朱曉江¹，尹雙鳳²，桑軍強³
(1.深圳市天健化學工業清洗有限公司，廣東深圳518034；
2.清華大學化學系，北京100084；3.清華大學環境科學與工程系，北京100084)

　　摘　要：綜述了微生物絮凝劑的研究發展、絮凝的機理及其在水處理中的應用，并預示了今后微生物絮凝劑領域的研究將出現的幾個重要發展方向。
　　關鍵詞：微生物絮凝劑；絮凝機理；水處理
　　中圖分類號：X17
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1000-4602(2001)06-0019-04

　　微生物絮凝劑就是利用生物技術，從微生物或其分泌物提取、純化而獲得的一種安全、高效、且能自然降解的新型水處理劑，包括糖蛋白、多糖、纖維素、蛋白質和DNA等［1］。由于微生物絮凝劑可以克服無機高分子和合成有機高分子絮凝劑本身固有的缺陷，既可生物降解又安全可靠，最終實現無污染排放，因此越來越受到關注。

1　微生物絮凝劑的研究進展

1.1產生絮凝劑的微生物種類
　　具有分泌絮凝劑能力的微生物稱為絮凝劑產生菌，至今發現的具有絮凝性的微生物已經超過17種，包括霉菌、細菌、放線菌和酵母菌等［2］(見表1)。最早發現的絮凝劑產生菌是Butterfield于1935年從活性污泥中篩選得到的，至今最具代表性的微生物絮凝劑有以下三種：Nakamura J發現的醬油曲霉(Aspergillus sojae)產生的絮凝劑AJ7002；Takagi H用擬青霉素(Paecilomyces sp.I—1)產生的微生物絮凝劑PF101，它對枯草桿菌、大腸桿菌、啤酒酵母、血紅細胞、活性污泥、硅藻土、纖維素粉、活性炭、氧化鋁等有良好的絮凝效果；Kurane利用紅平紅球菌(Rhodococcus erythropolis)研制成功微生物絮凝劑NOC—1，對大腸桿菌、酵母、泥漿水、河水、粉煤灰水、活性炭粉水、膨脹污泥、紙漿廢水等均有極好的絮凝和脫色效果，是目前發現的最好的微生物絮凝劑。

表1　具有絮凝性的微生物種類^［2］ Alcaligenes cupidus協腹產堿桿菌 Nocardin rhodnii紅色諾卡氏菌 Aspergillus sojae醬油曲霉 Paecilomyces sp.擬青霉屬菌 Aspergillus ochraceus棕曲霉 Pseudomonas aeruginosa銅綠假單胞菌 Aspergillus parasiticus寄生曲霉 Pseudomonas fluorescens熒光假單胞菌 Brevibacterium insectiohilium嗜蟲短桿菌 Pseudomonad faecalic糞假單胞菌 Brown rot fungi棕腐真菌 Rhodococcus erythropolis紅平紅球菌 Corynebacterium brevicale棒狀桿菌 Schizosaccharomyces pombe粟酒裂殖酵母 Geotrichum candidum白地霉 Slaphytococcus aureus金黃色葡萄球菌 Monacus anks赤紅曲霉 Streptomyces grisens灰色鏈霉素 Nocardin restricta椿象蟲諾卡氏菌 Streptomyces vinacens酒紅色鏈霉素 Nocardin calcarea石灰壤諾卡氏菌 White root fungi白腐真菌

1.2 微生物絮凝劑的性質及制取
　　Mckinney發現了積累在細胞外的多糖類物質和細菌絮凝作用之間的關系，隨后Buch、Pavoni也從廢水中發現了絮凝物質。一般來說，微生物產生的絮凝物質的分子質量多在1×10⁵以上，如Sakka的Pseudomonas sp.C—120產生的絮凝物質是分子質量＞2×10⁶的天然雙鏈DNA。
　　不同的絮凝劑產生菌產生絮凝劑的條件不同，主要影響因素為培養基的碳源、氮源、培養溫度、初始pH值、通氣速度等。如產多糖蛋白類絮凝劑的Rhodococcus erythropolis的最適碳源為葡萄糖、果糖等水溶性糖類，最適氮源為尿素和硫酸銨。而Paecilomyces sp.I—1的最適碳源為淀粉，最適氮源為多肽和酪胺酸。培養基的初始pH值對微生物產生絮凝劑有影響，最適宜的pH值一般為中性到偏堿性，并且在培養過程中pH有一個先上升后下降再穩定的過程。在培養過程中，最適宜的溫度為25～30 ℃左右，溫度太低會使菌體活性降低、生長減慢，溫度太高會使菌體產生的絮凝劑活性較低。另外，培養基中陽離子種類及濃度對微生物產生絮凝劑也有影響，Sakka等人觀察到Ca2+對酵母菌產生絮凝劑有誘導作用。在有些情況下，通氣量對細菌的生長及產絮凝劑的能力是一個不可忽略的影響因素，培養初期大量通氣，一方面滿足了生物生長的需求，另一方面也能防止菌體絮凝成較大的顆粒。
　　從發酵液中提取和純化微生物絮凝劑的方法有多種，一般采用抽濾或離心的方法去除菌體，然后根據發酵液的組分及絮凝物質的種類、性質而采用乙醇、硫酸銨鹽析、丙酮、鹽酸胍等沉淀獲得。對于結構較為復雜的絮凝劑的提取，則需用酸、堿或有機溶劑反復溶解、沉淀以得到粗品。絮凝劑的純化一般采用將粗品溶于水或緩沖溶液中，通過離子交換、凝膠色譜純化，也有把粗品溶解、去除不溶物、透析純化的。
1.3　絮凝劑產生菌的基因控制
　　絮凝劑產生的基因控制是一個復雜的過程，涉及定位基因與抑制基因的相互作用、定位基因的表達、絮凝劑的合成和分泌等。目前人們只對某些細菌、酵母菌中與絮凝有關的基因及其產物、絮凝微生物細胞壁的成分、結構進行了研究，以期揭開微生物產生絮凝劑的機制。目前至少發現了14個絮凝基因，據報道,FL01、FL05、FL08、tupl都是定位于染色體上與絮凝有關的基因。FL01和FL05絮凝基因都在1號染色體上，FL08在3號染色體上，這三個絮凝基因分子克隆已獲成功。FL05絮凝基因有顯性表達絮凝性的功能，但其表達受到親株細胞結合型(MAT)遺傳信息的控制。由FL05絮凝基因構建出的新菌株所分泌的絮凝素成分不同于FL01，FL05不會因所在的染色體遭到破壞而失活，但是對熱處理敏感，FL01絮凝基因正好與此相反
。FL05表達產物對糜蛋白酶穩定，FL01表達產物卻易被糜蛋白酶降解。FL08/f10的表達受MATa/MATa的抑制。
　　Saito等人的研究表明，絮凝微生物與絮凝劑產生菌之間有一定關系。他們用蛋白酶K處理絮凝微生物的細胞壁，從細胞壁上切下一個使絮凝微生物細胞對懸浮細胞絮凝起主要作用的蛋白質，但該蛋白如何在菌體內形成，怎樣在細胞壁上定位以及它與菌分泌出胞外的絮凝劑分子在形成機制上有何相似之處尚不清楚。
　　Kakka等人發現絮凝能力是微生物非必需的，從絮凝菌中得到的非絮凝突變子在生長程度、形態、生理上與絮凝親本均相同。Henry報道了一株由質粒控制絮凝性狀的細菌，質粒消除后絮凝能力喪失，菌生長良好。而王鎮等［1］報道了其所篩選的四種絮凝劑產生菌均不含質粒，因而認為產生絮凝性的性狀不是由質粒控制的。

2　微生物絮凝劑的絮凝機理

　　關于微生物絮凝劑的作用機理先后提出過很多學說，如Butterfield的粘質假說，Grabtree的PHB(poly-β-hydroxybutyric acid)酯合學說，Friedman的菌體外纖維素纖絲學說等。目前較為普遍接受的是“橋聯作用”機理，該機理認為絮凝劑大分子借助離子鍵、氫鍵和范德華力，同時吸附多個膠體顆粒，在顆粒間產生“架橋”現象，從而形成一種網狀三維結構而沉淀下來。該學說可以解釋大多數微生物絮凝劑引起的絮凝現象，以及一些因素對絮凝的影響并為一些實驗所證實。例如Levy等人以吸附等溫線和ζ電位測定表明，環圈項圈藻PCC—6720所產絮凝劑確實是以“橋聯”機制為基礎的。電鏡照片顯示的聚合細菌之間由細胞外聚合物搭橋相連，正是這些橋使細胞喪失了膠體的穩定性而緊密地聚合成凝聚體在液體中沉淀下來［3］。
　　絮凝劑的分子結構、形狀、分子質量和所帶基團對絮凝劑的活性有影響。大分子上要有線形結構，如果分子是交聯的或支鏈結構，其絮凝效果就差［4］。分子質量對活性也有影響，一般來說，分子質量越大，絮凝活性越高，用蛋白酶處理Aspergillus sojae AJ7002產生的絮凝劑活性有所下降就是由于絮凝劑中蛋白質組分水解引起多聚物分子質量降低而致。一些特殊基團由于在絮凝劑中充當顆粒物質的吸附部位或維持一定的空間構像，對絮凝劑活性影響很大。研究表明，用高錳酸鉀處理Asp絮凝劑的己糖胺多聚物部分，使其氧化而釋放出氧，活性就消失。處理水體中膠體離子的表面結構與電荷對絮凝效果也有影響，水體中鈣、鎂離子的存在能顯著降低膠體表面的負電荷，促進“架橋”形成。另外，絮凝劑的加入量對活性也有一定影響，通常有一最佳加入量，過多和過少絮凝劑效果均下降，最佳值大約是固體顆粒表面吸附大分子化合物達到飽和時的一半吸附量，因為這時大分子在固體顆粒上架橋的幾率最大［4］。
　　膠體粒子的表面結構也會對絮凝劑的絮凝效率產生影響。研究表明，雖然絮凝劑均具有廣譜絮凝作用，但是對不同的膠體顆粒表現出不同的絮凝活性［1］。有人研究了Baker′s酵母細胞的絮凝劑特性，當用半刀豆球蛋白A處理后活性喪失，這是因為豆球蛋白與細胞表面的甘露糖結合，覆蓋了細胞表面，阻止了細胞與膠體顆粒的結合。細胞的年齡對絮凝作用也有影響，在培養早期，絮凝性不好，隨著發酵的進行，絮凝活性逐漸增加，這可能是因為細胞年齡影響著細胞壁中的甘露聚糖、葡萄糖和蛋白質組分，從而影響絮凝劑效果。
　　絮凝過程是膠體顆粒與大分子相互靠近、吸附并形成網狀結構的過程，因而大分子與膠體顆粒的表面電荷對絮凝效果有很重要的影響。體系的pH值直接影響著絮凝劑大分子和膠體顆粒的表面電荷，從而影響著它們之間的靠近和吸附行為。體系中的離子，尤其是高價異種離子能夠顯著改變膠體的ζ電位，降低其表面電荷，促進大分子與膠體顆粒的吸附與架橋。陽離子的影響，特別是Ca2+促進作用的報道很多，研究者在研究Ca2+對環圈項圈藻產絮凝劑絮凝膨潤土的影響時發現，Ca2+的加入減少了大分子和懸浮顆粒的負電荷，增加了懸浮顆粒對大分子的吸附量，促進了架橋的形成。Ca2+不僅可以促進絮凝的形成，而且高濃度的Ca2+可以有效地保護絮凝劑不受降解酶的作用。但也有報道認為體系中鹽的加入會降低絮凝的活性，這可能是由于離子的加入破壞了大分子與膠體之間氫鍵的形成。有一種生物絮凝劑的活性受緩沖液離子強度的影響,在高離子強度下，大量離子占據了絮凝劑分子的活性位點，并把絮凝劑分子與固體懸浮顆粒隔開而抑制絮凝［5］。高溫引起生物大分子的變性使其結構和功能破壞，如Kurane報道S—1生產的含蛋白質的絮凝劑在不密封條件下，在100 ℃下加熱1 s后活性下降50%。有的絮凝劑不含高溫變性成分或所含高溫變性成分只是對分子質量的貢獻，而對高溫不敏感。
　　絮凝的形成是一個復雜過程，“架橋”機理并不能解釋所有現象，絮凝劑的廣譜活性也證明吸附機理不是單一的。為了更好地解釋機理，需要對特定絮凝劑和膠體顆粒的組成、結構、電荷、構像及各種反應條件對它們的影響進行更深入的探討。

3　微生物絮凝劑在水處理中的應用

　　與有機或無機合成高分子絮凝劑相比，微生物絮凝劑具有絮凝范圍廣、活性高、安全無害、不污染環境等特點，而且作用條件粗放，大多不受離子強度、pH值及溫度的影響［1、6］，因此可以廣泛應用于給水和污水處理。
　　①畜產廢水的處理［7］
　　畜產廢水是含BOD較高的難處理有機廢水，采用合成有機絮凝劑雖然有較好的效果，但存在二次污染。豬糞尿廢水采用NOC—1加Ca2+處理10 min后，廢水的上清液變成幾乎透明的液體，廢水中的TOC由處理前的8 200 mg/L變為2 980 mg/L，去除率達63.7%，OD660由處理前的15.7變為0.86，濁度去除達94.5%。
　　②可消除污泥膨脹［7］
　　不少工業廢水在采用活性污泥處理過程中，形成的活性污泥容易發生膨脹，從而影響處理效率，若添加微生物絮凝劑，會取得良好效果。如甘草制藥廢水生化處理過程中形成的膨脹性污泥，當在其中添加NOC—1微生物絮凝劑后，污泥的SVI很快從290下降到50，消除了污泥的膨脹，恢復了活性污泥的沉降能力。
　　③建材廢水的處理［8］
　　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，例如陶瓷廠廢水，主要包括胚體廢水和釉藥廢水兩種，前者主要含有較多的粘土顆粒，后者除含粘土顆粒外，還有相當數量的釉藥。當添加NOC—1后5 min，胚體廢水的OD從原來的1.4降低到0.043；釉藥廢水的OD660從17.2下降到0.35；濁度去除率分別為96.6%和97.9%，可得到幾乎透明的上清液。
　　④廢水的脫色［8、9］
　　現今的活性污泥法技術除去廢水中的BOD并非難事，但對于脫色幾乎還沒有特效的方法，特別是對于那些可溶性色素很難處理，而采用微生物絮凝劑NOC—1，對墨水、糖蜜廢水、造紙黑液、顏料廢水等進行的試驗表明，處理后上清液變為無色透明。辛寶平用P.alcaligenes 8724菌株產生的絮凝劑在實驗室對紙漿黑液和氯霉素等顏色較深的廢水進行脫色處理，其脫色率分別達95%和98%以上。
　　⑤給水處理［10］
　　鄧述波等人利用含有糖醛酸、中性糖和氨基糖的多糖絮凝劑處理河水，相比于海藻酸鈉、明膠絮凝劑而言，絮團大、沉降快、上清液濁度低，而且處理后COD值最小。

4　結語

　　微生物絮凝劑的研制和開發應用方興未艾，其特性和優勢為水處理技術的發展展示了一個廣闊的前景，決定了它在污水處理等眾多領域有很大的應用潛力。微生物絮凝劑將可能在未來取代或大部分取代傳統的無機高分子和合成有機高分子絮凝劑。今后微生物絮凝劑領域的研究將出現幾個重要的發展方向：
　　①利用現代分子生物學技術把獲得的高效絮凝基因轉化到一些有一定可應用酶活化或能降解污染物的微生物中，組建工程菌，找出微生物絮凝劑的最佳應用場所，既明顯地提高絮凝效果，還可以大大降低絮凝劑的投加量，從而降低處理成本。
　　②優選原料和優化生產路線，降低微生物絮凝劑生產成本。例如在NOC—1的培養基中，作為氮源的酵母浸膏價格比較貴，占NOC—1生產成本的80%。人們研制出用豆餅、水產廢水和牛血取代酵母浸膏后，培養基的價格下降了2/3以上。另外有些絮凝劑產生菌還能以自然界中或人工合成的高分子物質作為培養基碳源，如Corynebacterium hydrocarboclastus可利用煤油生長并產生絮凝劑。
　　③從天然植物中提取出能釋放激素的生物絮凝劑，如高等海藻和蘆薈。
　　④將酶和激素等促進微生物生長的物質加載到常規絮凝劑上，實現生化與絮凝處理的有機結合，以期在保證出水水質的前提下，縮短生化系統啟動和廢水在生化系統的停留時間，從而將微生物絮凝劑拓展到概念更廣的生物絮凝劑研究范疇。
　　就我國的微生物絮凝劑的研究而言，起步晚，層次低，正面臨著來自國外的競爭和環境質量要求越來越嚴的挑戰。除鄧德豐和辛寶平、王鎮等人進行過基礎研究外，其余僅見一些綜述性報道文章。因此迫切需要從我國的實際國情出發，組建較強的科研隊伍，投入更多的財力，為我國微生物絮凝劑的發展奠定理論和物質基礎。

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　　收稿日期：2001-03-06