第十二章 微生物学新技术在环境工程中的应用

二、微生物絮凝剂
1、微生物絮凝剂：是利用生物技术，从微 生物体内或分泌物中分离提取的一种安全、 高效且能自然降解的新型水处理剂。 它是由一类微生物产生的，可使液体中 不易沉降的固体悬浮颗粒、固体细胞及胶体 颗粒等凝聚、沉淀的特殊高分子代谢产物 (次生代谢产物)。
2、微生物絮凝剂的主要成分是高分子 有机物，包括糖蛋白、粘多糖、纤维素 和核酸等。其分子量多在105以上。
生物制剂的用法
①液体活菌剂直接使用；
②干的活菌制剂需用30℃左右的温水浸泡 若干小时，使软化成浆状，加水调成含菌 量为107～10个/mL的菌液再投加。
3、包埋法 将酶包埋在凝胶微小格子 (格子型 )中，或将酶包裹在 半透性的聚合物膜内(微型胶囊型)的固定方法。格子型的 包埋材料：聚丙烯酰胺 (PACAM) 凝胶、聚乙烯醇 (PVA) 、 琼脂、硅胶等。微胶囊型的包埋材料：尼龙、乙基纤维素 和硝酸纤维素。
4、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， 其亲水性一端连接成逆胶束的极性核，水分子插入核中， 其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～。
2、酶的提取 (1)水溶液提取法：用稀的盐溶液、缓冲液或水提 取。 (2) 表面活性剂提取法 表面活性剂有：天然的胆酸盐、磷脂，合成的十 二烷基硫(磺)酸钠(SDS,阴离子型)、二乙氨基十六烷 基溴(阳离子型)、非离子型的有吐温(Tween)及三通 －X(triton-X)。 (3) 丁醇提取法
三、酶的纯化
§12-2微生物细胞外多聚物的 开发与应用
微生物的胞外多聚物 (ECP) 是微生物在一定 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。 包括荚膜、粘液层及其它表面物质。 这些多聚物经分析得知其成分为脂、脂肽、 多糖脂、中性类脂衍生物等。
微生物细胞外物质可作 表面活性剂、絮凝剂或助凝 剂、沉淀剂。
筛选步骤
(1)采集样品，尔后用稀释平板法分离出单个菌落， 进行数次平板划线纯化，再将纯化的菌种接入斜面 保存； (2)进行菌种性能测定。取性能良好的菌种接入斜面， 于4℃冰箱保存。或真空冷冻干燥保存； (3) 按废水、废物和废气的化学组分与需要量，合 理搭配多种菌种。经扩大培养后用板框压滤，干燥， 制成干活菌制剂。
(2) 生物表面活性剂对有毒有机化合物具有增溶作用，可用于土 壤环境污染的生物修复。
Bacillus 菌产生的一种生物表面活性剂能稳定地乳化杀虫剂
肟 (wò) 硫 磷 及 其 他 不 能 与 水 混 溶 的 液 态 有 机 磷 杀 虫 剂 。 Pseudomonas cepacia 能产生一种降解除草剂 2,4,5,-三氯苯氧基 乙酸的生物表面活性剂。
微生物制剂可用于： ①生物膜挂膜； 废水活性污泥法处理过程的添加剂，初沉池、曝气池均可 投加，可提高废水处理效率； ③有机固体废弃物堆肥的菌种和添加剂；
④家庭便池、公厕的除臭剂；
⑤禽畜粪便处理的菌种； ⑥污染严重的河道进行生物修复，疏浚河道底泥； ⑦降解和清除海面浮油和炼油厂的废弃物； ⑧土地生物修复。
三、生物吸附剂
生物吸附是微生物菌体对重金属的吸附作用，包 括细胞的不同部位对重金属的络合、螯合、离子交换、 转化、吸收和无机微沉淀等。 能够吸附重金属及其它污染物质的生物来源材料 称生物吸附剂。
生物吸附剂主要分3类，即细菌、真菌和藻类。另 外，壳聚糖也是一类重要的生物吸附剂。
§12-3 优势菌种与生物制剂的 开发与应用
(3) 另外， Mulligan 和 cooper 认为生物表面活性剂能用于泥浆脱 水。在采矿业和造纸业中，采用某些生物表面活性剂可稳定矿物 的水悬浮液，以避免矿物的絮凝。国内有报道采用表面活性剂回 收炼油厂废白土中的蜡和油，回收率可达93％和95％。 生物表面活性剂还可用于石油及能源工业、医疗领域、食品 工业、化妆品工业等。
一、生物表面活性剂
1、表面活性剂是由亲水基和疏水基两部分组 成的，具有影响不相容界面特性的物质。 2、生物表面活性剂(biosurfactant)
是生物在一定生长条件下，在其代谢过 程中分泌产生的一些具有一定表面/界面 活性的代谢产物。
3、分类
生物表面活性剂按用途可广义地分 为生物表面活性剂和生物乳化剂 (bioemulsifier)。
第十二章 微生物学新技术在 环境工程中的应用
微生物学新技术 包括：遗传诱变育种、基因工程、 发酵工程、酶工程、微生物制剂、 生物表面活性剂等。
§12-1 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
1、干燥粗酶制剂
将用麸曲或深层发酵的培养液除菌 ( 或不除菌 ) 后，与 淀粉等惰性填料混合、干燥制成粗酶。 2、稀液体酶制剂
前者是一些低分子量的小分子，能显 著改变表面/界面张力。 后者是一些生物大分子，并不能显著降 低表面/界面张力，但对油/水界面表现出 很强的亲和力。因而可使乳状液得以稳定。
4、生物表面活性剂在环境工程中的应用
(1)利用生物表面活性剂对油类的乳化作用，可将生来自百度文库 表面活性剂用于海上原油泄漏的生物降解与海岸石油 污染的生物补救。
(二) 固定化酶与固定化微生物的固定方法
固定化方法有载体结合法、交联法、包埋法和逆胶束 酶反应系统。 1、载体结合法 以共价结合、离子结合和物理吸附等将酶固定在非水 溶性载体上。载体有葡聚糖、活性炭、胶原、琼脂糖、 多孔玻璃珠、高岭土、硅胶、氧化铝、羧甲基纤维素等。 2、交联法
将酶与有两个或两个以上官能团的试剂反应形成共价 键的固定方法。交联剂有：戊二醛、双重氮联苯胺和六 甲撑二异氰酸酯。
3、微生物絮凝剂的独特性质和特点
①易于固液分离，沉淀物生成量少；
②无毒无害、安全性高，易被微生物降解； ③具有脱色和除浊性能； ④无二次污染； ⑤适用范围广；
⑥有的生物絮凝剂具有热稳定性强、用量小、 不受pH条件影响等。
4、微生物絮凝剂的应用
(1)废水悬浮物的处理
(2)废水脱色处理 (3)乳浊液的油水分离 (4)污泥处理 (5)畜产废水处理 (6) 微生物絮凝剂在其它领域的应用
四、固定化酶和固定化微生物的固定化方法
(一) 固定化酶与固定化微生物
1、固定化酶 从筛选、培育获得的优良菌种体中提取活性极高的酶，再用包埋法(或 交联法、载体结合法、逆胶束酶反应系统 ) 等方法将酶固定在载体上，制 成不溶于水的固态酶，即～。 2、固定化微生物 利用与固定化酶相同的方法将酶活力强的微生物体固定在载体上，即 成～。分死细胞固定化和生长细胞固定化2种。 微生物本身是多酶体系的固定化载体，将整个细胞固定化更有利于保 持其原有活性，甚至可提高活性。 3、固定化酶与固定化微生物的特性 固定化酶与固定化微生物普遍比未固定化的微生物性能好，稳定、降 解有机物能力强、耐毒、抗杂菌，耐冲击负荷。
②过滤培养液去菌体→硫酸铵盐析或乙醇沉淀→干燥→ 研磨→加稳定剂、惰性填料→成商品 5、结晶酶 6、固定化酶 将酶和酶菌体固定在载体上，制成不溶于水的固态酶， 可较长时间使用。
二、酶的提取
1、预处理
不同的酶有不同的预处理方法：
①胞外酶存在培养液中，只需将菌体过滤或离心除去，所 得的清液即为粗酶液。如果是固态发酵麸曲，用水或缓冲 液浸泡，再离心或过滤去菌体及杂物后所得清液即为粗酶 液。粗酶液再经提纯即为酶精制品。 ②对胞内酶则要破碎细胞壁和质膜，制成无细胞提取液再 提纯。 细胞破碎方法有：干燥法(空气干燥、真空冷冻干燥、溶 剂脱水干燥)、机械法(研磨法、机械捣碎)、超声波破碎、 反复冷冻法、自溶法、溶菌酶法。
1、浓缩
葡萄糖凝胶－分子筛浓缩法、聚乙二醇 (PEG) 浓缩法、 超滤膜浓缩法、冰冻法、盐析或乙醇沉淀后分离。 2、去杂质 pH沉淀法、利用蛋白质热变性的温度差异、蛋白沉淀剂法。 3、纯化 盐析法；有机溶剂沉淀法；层析法：吸附层析法、离子 交换层析法、分子筛过滤层析 ( 凝胶过滤层析 ) 法、等电点 沉淀法。 4、结晶 当酶达到一定纯度后，在适当的温度、pH条件下，逐渐 加入硫酸铵溶液中，酶可慢慢析出结晶，也可加入某些有 机溶剂析出结晶。
将培养液过滤除去菌体等杂质后，直接加稳定剂(甘油、 乙醇、氯化钠等的复合物)和防腐剂作为商品出售。 3、浓液体酶制剂 将培养液除去菌体等杂质、浓缩后再加稳定剂和防腐 剂制成商品。
4、干燥粉状酶制剂 我国多数生产此种酶制剂，其制备工艺为：
①过滤培养液去菌体→浓缩→喷雾干燥→研磨→加稳定 剂、惰性填料→成商品
五、固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用
1、污染物处理 应用固定化酶或固定化细胞可以组成快速、高效、连续运行的污 水处理系统。日本将α－淀粉酶固定后用于处理淀粉废水和造纸废 水，效果较好。美国有人将多酚氧化酶固定后用于含酚废水处理， 效果显著。德国将9种降解对硫磷农药的酶固定到多孔玻璃珠及硅胶 珠上，再制成酶柱处理对硫磷废水，获得95％以上的去除效果，连 续运行2个多月酶活性基本不变。有人将白腐菌固定在海藻酸钙上对 造纸黑液进行处理，脱色率高达80％以上。 2、环境监测 根据固定化酶用于化学分析方面的相同原理，固定化酶也可用于 测定有毒物质的含量，对环境进行监测。如固定化多酚氧化酶可用 来测定水中的酚类物质。固定化酶可用于检测有机磷、有机氯农药、 过氯酸盐、氰化物和尿素等。