微生物絮凝剂的研究现状及发展趋势

马 放，李淑更，金文标，杨基先
（哈尔滨工业大学市政环境工程学院环境科学与工程系，黑龙江哈尔滨 150090）

　　摘　要：随着环境保护要求的日趋严格、开发无毒、无污染的微生物絮凝剂迫在眉睫。在研究了微生物絮凝剂的结构、性质、分类及特点的基础上，指出了今后微生物絮凝剂的研究方向。
　　关键词：絮凝剂；微生物絮凝剂；水处理
　　中国分类号：X703.5
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009－2455（2002）01－0007－03

Present Conditions & Trend of Studies on Microbial Flocculant
MA Fang, LI Shu-geng, JIN Wen-biao, YANG Ji-xian
(Environmental Science & Engineering Department, Municipal & Environmental Engineering School,
Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

　　Abstract: The requirements for environmental protection are becoming stricter day by day. To develop a microbial nocculant without poisoness and pollution is a matter of great urgency. This paper points out the orien-tation of the MBF researches after it discusses the structure, properties, classification and characteristics of MBF.
　　Key words: flocculant; microbial flocculant; water treatment

　　目前普遍使用的絮凝剂包括无机和有机两大类，但由于存在成本高、絮凝效果有限以及产生的污泥难处理等问题，因此开发新型的絮凝剂迫在眉睫。微生物絮凝剂因其高效、无毒而成为国内外近年来的研究热点课题。但从现有的研究状况看，大都局限于能产生絮凝剂的微生物菌种的筛选，微生物絮凝剂性能的研究，以及小型试验，所以微生物絮凝剂一直未能得到广泛的应用。本文在综述微生物絮凝剂研究现状的基础上，提出了新的设想，以期为微生物絮凝剂的研究探讨新的途径

1 微生物絮凝剂的研究进展

　　尽管在20世纪50年代，人们就发现了能产生絮凝作用的细菌培养液，但真正深人的研究却始于1976年，J.Naknmura等[1]对能生产絮凝效果的微生物进行了研究。从霉菌、酵母菌、细菌、放线菌等214种菌株中筛选出19种具有絮凝能力的微生物，其中霉菌8种，酵母菌1种，细菌5种，放线菌5种，研究较为深人的是Aspergillus Sojae AJ7002^[2]产生的絮凝剂，由此掀起了微生物絮凝剂的研究热潮。
　　1985年H.Takagi等^[3]人研究出了PF101微生物絮凝剂，分子量约为30×10⁴，主要成分是半乳糖胺。它对枯草杆菌，大肠杆菌，啤酒酵母等均有良好的絮凝效果。
　　1986年，Ryuichiro Kurane等^[4]人，采用从自然界分离出的红球菌属微生物Rhodococcus erythropo-lis的S－1菌株，用特定培养基及培养条件，制成絮凝剂NOC－1。并且把它用于畜产废水处理，膨胀污泥处理，砖场生产废水处理，还有废水的脱色处理，都取得了很好的处理效果，被认为是目前发现的最好的微生物絮凝剂。在此之后的研究中，比较有代表性的是1997年Suh.H.－H.等人发现的DP－152絮凝剂[5]，因其是首次发现杆状细菌也能产生絮凝剂。
　　我国对微生物絮凝剂的研究起步较晚，除台湾省的邓德丰等人，从废水处理场的废水中分离到C－62细菌菌株产生的微生物絮凝剂；中科院成都研究所张本兰从活性污泥中分离得到的P.alcaligenes8724菌株产生的絮凝剂和武汉市建设学院康建雄、陶涛用黑酵母以淀粉水解或葡萄糖为原料发酵产生的普鲁兰絮凝剂外，最近邓述波等[6]人从土壤中分离筛选得到硅酸盐芽抱杆菌新变种，该菌产生絮凝剂MBFA9[7]，并把该絮凝剂用于给水处理中，以河水作为絮凝对象，出水浊度降至0.8NTU。但这些研究只停留在实验室研究阶段，并未见工业应用的报道。

2 微生物絮凝剂的结构性质与分类

　　微生物絮凝剂是一类由微生物产生的代谢产物，主要成分有糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和DNA等。它是利用微生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、提取、精制而得到的，具有生物分解性和安全性的新型、高效、无毒、无二次污染的水处理剂。
2.1 结构性质
　　微生物絮凝剂的性质、结构各异，如 Rhodococ-cus erythropolis产生的絮凝剂NOC-1是多糖蛋白；Paecilomyces SP.产生的PF101是由氨基半乳糖以α－1,4键相连而成的分子量3×10⁵道尔顿的粘多糖^[8]。经试验证明，该粘多糖8％的单位是N端乙酰
化的。有的微生物产生的絮凝剂物质结构更复杂，Aspergillus Sojae AJ7002产生的絮凝剂就是由蛋白质、己糖胺、2-葡萄糖酮酸组成的分子量大于2×10⁵的的聚合物。絮凝剂DP－152是一种新型的微生物絮凝剂，来自糖的混合物，包括葡萄糖、甘露糖。半乳糖和岩藻糖，其质量比例约为8：4：2：分子量大约为2×10⁶道尔顿。
2.2 分类
　　根据絮凝剂物质组成的不同，微生物絮凝剂可分为三类[9]：
　　①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。
　　②利用微生物细胞提取物的絮凝剂，如酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和N-乙酸葡萄糖胶等成分均可作为絮凝剂。
　　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，主要是细菌的荚膜和粘液质，除水分外，其余主要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物，其中多糖在某种程度上可作为絮凝剂。

3 微生物絮凝剂的絮凝机理

　　絮凝的机理主要有三种：桥连作用、中和作用和卷扫作用。微生物絮凝剂是带有电荷的生物大分子，这三种机理都可能存在。但主要是前两种，这只是与无机盐絮凝剂相比较而言所得的结论。关于微生物絮凝剂絮凝机理方面的研究提出了不少假说：如Butterfield的粘质假说；Grabtree的利用PHB（Poly－β－hydroxybutyric acid）酯合学说；Friedman的菌体外纤维素纤丝学说等[10]。但这些假说适用范围窄，只能解释部分菌引起的絮凝，因此不为人们所接受。
　　目前，比较流行的学说是离子键、氢键的结合学说。该学说可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。该学说认为；尽管微生物絮凝剂性质不同，但对液体中固体悬浮颗粒的絮凝有相似之处，它们通过离子键、氢键的作用与悬浮物结合，由于絮凝剂的分子量较大，一个絮凝剂分子可同时与几个悬浮颗粒结合。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。

4 微生物絮凝剂的特点

4.1 消除废水处理的二次污染
　　 微生物絮凝剂为微生物菌体或菌体外分泌的生物高分子物质，属于天然有机高分子絮凝剂，它安全无毒，这已被许多实验证明，如微生物絮凝剂MBFA9的急毒试验结果表明：小白鼠一次性吞食1g/kg的该絮凝剂后，体态、饮食、运行等均无异常反应；给小鼠，豚鼠注射R.Erythropolis的细胞及培养液，均不致病。微生物絮凝剂既然是微生物的分泌物，自然不会危害它自身，不会影响水处理效果，且絮凝后的残渣可被生物降解，对环境无害，不会造成二次污染。
4.2 提高净化效果
　　主要是提高对油、无机超微粒子的净化效果及提高脱色效果。目前的除油方法主要集中于生物除油，一般的化学絮凝剂在不同程度上，抑制微生物降解作用的发挥。而微生物絮凝剂则不同，它不但具备絮凝作用，且有降解性能，可提高油的去除效果。在乳化液的油水分离实验中，用Alcaligenues Latus地培养物，可以很容易地将棕榈酸从其乳化液中分离出来，在细小均一的乳化液中即形成明显可见的油滴，下层清液的CODcr去除率达48％，远高于无机絮凝剂和高分子絮凝剂的絮凝效果[11]。从日本的研究工作看，微生物絮凝剂处理畜牧产业废水，瓦场废水均具有较好的净化效果，瓦厂废水主要有胚体废水和釉药废水，投加 NOC-1微生物絮凝剂处理后，废水浊度大幅度下降，可得到几乎透明的上清液，据此，可望提高对无机超微粒子的净化效果。
　　微生物絮凝剂对废水的脱色效果也很显著，如用Alcaligenues latus培养物处理某造纸厂的有色废水时，即可形成肉眼可见的絮凝剂，浮于水面，脱色率为94.6％，而下层清水的透光率几乎与自来水相近^[11]。
4.3 微生物絮凝剂价格较低
　　主要从两方面考虑：①微生物絮凝剂为微生物菌体或有机高分子，应较化学絮凝剂便宜。微生物絮凝剂是靠生物发酵产生的，化学絮凝剂是人工合成的。从生产所用原材料，生产工艺能源消耗等方面考虑，微生物絮凝剂应是经济的，这一点为国内外普遍认同。②微生物絮凝剂处理技术总费用较化学絮凝处理技术总费用低。一般工业废水采用生物处理的技术费用低于化学处理技术的处理费用，前者约为后者的2／３。以印染工业的漂洗水为例，达到二级排放标准，采用活性污泥法处理费用一般为0.3－0.5元／m³。采用化学混凝处理的费用一般为0.7－1.0元／m³。
　　采用微生物絮凝剂处理废水，前面以生物吸附为主，后面以生物降解为主，其过程类似于AB法，其处理费用较目前的化学絮凝处理费用低，大约节约1/3的资金。

5 应用现状及前景展望

　　从目前最好的微生物絮凝剂NOC-1问世，至今已有15a的时间了，而絮凝剂的研究一直未取得突破性的进展。究其原因有二：第一，工作开展的范畴太窄，只停留在菌种筛选和絮凝剂性能的研究上。第二，思路没放开，研究重点只放在微生物絮凝剂本身的开发上，并未进行复合型微生物絮凝剂的研究，从而实现大规模的工业生产和应用。据此，今后工作的开展，重点应放在开发廉价的复合型的微生物絮凝剂。
　　有关文献报道，与氨化合了的甘蔗渣(ABG),鸡毛(GCF)不仅能为微生物提供能源，而且能提供附加底物。在除油试验中，这些物质还可吸附油滴，本身就具有吸附性。若它们和微生物絮凝剂共同开发，应能把微生物絮凝剂的研究推动一大步，且因ABG和GCF的普遍和廉价，进行大规模的工业生产也就成为可能。
　　研究微生物絮凝剂与其它絮凝剂的配合使用，也是微生物絮凝剂发展的另一方向。已有试验表明，二者配合使用，可以互补，不仅可以提高絮凝效率，而且还可降低投加量。
　　目前在水处理领域，都倾向于生物处理。若把水处理工程中的微生物与可产生絮凝作用的微生物配合使用，既可缩短处理流程，也可减少絮凝剂的投加量。

参考文献

　　[1]NaKamura J, Miyashiro S, Hirose Y. Screening, Isolation, and Some properties of microbial cell flocculants[J]. Agric Biol Chem, 1976,40(2):377-383
　　[2] Nakamura J, et al. Purification and chemical analysis of microbial cell flocculants produced by Aspergillus sojae AJ7002[J].Agric Biol Chem,1976,40(3):619-624
　　[3] Thkagi H, Kadowaki K. Flocculant production by peacilomyces sp Taxoruomic studies and culture conditions for production[J]. Agric Biol Chem, 1985,49(11):3151-3157.
　　[4]Kurane R, et al. Screen for and Characteristics of Microbial Floccu-lant[J]. Agric Biol Chem, 1986,50(9):2309-2313.
　　[5]Suh, H-H,et al. Characterication of bioflocculant produced by Bacillus sp DP-152[J].Journal of Fermentation and Bioengineer-ing,1997,84(2):108-112.
　　[6] 邓述波，胡筱敏等，高效生物絮凝剂的培养条件及特性[J].东北大学学报，1999，20（5）：525-528
　　[7]邓述波，余刚，等，微生物絮凝剂在给水处理中的应用研究[J].中国给水排水，2001，17（2）：5-7.
　　[8]Takagi H,et al. Purification and chemical Properties of a Flocculant Produced by Paecilomyces[J].Agric Biol Chem, 1985,49(11):3159-3164.
　　[9]吴健，戴桂馥，微生物细胞的絮凝与微生物絮凝剂[J].环境污染与防治，1991，16（6）：27-29
　　[10]（日）有马启等，生物净化环境技术[M].北京：化学工业出版社，1980.
　　[11] Kurane R, et al.Microbial Flocculation of Waste Liquids and Oil Emulsion by a Bioflocculant from Alcaligenes latus[J].Agric Biol Chem,1991,55(4):1127-1129

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　　作者简介：马放(1963-),男，辽宁铁岭人，副教授，硕士研究生导师，主要从事环境微生物学及环境生物技术方面的教学与科研。