体分泌的天然有机高分子，通过化学改性制成。由于天然高分子具有无毒、环境无害且能安全降解的特点，所以曾一度引起人们的研究热情。但这类可生物降解的絮凝剂也存在一些缺点，因为它们是天然物质，一般絮凝效果较合成的化学絮凝剂差，通过改良技术提高这些天然材料的絮凝能力也较困

难。另外，因其价格较高、应用场合受到限制等因素影响，多年来真正应用于工业生产的品牌并不多。随着现代环境生物工程和环保工程的发展，絮凝剂也日益发展。微生物絮凝剂就是其中的一个优秀代表。

微生物絮凝剂是80年代后期研究开发的第三类絮凝剂，是一类由微生物产生的具有絮凝剂活性的代谢产物，主要有糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和DNA以及有絮凝剂活性的菌体等。该絮凝剂是利用生物技术，通过微生物发酵、抽取、精制而得到的一种新型、高效、廉价的水处理剂，是一种无毒的生物高分子化合物。国外关于微生物絮凝剂的报道主要有AJ7002微生物絮凝剂、PF101絮凝剂和NOC—1絮凝剂等。相对经典的胶体系絮凝剂机理而言，生物系絮凝剂絮凝机理还不是很清楚，比较有代表性的絮凝机理包括胞外聚合物桥架学说、电性中和学说、体外纤维素纤丝学说，荚膜学说、疏水学说等。目前一般以为，生物高分子絮凝剂主要通过桥架作用和电中和作用，使颗粒和细胞聚合，其它的絮凝作用机理如网扑作用，粒质说等可解释部分絮凝现象。实际上，絮凝是一个复杂的过程，由于絮凝剂的种类和浓度、分子构型、分子量大小、胶体表面性质、pH等因素均能影响其絮凝性能。微生物絮凝剂具有絮凝范围广、絮凝活性高、安全、无害、无污染、脱色效果独特等特点，加上絮凝剂产生菌的种类多、生长快、易于实现工业化，微生物絮凝剂的研究正成为当今世界絮凝剂方面研究的重要课题。

微生物絮凝剂的种类

按照来源不同，微生物絮凝剂主要可分为 3 类：①直接利用微生物细胞的絮凝剂。如某些细菌、放线菌、真菌和酵母。②利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂。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用作絮凝剂。③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成分为多糖及少量多肽、蛋白质、脂类及其复合物。这种分泌到细胞外的具有絮凝活性的高聚物称为胞外生物高聚物絮凝剂(Extracellular Biopolymeric Flocculants, 简称EBF)。

微生物絮凝剂的物质结构和组成

微生物絮凝剂的结构各异。已知的絮凝剂微观立体结构有两种：(1) 纤维状。从苦味诺卡氏菌Nocardia amarae 提取的絮凝剂蛋白质中含有75%的甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸, 该絮凝剂可以形成丝绸一样的纤维, 是絮凝体形成过程中的颗粒

间联结物。(2) 球状。从酱油曲霉Aspergiilus sojae 中获得的絮凝剂中有聚己糖胺、蛋白质、2-葡糖酮酸等3种成分。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，而且絮凝行为模式也由非离子型絮凝剂的絮凝模式转变为阳离子型絮凝剂的絮凝模式。絮凝剂的微观立体结构受絮凝剂化学成分的影响, 絮凝模式与微观形状有关。不同的絮凝微生物产生的絮凝剂的物质组成不同，表1 列出了近几年一些研究的较深入的微生物絮凝剂的物质属性、组成和相对分子质量。

从表 1 可以看出,目前已知的微生物絮凝剂大多为多糖类和蛋白质类物质,也有少数微生物絮凝剂为脂类、DNA 等其他生物大分子。1994年Kurane 首次从R . erythropolis S21 培养液中分离到了一种脂类絮凝剂。发现该分子中含有葡萄糖单霉菌酸酯( GM) 、海藻糖单霉菌酸酯( TM) 、海藻糖二霉菌酸酯( TDM) 三种组分。霉菌酸碳链长度从C32到C40不等，其中以C34 、C36和C38居多。Kazuo Sakka 与Hajime Takahashi 研究发现，高分子量的天然双链DNA 是Pseudomonasst rain C2120 菌体细胞凝集的直接原因。Watan2abe 从泰国的虾养殖场的池底污泥中分离到 1 株具有絮凝活性的光合细菌Rhodov ul um sp. PS88 ，其絮凝活性与该菌分泌到胞外的DNA 有直接关系。K. Crabt ree 等在研究Zooloearamigera 时发现，内源代谢物聚β2羟基丁酸(PHB) 是使细胞具有絮凝活性的直接原因。

微生物絮凝机理

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。

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。分子