微生物絮凝剂的研究进展及其应用前景

综述了絮凝剂产生菌的种类、微生物絮凝剂的分类及其可能的絮凝机理、影响微生物絮凝剂形成的因素、影响絮凝效果的因素以及微生物絮凝剂的研究进展，介绍了微生物絮凝剂的实际应用，并就今后的发展趋势进行了探讨。 目前国内外用于提高水质处理效率的一种既经济又简便的水处理技术之一就是添加适宜的絮凝剂[1-2]，絮凝剂被广泛应用于废水处理、食品加工和化工等工业过程。絮凝剂按其来源和性质可分为无机絮凝剂、有机高分子絮凝剂和天然生物高分子絮凝剂。前2种絮凝剂不易降解，且其可能是神经毒剂和致癌、致突变因子，现在许多领域已禁止或限量使用。微生物絮凝剂(microbial flocculants，MBFs)是利用生物技术，从微生物体或其分泌物提取、纯化而获得的新型水处理剂，具有安全、高效、可生物降解、不污染环境、可消除二次污染等特点，具有其它絮凝剂无法比拟的优势，而且也易于实现工业化生产，所以MBFs取代大部分传统的无机和合成有机高分子絮凝剂将成为一种趋势。MBFs的研制正成为当今世界絮凝剂研究的重要课题。本文综述了最近10多年MBFs领域中的研究及应用，并对其发展趋势进行了展望。 1.MBFs的种类 MBFs是一类由微生物产生的具有絮凝功能的高分子有机物，它是利用微生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、提取、精制而成，主要由糖蛋白、粘多糖、纤维素和核酸等组成。从微生物获得的絮凝剂，根据其物质组成的不同，可分为3大类：一是直接利用微生物细胞的絮凝剂，如某些细菌、霉菌、放线菌和酵母，它们大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中；二是利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂，是微生物细胞分泌到胞外的代谢产物，主要是细菌的荚膜和粘液质，其主要成分为多糖、少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物；三是利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂，如酵母细胞壁的葡萄糖、甘露聚糖、蛋白质和N—乙酰葡萄糖胺等成分均可作为絮凝剂。 2.MBFs的絮凝机理 MBFs是生物大分子，多数学者认为MBFs絮凝作用的本质是有机高分子(如多聚糖、纤维素、蛋白质等)与目标物之间发生的相互作用，在MBFs絮凝机理方面目前只是提出了一些假说，如：电中和作用、Buterrfield黏质假说、架桥学说等，并分别得到了相关微生物菌株所产絮凝剂的印证，如王曙光等从土壤中筛选出一株产气肠杆菌(Klebsiellamobilis)，认为该菌株MBFs分子中所含阴离子基团较多，并且含有较多的吸附活性基团，所以其絮凝机理与高分子化学絮凝剂类似即以吸附架桥作用为主。朱艳彬等得到的复合MBFsHITM0有效成分为蛋白质、多糖和多肽类物质，絮凝机理包括蛋白质等两性电解质的电中和作用以及蛋白质、多肽、多糖等高分子物质和纤维素等的代谢残留物共有的吸附架桥作用。关于MBFs的絮凝机理较为普遍接受的是“架桥作用"，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；目前，比较流行的学说是离子键、氢键的结合学说，该学说认为：污水中胶体粒子的表面一般带有负电荷，当带有一定正电荷的链状生物大分子絮凝剂或其水解产物靠近胶粒表面或被吸附到胶粒表面上时，将会中和胶粒表面上的一部分负电荷，减少静电斥力，从而使胶粒间能发生碰撞而凝聚，当胶粒足够大的时候，因重力的作用而沉降下来，在适宜条件下，迅速形成网状结构而沉积，从而表现出很强的絮凝能力。 尽管某些絮凝反应可以用离子键、氢键学说很好的解释，但在解释一些实验现象时也遇到了质疑，如张永奎等认为MBFs产生菌Z-67所产絮凝剂MBF-33与高岭土颗粒之间既非离子键结合也非氢键结合。由此可见，关于MBFs的机理很难用一种理论来解释，各种引起絮凝的作用都可能发生。 3.产絮凝剂的微生物种类 最早发现产絮凝微生物的是美国科学家Butter-field在1935年从活性污泥中筛选出来的菌胶团产生菌。20世纪80年代后期，日本的仓根隆一郎等从土壤中筛选到红平红球菌并制成了微生物絮凝剂，对大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、粉煤灰水、活性炭粉水、膨胀污泥和纸浆废水等均有极好的絮凝和脱色效果。此后，美国、英国、日本、葡萄牙、德国、以色列、韩国等国家的科学工作者对产絮凝微生物和MBFs进行了大量的研究工作，并已取得了一系列的研究成果。我国从20世纪90年代起，有关产絮凝微生物及MBFs的报道日渐增多。目前，我国大多采用代谢产物作为MBFs，主要成分为多糖蛋白、粘多糖和纤维素等，产絮凝微生物多来源于土壤、污水或污泥，迄今已发现的产絮凝剂的微生物种类多达几十种以上，以细菌占大多数[9-12]，如土壤杆菌属(Agrobacterium sp.)、芽孢杆菌(Bacillus sp.)、假单胞菌(Pseudomonas sp.)、生枝动胶菌(Zoogolea ramigera)、壳产碱杆菌(Alcaligenes cupidus)、协腹产碱杆菌(Alcaligenes latus)、棒状杆菌(Corynebacteriumbrevicale)、红平红球菌(Rhodococcus rythropolis)等。 4.MBFs的特点及其影响因素 4.1 MBFs的特点 (1)用量少，效率高。同等用量下，它的处理效率明显高于传统絮凝剂，且使用少量MBFs，就能实现大面积污水的净化作用。 (2)安全无毒性。经小白鼠安全试验证明，MBFs完全能用于食品、医药等行业的发酵后处理。 (3)无二次污染。微生物产生的絮凝剂成分复杂多样，且随菌种的不同而不同，到目前为止，已报道的微生物产生的絮凝物质为糖蛋白、粘多糖、纤维素等高分子物质，具有可生降解性，不会带来二次污染。 (4)用途广泛、脱色效果独特。如已研制成功的微生物絮凝剂NOC21是以红平红球菌为主体，在Ca2+存在下，对大肠杆菌、酵母、泥浆水、畜产废水、染料废水等有极好的絮凝和脱色效果。 4.2 絮凝剂形成的影响因素和絮凝效果影响因素分析 微生物絮凝剂形成的影响因素主要与产絮凝剂微生物菌株的生长代谢活性有密切关系，如培养基的组成，碳源、氮源、碳氮比和无机盐组成等，培养条件如通气状况、温度、初始pH等都会影响絮凝剂的产生、数量。因此，在利用菌体生产絮凝剂时应选用最佳产絮凝剂的碳源和氮源以及产絮凝剂最合适的培养条件，应将絮凝剂产生菌的菌体最佳的生长条件和最佳的产絮凝剂条件结合考虑，才能达到理想的效果。 在水处理中影响絮凝效果的主要因素有絮凝剂和助凝剂的投加量、pH值、水温和水力条件等。从理论上来讲，絮凝剂的投加量存在一个最佳值，这也可由实验得到证明；助凝剂如一定浓度的Ca2+、Fe3+和Al3+离子对微生物絮凝剂功效的发挥具有重要作用； pH值对絮凝剂活性的影响主要是由于酸碱度的变化而影响微生物絮凝剂和悬浮颗粒表面电荷的性质、数量及中和电荷的能力；不同的絮凝剂对pH值的变化敏感程度不同，同一种絮凝剂对不同的被絮凝物有不同的初始pH值要求；絮凝效果不仅取决于絮凝剂的性质，而且与目标物有关。 5.微生物絮凝剂的研究现状 目前，对微生物絮凝剂的研究，分离、筛选的产MBFs菌株多达几十种，对MBFs的组成、絮凝机理、絮凝特性及应用做了大量的研究工作，证明MBFs对多种废水、污泥的絮凝效果显著。但研究工作主要处于实验室水平，降低MBFs生产成本，掌握生产MBFs的培养规律是大规模工业化生产的关键。针对这种情况，有些学者采用了多种废水培养产絮凝微生物[16-17]，优化培养基配方的手段；已有研究者对MBFs如絮凝机理、菌种的遗传特性、工程菌的组建等方面进行深人研究，取得了可喜的成绩。如中国科学院微生物研究所酵母分子遗传与育种研究组近十年来对酵母菌絮凝机理、絮凝基因的克隆及其在啤酒酵母、面包酵母中的表达进行了系统研究[19-23]，并首次克隆到具有生产价值的新絮凝基因，展示出广泛的应用前景。 周杰等人从污水处理厂活性污泥中筛选出有絮凝活性的细菌2-052，在优化培养基中，其发酵液对4g/L高岭土悬液的絮凝活性可达93.2%，对活性炭、土壤、酵母等固体颗拉悬液的絮凝活性分别达到95.1%、80.4%和72.4%。葛旭萌等研究者对自絮凝酵母颗粒的在线检测与定量表征进行了探索性研究，于皓对采用JW-2菌株所产MBFs预处理养猪场废水，养猪场废水中COD与SS的去除效果优于FeCl3和Al2(SO4)3无机絮凝剂，可以缩短处理周期，提高处理效果，同时不产生二次污染。吴涓等人筛选了具有高效絮凝活性的菌株所产的絮凝剂对次甲基兰溶液的脱色能力不仅很强而且很快，对浓度为10mg/L的次甲基兰溶液，2min内脱色率已达96.9%，10min时脱色率可达98%以上，脱色效果优于无机絮凝剂Al2(SO4)3和有机絮凝剂聚丙烯酰胺，展现出良好的应用前景。广东工业大学的刘立凡等人对青霉菌株HHE-P7的研究表明，其能够分泌对高岭土悬浊液具有高絮凝活性的胞外多聚物MBF7，MBF7由磷酸根、氨根、羟基和羧基等活性基团组成，此微生物絮凝剂分子量大约在3×105Da，HHE- P7所产微生物絮凝剂具有较好的热稳定性，絮凝效果受到高岭土悬浊液pH、微生物絮凝剂及Ca2+投加量等因素的影响。柯芝兰等人对高效絮凝剂产生菌B212进行了培养基成分和培养条件的正交实验研究，在最适培养条件下，培养42h产生的絮凝剂对高岭土悬液的絮凝率可达到92.5%。潘多涛等人筛选得一株产絮凝剂的细菌XMX21，从发酵液离心后的上清液中获得絮凝剂粗产品7.685 g/L，是以多糖为主的高分子絮凝剂，多糖含量为77.87%，通过对模拟洗煤废水的应用研究表明，其处理实际洗煤废水中的前景是可观的。很多研究者在廉价培养基的选择上做出了有益的尝试，以降低MBFs的生产成本，为MBFs实现工业化生产奠定基础。 6.应用前景展望 微生物絮凝剂在实际中的应用主要有以下几方面： (1)用于城市生活污水处理中污泥沉降性能的改善。在膨胀污泥中加入生物絮凝剂能有效地消除污泥膨胀状态，使污泥容积指数快速下降，恢复污泥活性，提高污泥脱水率[31-33]。 (2)废水中悬浮颗粒的去除，如MBFs可用于高岭土、泥水浆、粉煤灰等水样的处理[34-36]。 (3)高浓度有机废水处理。畜产废水中含较高浓度的TOC和总氮，采用合成高分子絮凝剂处理存在二次污染，采用MBFs处理后，TOC、浊度均有显著降低；染料分子难以生物降解，一般的化学絮凝剂效果不佳，而用微生物絮凝剂进行印染公司的靛蓝废水处理、处理焦化外排废水、城市生活污水处理可达理想目标。 (4)食品废水处理。食品的废水中往往会有多种可利用成分，需要回收再利用，可利用某些废水产生絮凝剂[4、17-18]，用于处理水产废水，达到以废治废，变废为宝的效果。用微生物絮凝剂处理小麦淀粉废水[39-40]，小麦淀粉废水的COD去除率可达56%，浊度去除率可达84%；微生物絮凝剂用于给水处理的试验研究表明浊度和CODMn的去除率可分别达到85.5%和41%，并且对水体中藻类的去除率可以达到60.6%，对该絮凝剂动物急毒性试验表明小白鼠无急毒反应，在给水处理中具有很好的应用前景。 (5)发酵液后处理。发酵液常常呈现胶体状态，给过滤带来困难，添加MBFs可有效地实现发酵液中微生物的细胞分离。此外，MBFs还可广泛应用于城市污水、医院污水、石化废水、造纸废液、制药废水等多方面的处理过程中。关于微生物絮凝剂的研究的内容多集中于自然界中絮凝剂的筛选、絮凝特性的分析等，而对各菌株产生絮凝剂的机制及絮凝剂的主要成分的探讨相对较少；产絮凝剂微生物的培养条件研究不足，对大规模培养产絮凝微生物与絮凝剂产量的影响因素了解较少，MBFs絮凝机理的研究不够深入，与各种废水的作用机制尚不清楚，与工业生产的要求差距较大；难以确定MBFs在水处理中的最适作用水质。 当前的研究重点是尽快将MBF推广应用到实际中去，实现MBFs的大规模推广，关键是要提高生产效率、降低成本、拓宽适用范围和使用效率。今后的研究工作可能集中在以下几方面展开： (1)继续从各角度研究微生物的絮凝机理仍将是各国科学工作者研究的热点。 (2)在微生物发酵中，诱导和利用自絮凝菌株实现微生物的高浓度培养，以提高目标产物的浓度，优化运行条件、探索新工艺新方法。寻找物美价廉的微生物絮凝剂培养基与培养条件的研究，实现连续发酵也是今后微生物絮凝剂应用研究的一个方向。 (3)在生物发酵产品的后提取中，针对具体的微生物发酵液体系，选择合适的絮凝剂进行絮凝预处理，从而改善其固液分离性能，以利于产品的进一步提纯，这将会大大降低后提取的成本，带来可观的经济效益；研究微生物絮凝剂与其它絮凝剂的配合使用，发挥互补作用，不但可提高絮凝效率，而且还可降低投加量。 (4)从分子生物学的角度深入研究，运用基因工程和生物技术定向选育高絮凝活性、高降解能力的工程菌将是其发展的方向之一。