微生物絮凝剂的研究现状与发展趋势

徐 梅

(江西中慧城乡建设开发公司，江西 南昌 330023)

絮凝是废水处理的一个重要方法，用于去除水中细小的悬浮物和胶体污染物质。絮凝剂是一种可使液体中不易沉降的固体悬浮颗粒凝聚沉降的物质[1]。传统的絮凝剂主要有两类，一类是无机型的，如铁盐、铝盐等；另一类是有机型的，如聚丙烯酰胺等。这两类絮凝剂的絮凝效果都比较好，尤其是聚丙烯酰胺类絮凝剂，由于其具有高絮凝性和低生产成本而得到广泛应用。但是，近年来人们发现，无机絮凝剂用量较大易产生二次污染，更为严重的是，经常饮用以铝盐为絮凝剂的水会引起老年性痴呆症[2]。而聚丙烯酰胺类物质不易被降解，且单体有致突变性[3]，现在在许多领域已被禁止或限量使用。

微生物絮凝剂(Microbial flocculant，MBF)是一种天然生物高分子絮凝剂，由微生物产生并分泌到细胞外，是具有絮凝活性的微生物代谢产物。微生物絮凝剂可使液体中不易降解的固体悬浮颗粒、菌体细胞及胶体粒子等发生凝聚、沉淀，是具有生物分解性和安全性的高效、无毒、无二次污染的绿色水处理剂。但是，由于微生物絮凝剂的生产成本较高，发酵生产工艺还不成熟，其成分及絮凝效果稳定性不够等原因，使得微生物絮凝剂的发展受到一定程度的限制。

1 微生物絮凝剂的种类

微生物絮凝剂一般由多糖、蛋白质、DNA、纤维素、糖蛋白、聚氨基酸等高分子物质构成，具有蛋白质和糖类等特征基团。从微生物絮凝剂来源看，其种类主要分为四种[4]：①直接利用微生物细胞的絮凝剂，如某些细菌、霉菌、放线菌和酵母菌，它们大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中；②利用微生物细胞壁成分的絮凝剂，如酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和N-乙酞葡萄糖胺等成分均可用作絮凝剂；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，其中多糖和蛋白质在某种程度上可用作絮凝剂；④通过克隆技术获得的絮凝剂。若以微生物絮凝剂的化学组成作为分类标准，则又可分为蛋白质类、多糖类和脂类[5]。由于微生物絮凝剂种类繁多，因此其结构性质差异较大。

2 微生物絮凝剂的絮凝机理

微生物絮凝剂是生物大分子，考虑到其化学组成，可以认为微生物絮凝剂絮凝作用的本质是有机高分子(如多聚糖、纤维素、蛋白质等)与目标物之间发生的相互作用[6]。近年来，各国学者对微生物絮凝剂的絮凝机理进行了不断研究，理论也获得了不断的发展，先后提出了许多假说，如pHB酯学说、Buterrfield黏质假说、电中和作用以及菌体外纤维素纤丝学说等。主要的机理如下。

2.1 “架桥作用”机理

絮凝剂借助离子键、氢键，同时结合多个颗粒分子，因而在颗粒间起“中间桥梁”的作用，把这些颗粒联结在一起，从而使之形成网状结构沉淀下来。朱艳彬等[7]得到的复合微生物絮凝剂HITM0有效成分为蛋白质、多糖和多肽类物质，絮凝机理包括蛋白质等两性电解质的电中和作用以及蛋白质、多肽、多糖等高分子物质和纤维素等的代谢残留物共有的吸附架桥作用。王曙光等[8]从土壤中筛选出一株产气肠杆菌(Klebsiella mobilis)，认为该菌株微生物絮凝剂分子中所含阴离子基团较多，并且含有较多的吸附活性基团，所以其絮凝机理与一般阴离子型高分子化学絮凝剂类似(以吸附架桥作用为主)[9]。

2.2 “离子键、氢键的结合”学说

该学说认为[10]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。马放等[11]的研究表明尽管在复合型生物絮凝剂(CBF)和高岭土的絮凝过程中存在架桥作用，但主要还是靠离子键结合的。阿根廷某研究机构[12]从Agentinian酒中提取出柠檬克勒克酵母(KloecKera apiculata)菌株，研究发现其絮凝作用是通过蛋白质与碳水化合物之间的内部键作用而产生的。但是，离子键、氢键学说并不能很好地解释某些絮凝反应机理，如张永奎等[13]认为由菌Z-67产生的微生物絮凝剂MBF-33与高岭土颗粒之间既非离子键结合也非氢键结合。

2.3 “电性中和”机理

水中胶粒一般带负电荷，当带有正电荷的生物大分子絮凝剂或其水解产物靠近这种胶粒时，将中和其表面上的部分电荷，使胶粒脱稳，从而胶粒之间、胶粒与絮凝剂分子间易发生相互碰撞，通过分子间作用力凝聚而沉淀。

2.4 “化学反应”机理

生物大分子中某些活性基团与被絮凝物质相应的基团发生了化学作用，聚集成较大分子而沉淀下来，通过对生物大分子改性、处理，使其添加或丧失某些活性基团，其絮凝活性就大受影响。有学者认为这些絮凝剂的絮凝活性大部分依赖于活性基团。温度影响絮凝效果，主要是通过影响其化学基团活性从而影响其化学反应的。

2.5 卷扫作用

当微生物絮凝剂投量一定且形成小粒絮体时，可以在重力作用下迅速网捕，卷扫水中胶粒，从而产生沉淀分离，称为卷扫或网捕作用。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含量成反比。原水胶体杂质含量少时，所需絮凝剂量大，反之亦然。由此可见，关于微生物絮凝剂的机理很难用一种理论来解释，各种引起絮凝的作用都可能发生。总之，絮凝过程是一个复杂的过程，为了更好地解释机理，需要对特定絮凝剂和胶体颗粒的组成、结构、电荷、构象及各种反应条件对它的影响进行更深入、更细致的研究。

微生物絮凝剂自身的分子结构、形状、分子质量和所带基团对絮凝剂活性有影响。通常，絮凝剂分子结构以直线型为佳，如果分子结构是交联的或支链结构，其絮凝效果就会较差。此外絮凝剂分子质量越大，其活性越高[14]。同时，絮凝剂的投加量、絮凝环境因子(如温度、pH值、金属离子的种类和浓度、通气量等)对絮凝效果影响较大[15-18]。

3 微生物絮凝剂的生产工艺及应用现状

产絮微生物通过有效的菌株筛选和纯化富集后，还要在最适发酵工艺条件下生长培养，才能发挥絮凝作用。传统的发酵生产多以一段式发酵为主，但已不能满足水处理工业化需求，因此对絮凝剂最佳发酵条件的探索以及对发酵动力学的研究受到广泛关注。崔玉海等[19]采用Logistic方程和Luedeking Piret方程分别建立了菌体生长和底物消耗的动力学模型。虽然这些模型能够很好地模拟絮凝剂的发酵过程，但由于模型单一，且大多针对氨基酸类絮凝剂的发酵生产，并不适合直接指导生产实践。大量试验研究证实，微生物絮凝剂有着其他无机及有机絮凝剂不可比拟的优势，如微生物絮凝剂在除浊、除油、去除金属离子、抑制污泥膨胀、促进污泥脱水等[20-23]方面的效率高于传统的无机及有机絮凝剂，而且用量少，应用范围广，沉淀物过滤性能好，饮用后对人体无毒副作用[24]；将微生物絮凝剂用于墨水、蜜糖废水、纸浆废水(黑液)、颜料废水等有色废水的处理，能有效地凝聚水溶性色素，尤其对高分子絮凝剂不能去除的着色物质也有优异的脱色效果；同时，对于一些特殊废水，如畜产高浓度有机废水、含有建筑材料的高浓度无机废水以及需要回收的食品及餐饮行业产生的废水，微生物絮凝剂因其特有的高效性、无毒性以及可消除二次污染等优点，处理废水后均可达满意效果。

4 微生物絮凝剂的研究现状

微生物絮凝剂以其无可比拟的优越性彰显了广阔的发展前景，但到目前为止，相比于其他类型的絮凝剂，微生物絮凝剂在实际工程中尚未得到广泛应用。通过上述研究现状的分析，国内外微生物絮凝剂的研究还存在很多问题：首先，微生物絮凝剂虽然种类繁多，但每种絮凝剂的应用范围较窄，无法实现处理对象的广泛性沉淀和降解；其次，微生物絮凝剂产品使用量巨大，但产量低、稳定性差、不易储存，增加了工业化生产的难度；第三，生产成本高，微生物絮凝剂的高制备成本限制了其大规模生产，成为制约微生物絮凝剂发展的关键因素，寻找廉价的可替代原料是解决这一问题的有效手段；第四，针对微生物絮凝剂的复配研究仍处于初级阶段，复配手段不成熟，产品运行不稳定。现阶段对于解决微生物絮凝剂存在的瓶颈问题，已经取得一些显著成果。如利用微生物工程、代谢工程和遗传工程，大幅度提高微生物絮凝剂产生菌的产絮能力；寻找廉价的原材料，以大幅度降低生产成本等。复合型微生物絮凝剂经过多年的研究，已在很多方面取得突破性的进展。哈尔滨工业大学国家重点实验室已经成功筛选出多株纤维素降解菌，打破廉价物料的地域性资源局限，克服了其对微生物絮凝剂生产推广及示范作用的限制影响，并实现了秸秆类纤维素的高效糖化，使产酶和酶水解能够在同一体系中进行，省去了酶提取这一步骤，避免了酶活性在提取中的部分丧失，缩短了工艺流程，并大大降低制备成本。

5 微生物絮凝剂的发展趋势

随着混合菌培养技术、基因工程技术、生物投菌法、生物流化床等新技术、新工艺的投入，微生物絮凝剂的发展已进入一个新的历史阶段。我国的微生物絮凝剂要实现大规模产业化，针对微生物絮凝剂存在的问题，可从以下几方面进一步研究：

①优化微生物絮凝剂产品的提取方法及储存条件。由于微生物絮凝剂主要由多糖和蛋白质组成，其提取方法与一般的多聚糖和蛋白质的提取方法相近，但这些方法流程复杂，操作繁琐，耗药量大，不利于微生物絮凝剂的推广。而且微生物絮凝剂作为一种液态发酵产物，其液体状态下的储存稳定性较差，若制成干粉则在室温状态下其絮凝活性可保持50d而无较大影响，但冻干费用成本较高且不易实现大规模生产，因此有待开发出新的经济简便高效的适用于大规模生产的絮凝剂提纯方法。

②构建产絮菌菌种资源库，实现微生物絮凝剂产品的系列化，提高产品的稳定性和多样性。在常规传统选育方法的基础上，进一步完善产絮菌的选育方法和诱变方法，并利用复杂基质产絮菌的选育、培养及保藏，开发多元化与和谐化的混合产絮菌群，提高水处理系统中生物处理环节的稳定性及多样性，构建智能化菌种资源库，从而可以针对不同的处理对象选取不同的菌种资源。

③建立微生物絮凝剂产品标准及评价体系。目前国内外尚未开展微生物絮凝剂毒理学评价研究，对微生物絮凝剂进行遗传毒性、生殖毒性和一般毒性的安全性评价，可以为微生物絮凝剂的工业化及其在水处理中的应用提供卫生学依据。

④开展规模化的生产性试验。目前微生物絮凝剂的研究大多处于实验室研发阶段，与其实际应用还有较大差距。因此，今后应着重将微生物絮凝剂从实验室阶段转化到大规模工业化生产，在实际工程中对微生物絮凝剂进行深入研究。

⑤开发微生物复合型絮凝剂。根据处理对象的不同，将化学絮凝剂与微生物絮凝剂复配，开发系列产品，以此扩大微生物絮凝剂的应用。复配后的微生物絮凝剂，其絮凝特性得到提高，既降低了化学絮凝剂用量又克服了微生物絮凝剂作用的单一性。

⑥梯级利用，提高底物的转化效率。昂贵的原材料和培养成本一直是困扰微生物絮凝剂发展的最主要原因之一，将微生物絮凝剂应用到生产实践中必须解决好这个经济成本问题，可从两方面着手：一是改进生产方式，采用两段式连续发酵生产方式，缩短生产周期，优化发酵过程中的各种影响因素，调控提高微生物絮凝剂的产率；二是开发以多元化废弃物(如以有机废料、发酵残液、剩余污泥等)为廉价原料的微生物絮凝剂制备技术，在探明多元化混合原料对微生物发酵产絮影响规律的基础上，着重研发多元化混合原料的预处理工艺技术，以及产品后处理工艺技术，从而实现混合底物的定向转化，早日推进微生物絮凝剂产品的工业化。

⑦开发高效微生物絮凝剂工程菌。实践证明，从自然界分离筛选到的产絮微生物，不但生产成本高，而且絮凝效果也不稳定，难以适应实际的应用需求。而利用现代分子生物学技术和转基因技术构建的基因工程菌，具有较强的目的性和针对性，使其具有双亲的优良性状，不但可以大幅提高絮凝剂产量，而且更具有稳定的絮凝能力。

⑧探讨絮凝机理与解析絮凝形态结构。从物理、化学和生物学等不同角度深入研究微生物絮凝剂的絮凝机理及絮凝形态结构，探讨不同的微生物絮凝剂对不同类型的污(废)水的作用原理，分析不同环境因素对絮凝形态结构形成的影响，以及对絮凝效果的影响，找出其中的规律，以指导开发出更具有针对性的新型高效微生物絮凝剂。

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