微生物絮凝劑及其應用

作者：吳勣　來源：上海師范大學　評論：　更新日期：2022年11月16日

摘要: 介紹了微生物絮凝劑物質屬性和組成，絮凝的幾種機理，對產生絮凝的微生物的營養(yǎng)條件進行了簡要的說明，對現在微生物絮凝劑的應用范圍作了歸納，在此基礎上剖析了生物絮凝劑的研究前景和方向。

關鍵詞: 微生物絮凝劑?? 絮凝機理? 絮凝微生物? 污水處理

絮凝劑是一類可是水體中不易沉降的懸浮顆粒凝聚沉淀的物質。絮凝劑有三類：一類為有機高分子絮凝劑或助凝劑，如聚丙烯酰胺；二類為無機絮凝劑如硫酸鋁、硫酸亞鐵、三氯化鐵等；三類為微生物絮凝劑。生物絮凝劑是利用生物技術，通過微生物發(fā)酵、提取、精制而得到的一種新型、高效、廉價的水處理藥劑[2]。

1. 微生物絮凝劑的種類

在這里我只介紹一下按化學組成分類

蛋白質：Asp.sojae AJ7002合成的絮凝劑的主要活性成分是蛋白質和已糖胺；生物絮凝劑NOC-1億是一種蛋白質，并且該蛋白質分子中含有較多的疏水氨基酸。

多糖：目前已經堅定的生物絮凝劑有很多種屬于多糖類物質。Alcaligenes cupidus KT201代謝的AL-201

脂類：Kurane首次從R.drythropolis S-1的培養(yǎng)液中分離到了一種脂類絮凝劑。這是目前發(fā)現的唯一的脂類絮凝劑[3]。

國外研究者借助各種技術手段對多種絮凝劑組成與性質進行了分析,我選取部分如表1所示DNA：高分子量的天然雙鏈DNA是Pesudomonas C-120菌體細胞凝集的直接原因。

2. 微生物絮凝劑的絮凝機理

在用微生物絮凝劑進行水處理中，往往因機理不清楚，而導致不必要的資源浪費。微生物絮凝劑是帶有電荷的生物大分子，下列機理其中以橋聯激勵學說最為人們接受[4]。

2.1橋聯作用

絮凝劑借助離子鍵、氫鍵，同時結合了多個顆粒分子，因而在顆粒建立起了橋梁作用，把這些顆粒直接連接在一起，從而使之形成網狀結構沉淀下來。有實驗表明，絮凝劑絮凝膨潤土過程時，通過測定等溫線和Zeta電位發(fā)現絮凝劑確實是以“橋聯方式”絮凝的[5]。

2.2“類外源需凝聚素”假說

“類外源需凝聚素”假說很好地解釋了酵母菌的絮凝機理：絮凝酵母細胞壁上的特定表面蛋白與其他酵母細胞表面的甘露糖殘基之間的專一性結合引起絮凝。

2.3“菌體外纖維素纖絲”學說

“菌體外纖維素纖絲”學說則主要是針對纖維素類絮凝劑的絮凝機理提出的，由于部分引起絮凝產生菌體外有纖絲，因而該學說認為是由于胞外纖絲聚合形成絮凝物。這兩種假說對非游離態(tài)生物絮凝劑的作用機理做出了合理解釋。

表1 一些絮凝劑產生菌的分子組成和性質

絮凝劑產生菌?????????????? 絮凝劑分子組成????????????????? 絮凝劑性質

Aspergillus ? sojae?? 20.9%半乳糖胺，0.3%葡糖胺????????? 分子量〉2*10^5;活性范圍：PH<4.0 30~80℃ ?

?AJ7002????????? 35.5%2-酮葡糖酸，27.5%蛋白質??????? 絮凝最適濃度100~200ug/mL ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?sp.I-1???????????? PF-201：半乳糖胺，????????????????? 分子量 3*10^5;等電點pH8.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????????????? 其中，80%為N-未取代半乳糖胺 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????????????? 其中，8%為N-乙酰半乳糖胺

Alcaligenes??????? Al-201：42.5%葡萄糖，36.38%半乳糖,?? 分子量〉2×106 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?cupidus KT201???? 8.52%葡糖醛酸，10.3%乙酸組成的 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?多聚糖 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Rhodococcus???? 多肽和甘油脂的復合體???????????????? 分子量〉2×106;酸性pH、陽離子存在下有活性；100℃/15min,??? 活性降低50%； ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?對蛋白質酶敏感 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?erythropolis S-1??? ;脂質組成：GM，TM，TDM ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Pestalotiepsis sp.?? Pestan: 葡萄糖, ? 葡糖胺, 葡糖醛酸,鼠??? 濃度為1mg/mL，活性最高； ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?70℃以下穩(wěn)定 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?KCTC8637P????? 李糖（100：35：1.5：1.3；mol/mol）

3影響微生物絮凝劑產生的營養(yǎng)因素

3.1碳源

微生物不同，產生絮凝劑所需的碳源也不同。產生NOC-1的紅平紅球菌以葡萄糖、果糖、山梨糖等水溶性碳源如橄欖油則活性下降[6]，Junji nakamura[7]等報道產絮凝劑的通用發(fā)酵培養(yǎng)基中有酪蛋白作為碳源和氮源時效果明顯；Alcaligenes cupidus KT201產生絮凝劑時以葡萄糖、半乳糖胺、蔗糖等作為碳源較好；Aspergillus sojae AJ7002對碳源要求條件低；Rhuichiro kurane[8]報導，在工業(yè)生產上酒精也是很好的碳源物質。

3.2 氮源

產生NOC-1的紅平紅球菌所需得無機氮源硫酸銨最好；有機氮源以尿素、酵母糕、酪蛋白、氨基酸為最佳； Aspergillus sojae AJ7002產絮凝劑時以酵母浸液、氨基酸類為最佳氮源。

3.3無機鹽及其他

綜合來看，無機鹽以KH2PO4? 、K2HPO4 、Mg SO4等為主[9]。

4微生物絮凝劑的應用現狀

4.1廢水處理

4.1.1畜產廢水? 畜產場廢水中有含有較高濃度的總有機碳(????? TOC)和總氮(TN)，是一類較難處理的有機廢水，采用合成高分子絮凝劑處理時效果不好，而用微生物絮凝劑NOC-1處理則效果很好，處理10min后，上清液接近透明，其TOC由1420mg/L降為425mg/L，TN從420mg/L降為215mg/L，廢水的澄清度(OD660)從15.7降為0.85[10]。

4.1.2建材廢水? 含有高懸浮物的建筑材料加工廢水也是較難處理的一類廢水。

4.1.3鞣革廢水? 在鞣革工業(yè)廢水中加入C-62菌株產生的絮凝劑，其濁度去除率可達96.7%[11]。

4.1.4廢水脫色? 目前使用的絮凝劑難以去除廢水中的有色物質，而用NOC-1對墨水、糖蜜廢水、造紙廢水和染料廢水等進行了實驗，處理后上清夜變成無色透明。用P.alkaligenes8724菌株產生的絮凝劑在實驗室對紙漿黑夜和氯霉素等顏色較深的廢水進行脫色處理，脫色率分別達95%和98%以上[10]。

4.2膨脹污泥處理

在采用活性污泥法處理工業(yè)廢水過程中，形成的活性污泥容易發(fā)生膨脹，從而影響處理效率，若添加微生物絮凝劑，則會取得良好的效果。如甘草制藥廢水生化處理過程中形成的膨脹活性污泥，當在其中添加NOC-1后，消除了污泥的膨脹，恢復了活性污泥的沉降性能[12]

4.3乳化液油水分離

用Alcaligenue latus培養(yǎng)物可以很容易地將棕擱酸從其乳化液中分離出來。向100mL含體積分數=0.25%的乳化液中假如10mL的Alcaligenue latus培養(yǎng)物和1mL的聚氨基葡萄糖后，在細小均一的乳化液中及形成明顯可見的油滴，這些油滴負于廢水表面，有明顯的分層。下曾清液的COD值從原來的450mg/L下降為235mg/L，去除率為48%。無論是無機絮凝劑還是人工合成的有機高分子絮凝劑都未達到過這樣的絮凝效果[13]。

4.4、其他方面應用

以有研究表明，微生物絮凝劑可以包括細菌、真菌、放線菌以及藻類在內的大多數微生物產生的具有絮凝作用的物質。因此，微生物絮凝劑不僅可以應用于廢水的處理，還可以成為發(fā)酵工業(yè)和食品工業(yè)中安全有效的絮凝劑，為取代傳統工藝中離心和過濾分離細胞的方法提供了可能[10]。

5? 總結

微生物絮凝劑是一種有很多優(yōu)點的絮凝劑，與現在常用的一些絮凝劑相比它是極其高效的，在同樣的用量下，微生物絮凝劑對活性污泥的絮凝速度最大，而且絮凝沉淀比較容易用過濾除去。它是沒有毒性的，在健康第一的當今社會，天然性是其最大的長處，微生物絮凝劑是微生物菌體或菌體分泌的生物高分子物質，屬于天然有機絮凝劑，它不會像無機類等化學絮凝劑一樣殘留各種有毒離子如鋁離（已被證實引起老年癡呆癥的最主要元素），也不會像高分子絮凝劑一樣有造成二次污染的可能性，不會危害其他的生物和影響到生態(tài)環(huán)境。微生物絮凝劑的絮凝對象也很廣，有活性污泥、粉煤灰、應用水等等而其他的絮凝劑會由于自身的特性而在具體運用時受到限制。微生物絮凝劑還有很大的發(fā)展空間，現在國內外對于絮凝劑的研究隨著其他科學的發(fā)展也得到很多的幫助，可以利用現代分子生物學技術獲得的高效絮凝基因，通過轉基因技術等，構建高產絮凝劑的工程菌，以實現絮凝劑的大規(guī)模生產。微生物絮凝劑的這些特性，以及其廣闊的發(fā)展前景相信，微生物絮凝劑將越來越廣泛的應用于工業(yè)廢水處理、發(fā)酵等工業(yè)生產中，并最終取代無機絮凝劑和有機共分子絮凝劑。

參考文獻：

[1] 周群英等, 環(huán)境工程微生物學, 高等教育出版社, 北京, 2000:281-285

[2] 陳元彩,肖錦,微生物絮凝劑的使用研究,環(huán)境科學進展,1999,7(3):84-89

[3] Kurane R, Hatamaochi K, Kakuno T, etal. How to use bioflocculan, Agric Biol. Chem. 1995, 59: 1652-1656

[4] 王猛, 柴曉利, 微生物絮凝劑的研究與應用[J], 化工環(huán)保, 2001,21(6):328-332

[5] Leby N., Physico chemical aspects in flocculation of bentonite suspensions by a cyanobacterial bioflocculan[J], Water Research, 1992, 26(2):249-254

[6] 呂向紅, 微生物絮凝劑[J], 化工環(huán)保, 1995, 15(4): 9-11.

[7] Norio Shimiziu, Floc-forming bacteria isolated from activated sludge in high-BOD loading treatment [J], J Ferment Teachol, 1995, 63(1): 67-71.

[8] 邵青,高校脫色絮凝劑脫色絮凝機理淺談與其應用[J], 工業(yè)水處理, 2000, 20(2):831-836

[9] 李兆龍等, 微生物絮凝劑[J], 上海環(huán)境科學, 1991, 10(9): 45-46.

[10] 張彤,朱懷蘭,林哲, 微生物絮凝劑的研究與應用進展[J], 應用與環(huán)境生物學報, 1996, 2(1): 95-105.

[11] 宮小燕等, 絮凝劑產生菌的篩選及其培養(yǎng)條件的優(yōu)化[J], 環(huán)境科學研究, 1999, 12(4): 9-11.

[12] R Kurane, K Hatamochi, T Kakuno, etal. Kiyohara.production of a bioflocculant byrhodococ-cus erythropolis S-1 grown on alcohols [J]. Biol. Biolchem., 1994, 58(2): 428-492.

[13] Ryjichiro Kurane, Culture condition for production of microbial flocculation bhodococcuserythrpolis [J], Agric. Biol. Chem., 1986,50(9): 2309-2313.