微生物絮凝剂及其在环境保护中的应用

微生物絮凝剂及其在环境保护中的应用

张彤,林哲 环境工程系、华东科技大学、上海 200237,中国

朱怀兰 环境科学系、华东师范大学、上海 200062,中国、 摘要：微生物絮凝剂是一种天然生物高分子材料,具有广阔的应用前景，将用于发酵工业和废水处理中，它已经在许多国家得到深入研究,如美国、日本。该论文介绍了微生物絮凝剂基础研究和应用的发展，包括微生物絮凝剂的产生、微生物絮凝剂的化学组成成分，微生物絮凝剂的絮凝机理、微生物絮凝剂絮凝效果和影响因素，及其产生的培养条件，同时也对微生物絮凝剂的应用状况也进行了讨论。 关键词:微生物、絮凝剂、絮凝。

1介绍

大量不同种类的絮凝剂已经使用在废水处理、疏浚下游处理和一些工业领域包括发酵过程。这些絮凝剂一般可以分为三组,如下：(1)无机絮凝剂、像硫酸铝和聚乙烯氯化铝(PAC)； (2)有机合成高聚物:聚丙烯酸和其他等；(3)天然絮凝剂:壳聚糖和微生物絮凝剂。在这些絮凝剂中，有机高聚合成絮凝剂是最为常用的,因为它们都是很划算的,且有很好的效果。同时它们的使用最近正在增加，但应指出这些合成单体絮凝剂不仅是神经毒物而且是强烈的致癌物质(Vanhorick,1983

分;Dearlfield,1988)。有很大必要产生高效同时可降解的安全絮凝剂，这种絮凝剂有很少或根本没有对水中生物体和废水处理中除了发酵和食品等行业以外的毒性反应。三十年,微生物絮凝剂引起来自许多国家的研究学者的广泛关注如美国,;(Shilo 1982，chen 1992;, , Misra 1991 1993);,日本(Kurane,1976,;;Kakii 1985 Tamura(1986),英国(摩根,1990),芬兰(Hantula,1991;1991),法(Guirand,1992),德国(莱因赫,1989分;Dube,1992年),波特兰(索萨,1992),韩国(Seo,1993分;金,1993分;越南、1996),以色列(Bar-Or,1987年,利维,1990;1992),巴西(Fumio,1991),中国(黄,1990;王,1994)等等，他们的研究结果表明,通过青霉菌产生的微生物絮凝剂(Takagi, 1985a)比其他自然产生的絮凝剂有几个优点。它还可能以一个低成本大规模生产率生产，理由如下:(1)在廉价的培养基上高速增长(2不用担心细菌污染,因为它很难提供微生物生长使用所需要的基质，(3)简单的产品提纯工。

该文综述了微生物絮凝剂的开发研究和应用包括微生物絮凝剂的生产、化学组

成成分,絮凝机理,絮凝效果及其影响因素,以及微生物絮凝剂的影响条件和在环境污染治理的应用状况。

2 微生物絮凝剂的生产

许多种微生物包括细菌、真菌、放线菌、酵母菌和蓝细菌被发现应用于生产微生物絮凝剂，它们中的一些都列在表1中并且这些微生物广泛分布于土壤和水中， 通过这些微生物产生的微生物絮凝剂不仅可以应用在废水处理和改善活性污泥的处理中而且应用在微生物发酵行业的分离工艺中，生产微生物絮凝剂的微生物见表1：

-------------------------------------------------------------------------------------- 微生物 成分 参考文献

-------------------------------------------------------------------------------------- 细菌

红球菌 蛋白质 (Kurane, 1986b; 1992; 1991b; 1988a; 1989a; 1986a) 产碱杆菌 (Kurane, 1991a)

产碱杆菌属 多聚糖 (Toeda, 1991; Kurane, 1989b) 类产碱杆菌 (Shimizu, 1985) 棒状杆菌 多糖 (Zajic, 1971) 芽孢杆菌 蛋白质

草分枝杆菌 (Nakamura, 1976a)

暗胞菌属 (Kurane, 1986b; Takeda, 1991)

草分枝杆菌 (Misra,1991; Chen, 1992; Dube, 1992; Misra, 1993) 假单胞杆菌 Mucopolysaccharide (Tago, 1977) 绿胧杆菌 (Nakamura, 1976a)

发光假单胞菌属 (Nakamura, 1976a)

芽孢杆菌属 谷氨酸 (Seo, 1993; Kim, 1993; Yokoi, 1995) 乳酸菌 (Reinhard, 1989) 发酵乳杆菌属 蛋白质 (Fumio, 1991)

黄质菌属 蛋白质 (Endo, 1976; Hantula, 1991a) 枯草芽孢杆菌 (Nakamura, 1976a)

金黄色葡萄球菌 (Nakamura, 1976a) 动胶菌属 (Krul, 1977) 马克斯克鲁维酵母菌 多聚氨酸 (Saito, 1990) 西冷克吕沃尔菌 (Kakii, 1990) 放线菌

诺卡氏菌 蛋白质 (Nakamura, 1976a) 限定诺卡氏菌 (Kurane, 1986b) 氧化钙诺卡氏菌 (Kurane, 1986b) 昆虫诺卡氏菌 (Kurane, 1986b) 链霉菌 (Nakamura, 1976a)

灰色链霉菌 (Nakamura, 1976a) 真菌

正青霉菌 (Nakamura 1976a)

卷霉菌属 (Nakamura, 1976a) 红曲霉菌 (Nakamura, 1976a)

白地丝菌属 (Nakamura, 1976a) 粪生壳亮菌 (Nakamura, 1976a)

拟青霉属 多聚糖 (Takagi, 1985a; 1985b; 1985c) 曲霉属真菌 聚氨基己糖 咖啡豆发酵菌属 (Nakamura, 1976a)

寄生曲霉菌属 (Nakamura, 1976a; Hayashi, 1976) 曲霉菌 (Nam, 1996) 异常汉孙氏菌 蛋白质 (Saito, 1990) 酿酒酵母 多肽 (Saito, 1990)

酵母菌 (Guirand, 1992) 藻类

真菌 蛋白质 (Shilo, 1982; Fattom, 1990; Sulphated heteropolysaccharide Bar-Or, 1987)

项圈杆菌 糖类 (Bar-Or, 1987) 衣藻 (Takagi, 1985) 眉藻属 (Bar-Or, 1987)

3 微生物絮凝剂的化学成分

真菌絮凝剂是一种含有多酸类和蛋白质的复合型的多糖类絮凝剂 (Bar-Or,1987)，这种多糖主要是由戊单糖，甘露糖和半乳糖组成，一种状环絮凝剂也是一种含有酮酸多糖残留物但是没有强酸，蛋白质,但没有脂肪酸相关的絮凝剂(Bar-Or,1987)。由ASP产生的絮凝剂由20.9%氨基半乳糖、0.3%葡萄糖、35.3% 多氨酸和含量达到27.5%蛋白质组成(Kurane,1976 b)。由产碱杆菌产生的微生物絮凝剂中的糖类为葡萄糖，半乳糖和葡萄糖醛酸（分子量：34:5.55:1.0） (Toeda, 1991).然而不是所有由微生物产生的多糖都有絮凝活性，例如，仅有百分之十的由假单胞菌属产生的多糖显示具有絮凝活性(Tago, 1977). 分相当的少(Koizumi,1991)研究结果黄杆菌属显示出它的絮凝剂对链霉蛋白酶有敏感作用(Endo,1976),它被证明后一个絮凝剂的影响因素是一种140-KDA蛋白(Endo,1980)。微生物絮凝剂固定生产是一个由N.amarae YK1超过3个物质的混合生产,但单独分解的能力并不显示出絮凝活性(Koizumi 1991)。这个片段的主要组成部分是缩氨酸和氨基乙酸（25.6%）丙氨酸(13.8%)和丝氨酸(12.3%),这种成分相当的少(Koizumi,1991)研究结果黄杆菌属显示出它的絮凝剂对链霉蛋白酶有敏感作用(Endo,1976),它被证明后一个絮凝剂的影响因素是一种140-KDA蛋白(Endo,1980)。其他研究人员(Kurane,1988 a)发现红球菌的絮凝活性在15分钟后沸腾处理降低、同时黄色蛋白质和蒽酮对红球菌的絮凝活性具有良好的作用，结果显示了红球菌的絮凝要求有蛋白质的部分才有絮凝活性。

有时候不止一部分蛋白质对絮凝活性有用，这种曲霉菌产生的絮凝剂有三个(Kurane,1986 b)组成：20.9%的氨基，35.3%的半乳糖的和27.5%的酸性蛋白(Kurane,1992)。 己酸在聚合物中发挥了重大作用,在微生物絮凝剂中助于部分相对分子质量增大蛋白质絮凝剂,并赋予它2-ketogluconic酸球形状(Kurane,1986 b)。 基于这些研究的结果,它可能会被吸引的是大多数微生物絮凝剂是由微生物在代谢过程中产生的多糖(Unz,1976;Tago,分;Takagi,1985 c,1985 b;Bar-Or,1987;Toeda》(1991)和一小部分是蛋白质或多肽(Saito,,1990;Hantula,1991;Fumio，1991)。有时包含多糖和蛋白质(或多肽)(Zajic,1971;Nakamura,1976 b,c,Bar-Or;1987)。这种微生物絮凝剂的成分没有随着影响条件的变化和介质的构成

尽管人们普遍认为细胞壁多糖和蛋白质的介入会对絮凝剂产生牵连,不具体

的官能团直接受其牵连。大多数作者指出,大多数羧基组织在絮凝剂中发挥重要的作用（Susa,1992), 其他的人则认为是磷酸基在发挥作用(Lyons,,1970)。对于马克斯克鲁维酵母,沉降量减少在与酸磷酸盐培养后,表明磷酸基在絮凝中起重要作用(Sousa,1992)。这也证实了由较大的磷酸盐组织在细胞壁中的压力比不是较大磷酸基组织的要大（Teixeira, 1989）.

4微生物絮凝剂的絮凝机理

从电位和等温吸附线测量中,得出絮凝过程是以架桥机理和静电机理为基础

(Levy,,1992)。其他的研究结果也表明，架桥机理对于微生物絮凝剂絮凝非常重要(Toeda,1991)。对于纯培养的啤酒酵母的絮凝,被公认为的是一个特定的细胞粘连,以蛋白质，像分子一样的凝集素束缚于相邻细胞中的碳水化合物。从突变得来的酵母细胞的絮凝剂的絮凝同样可以解释在分立的细胞和成直线高分子一个三维的模型聚合物链能够安置静态条件的架桥现象。由拟青霉菌产生PF-1絮凝剂中的聚半乳糖， 吸附阴离子微粒且中和它们的电位,在一个稳定的絮状物和沉淀物中可能形成分子间的作用力的架桥作用(Takagi,1985年)。几个带负电荷的多聚糖使细菌、酵母、和土壤部分分离被熟悉是能够絮凝悬浮粘土通过吸收它们邻近的表面经阳离子桥作用的带负电荷的粘土颗粒(Bar-Or,1987)。这种聚合物的有效性取决于分子的长度的数目，位管长，电荷基团,即电荷密度。这些因素一定程度上决定了内部颗粒间的架桥

作用。 这也是说,高岭土群由高岭土的颗粒和高分子絮凝剂通过反复的对这种非常有利架桥机理形成(Toeda,1991）。

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7微生物絮凝剂的应用

微生物细胞的复原:由红曲霉菌AJ7002产生的复合絮凝剂是否以从发酵液体培养基中去除多孔材料的资格被相关检查。这结果表明从发酵液体培养基中进行微生物细胞恢复或者工业分离使用絮凝剂有较大可能性 (Nakamura, 1976a)。

改善水质:由红曲霉菌AJ7002产生的复合絮凝剂应用于清除微生物活性污泥,相较于其他典型絮凝剂如氯化铁。这种絮凝剂表现了良好的絮凝活性比其他三种不是生物絮凝剂的絮凝剂。(Nakamura,1976)。

畜禽污水处理:由红球菌S-1形成的絮凝剂被用于猪尿液及粪便污水的初级处理。每增加5ml的红球菌液体培养液到100 ml的污水中在十分钟沉淀以后可能会使总有机碳，总氮和需氧量分别从从1420 mg/L,420 mg/L和8.60 mg/L,减小到425

mg/L 215 mg/L ，< 0.02 mg/L。

悬浮物的去除:生产可乐厂的废水包括一种大量非常且好的碳块悬浮物固体颗粒被称为絮状沉淀物。无机絮凝剂聚已被广泛应用于这种可乐废水的初级处理中、,但其处理效率不是很好，A.latus的培养液被作为絮凝剂进行了测试。悬浮固体颗粒在外表上观察被絮凝了。而且在钙离子存在条件中增加百分之二的培养液使絮凝效果更加明显，悬浮于可乐废水中的固体颗粒从70 mg/L下降至80 mg/L (去除率78%)、但在无机混凝剂处理当中仅下降到195 mg/L (去除率47%)(Kurane,1991 a)。

脱色处理:很难通过当前使用絮凝剂如高分子合成絮凝剂从有色废水中去除有色材料。当从一个造纸厂排出的含有细胞培养液和壳聚糖蓝色废水被处理时，脱色效果比为94.6%,比只使用壳聚糖同比增长41%(Kurane,1986)。

油水分离:当未加工的微生物絮凝剂增加了棕榈酸油乳液,一些油滴形成且升到水面。一个可见的油层形成并且可以很容易地分离。在低水层的化学需氧量从450 mg/L下降到最终的235mg/L(Kurane,1986a）。

改进沉降特性:活性污泥通过添加产碱杆菌ATCC8750到活性污泥中的沉降特性提高了，在三十分钟的沉降后，通过添加产碱杆菌ATCC8750的活性污泥的污泥沉降量是35%,而污泥的沉降量的,而没有微生物控制的活性污泥的沉降量是53%。COD去除

速率对这两种污泥是相似的,通过增加微生物将改善沉降性却不会减小有机材料的去除效率 (Shimiziu, 1985）。

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