微生物絮凝剂产生条件与应用分析

武贤智，张森媛，郭安剑

微生物絮凝剂是由微生物产生的有絮凝作用的高分子次生代谢产物。主要成份为多聚糖、糖蛋白、糖脂、脂蛋白、DNA、RNA、纤维素等，其中以多聚糖蛋白类物质占绝大多数［1］。这些物质有很好的可生化性，不像无机絮凝剂和有机合成高分子絮凝剂对环境造成二次污染。由于微生物絮凝剂无毒无害、安全性高、适用范围广、来源广泛、生产周期短的特点，它的研究和应用越来越受到人们的重视。

1 微生物絮凝剂产生菌及絮凝剂产生条件

1.1 微生物絮凝剂产生菌

微生物絮凝剂产生菌来源广泛，存在于土壤、水体、污水处理厂和一些底泥中。目前发现的有32种，其中细菌18种，真菌9种，放线菌5种［2］，具体种类见表1。

1.2 微生物絮凝剂产生菌的培养条件

微生物生长受环境因素影响很大，环境因素细微的改变就可能影响絮凝剂的产量和絮凝率。影响产絮凝剂微生物的培养条件有培养基成份、培养温度、培养基初始pH值、通气量等。

1.2.1 培养基成份

产絮凝剂微生物的培养基成份复杂，通常含有碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水六大营养要素。一般来说，营养丰富的培养基利于絮凝剂的产生，但不同微生物对营养的要求差别较大。例如，彭辉用不同碳源和氮源培养黑曲霉菌TH6，发现用蔗糖做碳源、NaNO3做氮源所产絮凝剂絮凝效果最好［3］。崔钶从土壤中分离的絮凝剂产生菌MB-7，最佳碳源和氮源分别为可溶性淀粉和(NH4)2SO4［4］。

表1 能产生絮凝剂的微生物

1.2.2 培养温度

培养温度对微生物的生长有显著影响，过高会造成微生物蛋白质变性，过低会使微生物代谢变缓，生长受到抑制。不同微生物有各自最适合的生长温度。柴晓利在20℃～40℃培养微生物絮凝剂产生菌，发现培养温度为30℃时最有利于絮凝剂产生，在35℃时菌株生长快，但絮凝活性降低［5］。

1.2.3 培养基初始pH值

培养基初始pH值决定细胞所带电荷、影响营养吸收及酶反应的氧化反应电位［6-7］。张志强将奇异变形杆菌TJ-F1放在不同初始pH值下培养，用高岭土测其絮凝剂活性，发现在培养基初始pH= 7.0时絮凝活性最高［8］。刘晖，周康群等研究微生物絮凝剂产生菌HHY-7培养条件时发现，初始pH= 4.5～6.0时所产发酵液对浊度的去除率最高，当pH＞8.5时，该菌的生长量和对浊度的去除率都明显下降［9］。

1.2.4 通气量

微生物絮凝剂产生菌大部分为好氧菌，通气量直接影响培养液中溶解氧含量。摇床转速太慢，培养液中的通气量小，溶解氧不足会使微生物絮凝剂产生菌的生长受到抑制。摇床转速太快，不利于营养物质在细菌表面吸附，同时会影响微生物在稳定期胞外聚合物的分泌。黎忠对X14菌株采用可变速140～160 r/min进行培养时，絮凝剂活性最高，过低或者过高的摇床转速都会导致絮凝活性下降［10］。

2 微生物絮凝剂作用机理

微生物絮凝剂的成分随细菌的种类不同而存在差异，不同微生物产絮凝剂性质和絮凝作用过程各有特点。许多研究者针对微生物絮凝剂的絮凝机理进行了大量研究，提出多种理论学说，例如，Butterfield的黏质假说、Grabtree的利用PHB(polyhy-βdroxybutyric acid)酯合假说、Friedman的菌体外纤维素丝学说、荚膜学说、疏水学说、电性中和学说、胞外聚合物架桥学说等［11］。目前普遍被人们接受的作用机理有三个。

2.1 吸附架桥作用

吸附架桥学说认为微生物絮凝剂为链状高分子聚合物，可被胶体颗粒强烈吸附。因其线性长度比较大，当它的一端吸附某一胶粒时，另一端又吸附另一胶粒，在相距较远的两胶粒间进行吸附架桥，使颗粒逐渐变大，形成肉眼可见的粗大絮体。其强大的吸附力源于它链状结构上能与胶粒和悬浮物发生吸附的活性部位，能通过静电引力、范德华力、氢键等作用与水中细小颗粒紧密结合在一起［12］。

2.2 卷扫作用

微生物絮凝剂投到水体中会形成细小絮体，这些絮体在下降过程中与水中胶体和悬浮颗粒物接触，胶体和悬浮颗粒物会被其网状结构捕获，在重力作用下沉于水底。这种作用基本上是一种机械作用，所需絮凝剂量与原水杂质成反比［13］。

2.3 电荷中和作用

水中胶体粒子一般都带有电荷，带同种电荷的胶粒在静电斥力作用下处于动态稳定。加入带相反电荷的微生物絮凝剂后，会中部分和胶粒所带电荷，使静电斥力减小，从而脱稳，胶粒之间，胶粒和微生物絮凝剂发生踫撞，在分子间作用力下凝聚沉淀。

3 微生物在水处理中的应用

随着国内外研究者对微生物絮凝剂研究的不断深入，赿来赿多优良的微生物絮凝剂被应用到水处理当中，其中有很多微生物絮凝剂具有很好的处理效果。

3.1 淀粉废水的处理

淀粉加工过程中会产生大量的高浓度酸性有机废水，主要是溶解性的淀粉和少量蛋白质，一般没有毒，但COD很高，通常为1 000～30 000 mg/L，SS为 1 500 mg/L。有研究者发现MBFA9菌产的微生物絮凝剂用于处理淀粉废水可以达到很好的COD和SS的去除率，其中COD的去除率为68.5%，SS的去除率为85.5%［14］。

3.2 造纸废水的处理

废纸再生造纸过程中产生大量废水，主要来源于制浆部分的洗涤废水。该废水不仅SS含量高、色度大，且还含有大量成份复杂的物质。应用微生物絮凝剂可以有效地去除废水中大部分SS和部分COD。刘彬彬利用从土壤中分离出来的M-2菌所产絮凝剂对造纸废水进行处理，取得较好效果。通过优化絮凝条件，最终可以使 COD去除率达70.6%，浊度去除率达91.7%，且经过与传统絮凝剂做对比，发现该絮凝剂处理效果优于传统絮凝剂［15］。

3.3 印染废水的处理

印染废水有污染浓度高、种类多、含有毒有害成分及色度高等特点。一般 COD为 400～ 1 000 mg/L，BOD5为 100～400 mg/L，SS为 100～200 mg/L，色度为100～400倍。目前用活性污泥法去除废水中的COD并不是一件难事，但对于脱色还没有太多办法，特别是可溶性的色素更难处理。杨劲峰利用从活性污泥中筛选出的M-127菌产的微生物絮凝剂，能有效地去除印染废水中的色素，在最佳絮凝条件下对染料废水的脱色率可以达93.8%［16］。

3.4 建材废水的处理

建材废水中含有大量SS，COD比较小，但水体浊度较高，利用絮凝方法能达到很好的处理效果。黄晓武分别研究了絮凝剂产生菌HHE-P7、HHEP8、HHE-P21、HHE-P24、HHE-A26所产絮凝剂对高浊度建材废水的絮凝效果。结果表明，每1L建材废水(浊度为2 227 NTU)中，投加8～10 mL含菌培养液，浊度去除率均在92%以上，通过与常规絮凝剂做比较，具有用量少、絮凝速度快等优点［17］。

4 微生物絮凝剂存在的问题

微生物絮凝剂的研究和应用都取得了很大进步，但也还存在一些问题，导致其没能被广泛应用，甚至取代化学絮凝剂。

(1)生产成本太高。首先微生物絮凝剂产生过程中给微生物提供的营养物质比如:蔗糖，葡萄糖，牛肉膏，蛋白胨等价格都比较高，另外微生物絮凝剂的提取目前用的是无水乙醇，而无水乙醇的价格也非常高这使微生物絮凝剂很难在市场竞争中占有优势。

(2)应用研究存在局限性。目前微生物絮凝剂的应用研究还处于实验室小型烧杯阶段，还没有中试实验报道，大规模的应用效果如何还不清楚。

(3)产量低。微生物絮凝剂的产量普遍偏低，1L发酵液只能产几克絮凝剂。作为微生物的次生代谢产物，微生物分泌絮凝剂受到体内酶和基因的控制。目前还很少从分子生物学角度去研究其代谢过程。通过改变微生物生长的外界环境来提高产量效果不明显。

(4)所带电荷单一。目前研究的微生物絮凝剂基本带负电，污水中的胶体颗粒也大部分都带负电，它需要借助带正电荷的助凝剂才能对污水中胶体颗粒产生较好的絮凝作用。这在很大程度上制约其应用。

5 结论与建议

微生物絮凝剂的研发和应用都取得了一些成果，但还停留在实验室阶段，要对微生物絮凝剂进行工业化生产并应用到规模化废水处理中还有很多工作要做。传统培养条件的研究已经不能满足其发展的需要，我们要应用更多的高科技手段进行研究，对前面的几方面问题有以下建议:

(1)寻找廉价培养基。高浓度有机废水营养物质丰富，作为微生物的培养基不但可以降低微生物絮凝剂生产成本而且可以达到废水资源化利用的目的。

(2)利用基因技术改良絮凝剂产生菌。微生物产絮凝剂受其基因控制，利用分子生物学技术可获得高效产絮凝剂基因。将其转接到繁殖速度快，生命力旺盛的工程菌上，定向产絮凝剂，从而提高絮凝剂的产量和质量。

(3)开发复合微生物絮凝剂。将几种产絮凝剂菌共同培养，如果它们能够共生，那么它们产絮凝剂的絮凝能力有可能超出单独一株菌所产絮凝剂。

(4)与其它絮凝剂复配。将微生物絮凝剂与其它絮凝剂进行复配使用，充分发挥多种絮凝剂的优势，扩宽微生物絮凝剂的应用范围。

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