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。

分子质量对活性也有影响，一般来说，分子质量越大，絮凝活性越高，用蛋白酶处理Aspergillus sojae AJ7002产生的絮凝剂活性有所下降就是由于絮凝剂中蛋白质组分水解引起多聚物分子质量降低而致。

一些特殊基团由于在絮凝剂中充当颗粒物质的吸附部位或维持一定的空间构像，对絮凝剂活性影响很大。

研究表明，用高锰酸钾处理Asp絮凝剂的己糖胺多聚物部分，使其氧化而释放出氧，活性就消失。

处理水体中胶体离子的表面结构与电荷对絮凝效果也有影响，水体中钙、镁离子的存在能显著降低胶体表面的负电荷，促进“架桥”形成。

另外，絮凝剂的加入量对活性也有一定影响，通常有一最佳加入量，过多和过少絮凝剂效果均下降，最佳值大约是固体颗粒表面吸附大分子化合物达到饱和时的一半吸附量，因为这时大分子在固体颗粒上架桥的几率最大。

胶体粒子的表面结构也会对絮凝剂的絮凝效率产生影响。

研究表明，虽然絮凝剂均具有广谱絮凝作用，但是对不同的胶体颗粒表现出不同的絮凝活性。

有人研究了Baker′s酵母细胞的絮凝剂特性，当用半刀豆球蛋白A处理后活性丧失，这是因为豆球蛋白与细胞表面的甘露糖结合，覆盖了细胞表面，阻止了细胞与胶体颗粒的结合。

细胞的年龄对絮凝作用也有影响，在培养早期，絮凝性不好，随着发酵的进行，絮凝活性逐渐增加，这可能是因为细胞年龄影响着细胞壁中的甘露聚糖、葡萄糖和蛋白质组分，从而影响絮凝剂效果。

絮凝过程是胶体颗粒与大分子相互靠近、吸附并形成网状结构的过程，因而大分子与胶体颗粒的表面电荷对絮凝效果有很重要的影响。

体系的pH值直接影响着絮凝剂大分子和胶体颗粒的表面电荷，从而影响着它们之间的靠近和吸附行为。

体系中的离子，尤其是高价异种离子能够显著改变胶体的ζ电位，降低其表面电荷，促进大分子与胶体颗粒的吸附与架桥。

阳离子的影响，特别是Ca2+促进作用的报道很多，研究者在研究Ca2+对环圈项圈藻产絮凝剂絮凝膨润土的影响时发现，Ca2+的加入减少了大分子和悬浮颗粒的负电荷，增加了悬浮颗粒对大分子的吸附量，促进了架桥的形成。

Ca2+不仅可以促进絮凝的形成，而且高浓度的Ca2+可以有效地保护絮凝剂不受降解酶的作用。

但也有报道认为体系中盐的加入会降低絮凝的活性，这可能是由于离子的加入破坏了大分子与胶体之间氢键的形成。

有一种生物絮凝剂的活性受缓冲液离子强度的影响,在高离子强度下，大量离子占据了絮凝剂分子的活性位点，并把絮凝剂分子与固体悬浮颗粒隔开而抑制絮凝［5］。

高温引起生物大分子的变性使其结构和功能破坏，如Kurane 报道S—1生产的含蛋白质的絮凝剂在不密封条件下，在100 ℃下加热1 s后活性下降50%。

有的絮凝剂不含高温变性成分或所含高温变性成分只是对分子质量的贡献，而对高温不敏感。

絮凝的形成是一个复杂过程，“架桥”机理并不能解释所有现象，絮凝剂的广谱活性也证明吸附机理不是单一的。

为了更好地解释机理，需要对特定絮凝剂和胶体颗粒的组成、结构、电荷、构像及各种反应条件对它们的影响进行更深入的探讨。

影响微生物絮凝剂生成的因素细胞生长和EBF生成的关系细胞生长和EBF生成之间的相关关系最早被Mckinney提出，后来Pavoni指出在整个微生物的内源性生长阶段都不会有生物絮凝作用的发生。

结果是EBF的产生发生在某一培养基的生产最后阶段。

Z ramigera培养基，絮凝剂在固定相中生成90小时后结束。