微生物絮凝剂组成与结构研究进展

刘 敏

内江师范学院化学化工学院 641112

引言

微生物絮凝剂 (Microbial Flocculant，简称MBF)是通过生物技术，采用生物发酵、抽提、精制得到的一类具有絮凝活性的天然高分子聚合物。20世纪70年代，日本学者在研究肽酸酯生物降解过程中，发现其微生物培养液具有絮凝作用，其后苍根隆一分离出NOC-1絮凝剂，国外微生物絮凝剂开始逐步进入商业化生产，由于其使用方便，安全无毒，并具有生物可降解的独特性质，微生物絮凝剂现已逐步占据絮凝剂部分市场份额。我国对微生物絮凝剂的研究始于20世纪90年代初期，虽然起步较晚，但由于微生物絮凝剂的巨大潜力，已有越来越多的科研工作者到这方面的研究中，并取得了一定的成绩。研究微生物絮凝剂的组成及化学结构将有利于阐明絮凝剂机理，从而为改造和修饰絮凝剂、提高絮凝活性提供理论依据。

1 微生物絮凝剂的种类及制备方法

1.1 微生物絮凝剂的种类

根据微生物絮凝剂的组成结构，主要分为四大类[1,2]：第一类是由微生物细胞分泌的代谢物，此类物质吸附在细胞外层，主要包括细菌的荚膜和黏液，其主要成分为多糖和少量的多肽、蛋白质等，其中多糖在某种程度上可以作为絮凝剂；第二类是微生物菌体作为絮凝剂，如某些真菌、酵母菌等，此类物质的获取途径较为广泛，如土壤、活性污泥中都含有较多的该类微生物；第三类是直接利用微生物的细胞壁的成分，微生物细胞是天然有机高分子絮凝剂的重要来源，如酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质等；第四大类是通过基因工程改建后的基因工程菌，此类技术通过把高絮凝性能的基因转移到便于发酵的菌体中，形成能够稳定遗传的新菌株。

1.2 微生物絮凝剂的制备方法

微生物絮凝剂的制备一般可以利用生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、抽提、精炼而成，同时配以廉价的营养物质或废弃物来替代价格较高的培养基成分，以达到降低生产成本的目的。重庆大学余荣升[3]将处理后的黄豆豆汁用于替代价格较高的酵母膏及蛋白胨，作为微生物活性菌MBF-1生长的主要碳源和氮源，从而降低絮凝剂的成本。李剑等[4]利用乳品废水培养GL-3菌产生的生物絮凝剂对多种实际废水也有良好的净化效果。

2 微生物絮凝剂的结构特征

2.1 微生物絮凝剂的物质组成

微生物絮凝剂作为一类高分子聚合物，主要包括多糖、糖蛋白、纤维素、DNA、蛋白质及脂肪等复杂物质，因此其结构和组成的表征一直是国内外研究者的重点内容。

从组成上看是属于生物分子系列结构的复杂物质，主要含多糖、糖蛋白、纤维素、DNA、蛋白质及脂肪等。近年来，国内外的研究者借助各种技术和手段对多钟絮凝剂的组成和结构进行了表征。1985年，H.Takagi等人[5]研究了拟青霉素(Paecilomyces sp.l-1)微生物产生的絮凝剂PF101，发现其主要成份为半乳糖胺。Kurane分离出的脂类絮凝剂[6]中主要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。成文、胡勇有[7]研究微生物絮凝剂MBF7、MBF8、MBF21、MBF26的主要成份为多糖，并且MBF8，MBF21和MBF26的相对分子量分别为10.47×105，14.79×105，10.54×105。胡筱敏[8]报道MBF9主要分子量超过200万，是线性高分子，含19.1%糖醛酸、2.74%氨基酸和47.4%中性糖。

2.2 微生物絮凝剂的空间结构及化学本质

微生物絮凝剂的空间结构主要有两大类，即纤维状和球状。纤维状结构主要是在絮凝体过程中形成的一类联结物[9]，如从Nocardia amarae提取的絮凝剂就可以形成像丝绸一样的絮凝纤维。而从曲霉Aspergillus sojac 中获得的絮凝剂则具有球状的形态。由此可以看出，絮凝剂的微观立体结构根据其化学成分的不同表现出不同的形态，也就具有不同的絮凝模式。

微生物絮凝剂主要是微生物代谢产生的各种多糖，这类多聚糖中有些是由单一糖单体组成，有些是由多种糖单体构成的杂多聚糖，还有些是蛋白质（或多肽）[11]，但并非细菌合成的多糖均具有絮凝活性。另外，一些絮凝剂中还含有无机金属离子，如Ca2+，Mg2+，Al3+，和Fe3+等，水体中阳离子，尤其是Ca2+能降低胶体的表面电荷，增加其吸附和架桥的能力，并且高浓度的Ca2+还能保护絮凝剂不受降解酶的作用。因此，从化学本质上来说，微生物的絮凝性也许是一种伴生性状。

2.3 微生物絮凝剂化学结构的研究方法

微生物絮凝剂的化学结构的研究方法主要有以下三种：

（1）破坏微生物絮凝能力的“因子破坏法”，该方法是通过加热处理和测定蛋白酶、金属阳离子螯合剂等来识别微生物絮凝剂的化学组成。

（2）化学分析法，较于因子破坏法，此类方法能够具体分析出微生物絮凝剂的生化组成，如蛋白质的氨基酸组成结构以及多糖的成分等。

（3）第三种方法是将微生物中具有絮凝活性的物质提取出来加入在一起形成絮凝物。

2.4 化学结构与絮凝能力的关系

一般来说，具有线性结构的絮凝剂比非线性分子絮凝性高。同时，絮凝剂的相对分子量也对絮凝活性具有重要的影响，分子量越大，其絮凝活性就越高，主要源于其可以携带更多的点和，增加了中和能力，因此具有明显的架桥和卷扫作用。故目前分离纯化的微生物絮凝剂多是机能性蛋白和多糖的高分子聚合物，相对分子量一般都在105以上。

同时，絮凝剂携带不同的基团，表现出的亲水性、电荷的中和能力等都有不同，一些特殊的基团甚至可以帮助絮凝剂维持空间结构，充当其吸附部位等。

3 微生物絮凝剂的絮凝作用机理

由于对微生物絮凝机理的研究对微生物的开发应用有着重要的意义，因此国内外对絮凝剂机理提出了很多假说：电中和作用、架桥学说、Butterfidld粘质假说、friedman菌体纤维素行为学说、离散细胞和伸展桥键之间的三维基质模型假说、病毒学假说等。目前，研究较多是由菌体自身引起的絮凝，即所谓胞壁絮凝，尤其是对酵母菌的絮凝机理的研究。此种絮凝方式主要是由细胞壁上的特定表面蛋白与其他酵母细胞表面的甘露糖残基之间的专一性结合而成。酵母菌产生絮凝的解释主要有三种模型：LLA(lectinlike adhesion)模型、阴离子基团架桥模型(calcium-bridging)、表面电荷中和模型。现今较于其他两种模型，LLA模型得到比较普遍的认同。

4 结语与展望

微生物絮凝剂有诸多优点，各项研究表明，微生物絮凝剂在微生物发酵工业、医药工业和废水处理中具有广阔的应用前景。但目前对其研究仍停留在产生菌的分离、筛选和培养上，尚未有完善的培养和制备方法，由于成本较高，还未进行大规模的生产和推广，今后微生物絮凝剂的研究领域将出现以下几个重要的发展方向：

（1）继续加强对微生物絮凝剂物质结构、絮凝特性等方面的研究，深入研究微生物絮凝剂的絮凝机理及其在处理不同水质废水时的共性与特性。

（2）人工构建新菌株，通过诱变育种、原生质体融合、基因工程技术等方式，构造既能降解污染物质，又具有絮凝作用的特殊性状的新菌株。

（3）对培养基的开发和利用，通过成本的减低等方式，开发新技术新工艺。

（4）复合型微生物絮凝剂的研究，将微生物絮凝剂与其他传统絮凝剂联合使用，探讨起复配的效果。

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