武賢智，張森媛，郭安劍

微生物絮凝劑是由微生物產(chǎn)生的有絮凝作用的高分子次生代謝產(chǎn)物。主要成份為多聚糖、糖蛋白、糖脂、脂蛋白、DNA、RNA、纖維素等，其中以多聚糖蛋白類(lèi)物質(zhì)占絕大多數(shù)［1］。這些物質(zhì)有很好的可生化性，不像無(wú)機(jī)絮凝劑和有機(jī)合成高分子絮凝劑對(duì)環(huán)境造成二次污染。由于微生物絮凝劑無(wú)毒無(wú)害、安全性高、適用范圍廣、來(lái)源廣泛、生產(chǎn)周期短的特點(diǎn)，它的研究和應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視。

1 微生物絮凝劑產(chǎn)生菌及絮凝劑產(chǎn)生條件

1.1 微生物絮凝劑產(chǎn)生菌

微生物絮凝劑產(chǎn)生菌來(lái)源廣泛，存在于土壤、水體、污水處理廠和一些底泥中。目前發(fā)現(xiàn)的有32種，其中細(xì)菌18種，真菌9種，放線菌5種［2］，具體種類(lèi)見(jiàn)表1。

1.2 微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的培養(yǎng)條件

微生物生長(zhǎng)受環(huán)境因素影響很大，環(huán)境因素細(xì)微的改變就可能影響絮凝劑的產(chǎn)量和絮凝率。影響產(chǎn)絮凝劑微生物的培養(yǎng)條件有培養(yǎng)基成份、培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)基初始pH值、通氣量等。

1.2.1 培養(yǎng)基成份

產(chǎn)絮凝劑微生物的培養(yǎng)基成份復(fù)雜，通常含有碳源、氮源、能源、生長(zhǎng)因子、無(wú)機(jī)鹽和水六大營(yíng)養(yǎng)要素。一般來(lái)說(shuō)，營(yíng)養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基利于絮凝劑的產(chǎn)生，但不同微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的要求差別較大。例如，彭輝用不同碳源和氮源培養(yǎng)黑曲霉菌TH6，發(fā)現(xiàn)用蔗糖做碳源、NaNO3做氮源所產(chǎn)絮凝劑絮凝效果最好［3］。崔鈳從土壤中分離的絮凝劑產(chǎn)生菌MB-7，最佳碳源和氮源分別為可溶性淀粉和(NH4)2SO4［4］。

表1 能產(chǎn)生絮凝劑的微生物

1.2.2 培養(yǎng)溫度

培養(yǎng)溫度對(duì)微生物的生長(zhǎng)有顯著影響，過(guò)高會(huì)造成微生物蛋白質(zhì)變性，過(guò)低會(huì)使微生物代謝變緩，生長(zhǎng)受到抑制。不同微生物有各自最適合的生長(zhǎng)溫度。柴曉利在20℃～40℃培養(yǎng)微生物絮凝劑產(chǎn)生菌，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)溫度為30℃時(shí)最有利于絮凝劑產(chǎn)生，在35℃時(shí)菌株生長(zhǎng)快，但絮凝活性降低［5］。

1.2.3 培養(yǎng)基初始pH值

培養(yǎng)基初始pH值決定細(xì)胞所帶電荷、影響營(yíng)養(yǎng)吸收及酶反應(yīng)的氧化反應(yīng)電位［6-7］。張志強(qiáng)將奇異變形桿菌TJ-F1放在不同初始pH值下培養(yǎng)，用高嶺土測(cè)其絮凝劑活性，發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)基初始pH= 7.0時(shí)絮凝活性最高［8］。劉暉，周康群等研究微生物絮凝劑產(chǎn)生菌HHY-7培養(yǎng)條件時(shí)發(fā)現(xiàn)，初始pH= 4.5～6.0時(shí)所產(chǎn)發(fā)酵液對(duì)濁度的去除率最高，當(dāng)pH＞8.5時(shí)，該菌的生長(zhǎng)量和對(duì)濁度的去除率都明顯下降［9］。

1.2.4 通氣量

微生物絮凝劑產(chǎn)生菌大部分為好氧菌，通氣量直接影響培養(yǎng)液中溶解氧含量。搖床轉(zhuǎn)速太慢，培養(yǎng)液中的通氣量小，溶解氧不足會(huì)使微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)受到抑制。搖床轉(zhuǎn)速太快，不利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在細(xì)菌表面吸附，同時(shí)會(huì)影響微生物在穩(wěn)定期胞外聚合物的分泌。黎忠對(duì)X14菌株采用可變速140～160 r/min進(jìn)行培養(yǎng)時(shí)，絮凝劑活性最高，過(guò)低或者過(guò)高的搖床轉(zhuǎn)速都會(huì)導(dǎo)致絮凝活性下降［10］。

2 微生物絮凝劑作用機(jī)理

微生物絮凝劑的成分隨細(xì)菌的種類(lèi)不同而存在差異，不同微生物產(chǎn)絮凝劑性質(zhì)和絮凝作用過(guò)程各有特點(diǎn)。許多研究者針對(duì)微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理進(jìn)行了大量研究，提出多種理論學(xué)說(shuō)，例如，Butterfield的黏質(zhì)假說(shuō)、Grabtree的利用PHB(polyhy-βdroxybutyric acid)酯合假說(shuō)、Friedman的菌體外纖維素絲學(xué)說(shuō)、莢膜學(xué)說(shuō)、疏水學(xué)說(shuō)、電性中和學(xué)說(shuō)、胞外聚合物架橋?qū)W說(shuō)等［11］。目前普遍被人們接受的作用機(jī)理有三個(gè)。

2.1 吸附架橋作用

吸附架橋?qū)W說(shuō)認(rèn)為微生物絮凝劑為鏈狀高分子聚合物，可被膠體顆粒強(qiáng)烈吸附。因其線性長(zhǎng)度比較大，當(dāng)它的一端吸附某一膠粒時(shí)，另一端又吸附另一膠粒，在相距較遠(yuǎn)的兩膠粒間進(jìn)行吸附架橋，使顆粒逐漸變大，形成肉眼可見(jiàn)的粗大絮體。其強(qiáng)大的吸附力源于它鏈狀結(jié)構(gòu)上能與膠粒和懸浮物發(fā)生吸附的活性部位，能通過(guò)靜電引力、范德華力、氫鍵等作用與水中細(xì)小顆粒緊密結(jié)合在一起［12］。

2.2 卷掃作用

微生物絮凝劑投到水體中會(huì)形成細(xì)小絮體，這些絮體在下降過(guò)程中與水中膠體和懸浮顆粒物接觸，膠體和懸浮顆粒物會(huì)被其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)捕獲，在重力作用下沉于水底。這種作用基本上是一種機(jī)械作用，所需絮凝劑量與原水雜質(zhì)成反比［13］。

2.3 電荷中和作用

水中膠體粒子一般都帶有電荷，帶同種電荷的膠粒在靜電斥力作用下處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。加入帶相反電荷的微生物絮凝劑后，會(huì)中部分和膠粒所帶電荷，使靜電斥力減小，從而脫穩(wěn)，膠粒之間，膠粒和微生物絮凝劑發(fā)生踫撞，在分子間作用力下凝聚沉淀。

3 微生物在水處理中的應(yīng)用

隨著國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)微生物絮凝劑研究的不斷深入，赿來(lái)赿多優(yōu)良的微生物絮凝劑被應(yīng)用到水處理當(dāng)中，其中有很多微生物絮凝劑具有很好的處理效果。

3.1 淀粉廢水的處理

淀粉加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的高濃度酸性有機(jī)廢水，主要是溶解性的淀粉和少量蛋白質(zhì)，一般沒(méi)有毒，但COD很高，通常為1 000～30 000 mg/L，SS為 1 500 mg/L。有研究者發(fā)現(xiàn)MBFA9菌產(chǎn)的微生物絮凝劑用于處理淀粉廢水可以達(dá)到很好的COD和SS的去除率，其中COD的去除率為68.5%，SS的去除率為85.5%［14］。

3.2 造紙廢水的處理

廢紙?jiān)偕旒堖^(guò)程中產(chǎn)生大量廢水，主要來(lái)源于制漿部分的洗滌廢水。該廢水不僅SS含量高、色度大，且還含有大量成份復(fù)雜的物質(zhì)。應(yīng)用微生物絮凝劑可以有效地去除廢水中大部分SS和部分COD。劉彬彬利用從土壤中分離出來(lái)的M-2菌所產(chǎn)絮凝劑對(duì)造紙廢水進(jìn)行處理，取得較好效果。通過(guò)優(yōu)化絮凝條件，最終可以使 COD去除率達(dá)70.6%，濁度去除率達(dá)91.7%，且經(jīng)過(guò)與傳統(tǒng)絮凝劑做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該絮凝劑處理效果優(yōu)于傳統(tǒng)絮凝劑［15］。

3.3 印染廢水的處理

印染廢水有污染濃度高、種類(lèi)多、含有毒有害成分及色度高等特點(diǎn)。一般 COD為 400～ 1 000 mg/L，BOD5為 100～400 mg/L，SS為 100～200 mg/L，色度為100～400倍。目前用活性污泥法去除廢水中的COD并不是一件難事，但對(duì)于脫色還沒(méi)有太多辦法，特別是可溶性的色素更難處理。楊勁峰利用從活性污泥中篩選出的M-127菌產(chǎn)的微生物絮凝劑，能有效地去除印染廢水中的色素，在最佳絮凝條件下對(duì)染料廢水的脫色率可以達(dá)93.8%［16］。

3.4 建材廢水的處理

建材廢水中含有大量SS，COD比較小，但水體濁度較高，利用絮凝方法能達(dá)到很好的處理效果。黃曉武分別研究了絮凝劑產(chǎn)生菌HHE-P7、HHEP8、HHE-P21、HHE-P24、HHE-A26所產(chǎn)絮凝劑對(duì)高濁度建材廢水的絮凝效果。結(jié)果表明，每1L建材廢水(濁度為2 227 NTU)中，投加8～10 mL含菌培養(yǎng)液，濁度去除率均在92%以上，通過(guò)與常規(guī)絮凝劑做比較，具有用量少、絮凝速度快等優(yōu)點(diǎn)［17］。

4 微生物絮凝劑存在的問(wèn)題

微生物絮凝劑的研究和應(yīng)用都取得了很大進(jìn)步，但也還存在一些問(wèn)題，導(dǎo)致其沒(méi)能被廣泛應(yīng)用，甚至取代化學(xué)絮凝劑。

(1)生產(chǎn)成本太高。首先微生物絮凝劑產(chǎn)生過(guò)程中給微生物提供的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)比如:蔗糖，葡萄糖，牛肉膏，蛋白胨等價(jià)格都比較高，另外微生物絮凝劑的提取目前用的是無(wú)水乙醇，而無(wú)水乙醇的價(jià)格也非常高這使微生物絮凝劑很難在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有優(yōu)勢(shì)。

(2)應(yīng)用研究存在局限性。目前微生物絮凝劑的應(yīng)用研究還處于實(shí)驗(yàn)室小型燒杯階段，還沒(méi)有中試實(shí)驗(yàn)報(bào)道，大規(guī)模的應(yīng)用效果如何還不清楚。

(3)產(chǎn)量低。微生物絮凝劑的產(chǎn)量普遍偏低，1L發(fā)酵液只能產(chǎn)幾克絮凝劑。作為微生物的次生代謝產(chǎn)物，微生物分泌絮凝劑受到體內(nèi)酶和基因的控制。目前還很少?gòu)姆肿由飳W(xué)角度去研究其代謝過(guò)程。通過(guò)改變微生物生長(zhǎng)的外界環(huán)境來(lái)提高產(chǎn)量效果不明顯。

(4)所帶電荷單一。目前研究的微生物絮凝劑基本帶負(fù)電，污水中的膠體顆粒也大部分都帶負(fù)電，它需要借助帶正電荷的助凝劑才能對(duì)污水中膠體顆粒產(chǎn)生較好的絮凝作用。這在很大程度上制約其應(yīng)用。

5 結(jié)論與建議

微生物絮凝劑的研發(fā)和應(yīng)用都取得了一些成果，但還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，要對(duì)微生物絮凝劑進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)并應(yīng)用到規(guī)?；瘡U水處理中還有很多工作要做。傳統(tǒng)培養(yǎng)條件的研究已經(jīng)不能滿足其發(fā)展的需要，我們要應(yīng)用更多的高科技手段進(jìn)行研究，對(duì)前面的幾方面問(wèn)題有以下建議:

(1)尋找廉價(jià)培養(yǎng)基。高濃度有機(jī)廢水營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，作為微生物的培養(yǎng)基不但可以降低微生物絮凝劑生產(chǎn)成本而且可以達(dá)到廢水資源化利用的目的。

(2)利用基因技術(shù)改良絮凝劑產(chǎn)生菌。微生物產(chǎn)絮凝劑受其基因控制，利用分子生物學(xué)技術(shù)可獲得高效產(chǎn)絮凝劑基因。將其轉(zhuǎn)接到繁殖速度快，生命力旺盛的工程菌上，定向產(chǎn)絮凝劑，從而提高絮凝劑的產(chǎn)量和質(zhì)量。

(3)開(kāi)發(fā)復(fù)合微生物絮凝劑。將幾種產(chǎn)絮凝劑菌共同培養(yǎng)，如果它們能夠共生，那么它們產(chǎn)絮凝劑的絮凝能力有可能超出單獨(dú)一株菌所產(chǎn)絮凝劑。

(4)與其它絮凝劑復(fù)配。將微生物絮凝劑與其它絮凝劑進(jìn)行復(fù)配使用，充分發(fā)揮多種絮凝劑的優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)寬微生物絮凝劑的應(yīng)用范圍。

［1］高杰，辛明秀，包華影等.微生物絮凝劑在水處理中的應(yīng)用［J］.化工環(huán)保，2005，25(2):147-150.

［2］董雙石，王愛(ài)杰，任南琪等.微生物絮凝劑處理廢水的研究和發(fā)展趨勢(shì)［J］.生物技術(shù)，2004，14(1):72-74.

［3］彭輝，尹華，梁郁強(qiáng)等.微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的培養(yǎng)及其化學(xué)特征初探［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2002，25(1):6-8.

［4］崔鈳，信欣，羊依金.微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的培養(yǎng)條件優(yōu)化及其絮凝成分分析［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，23(38): 12620-12622.

［5］柴曉利，陳潔.微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的培養(yǎng)條件［J］.環(huán)境污染與防治，2001，23(2):61-62.

［6］Nakata K，Kurane R.Production of an extracellular polysaccharide bioflocculant by Klebsiella pneumoniae.［J］.Biosci Biotechnol Biochem.1999，63:2064-2068.

［7］Salehizadeh H，Shojaosadati S A.Extracellular biopolymeric flocculants:recent trends and biotechnological importance［J］.Biotechnol.Adv.2001，19:371–385.

［8］Xia S，Zhang Z，Wang X，et al.Production and characterization of a bioflocculant by Proteus mirabilis TJ-1［J］.Bioresource Technology.2008，99［14］:6520-6527.

［9］劉暉，周康群，胡勇等.絮凝劑產(chǎn)生菌HHY-7的培養(yǎng)條件［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，37(1):63-67.

［10］黎忠，張修玉.一株高效微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的篩選鑒定和培養(yǎng)條件優(yōu)化［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010，4(11): 2515-2518.

［11］胡勇有，高寶玉.微生物絮凝劑［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［12］任文萍，柴濤.微生物絮凝劑的研究及在廢水處理中的應(yīng)用［J］.廣州化工，2011，39(12):34-35.

［13］劉麗瓊，張艷敏.微生物絮凝劑研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.四川環(huán)境，2009，28(6):109-114.

［14］Deng S B，Bai R B，Hu X M，et al.Characteristics of a bioflocculant produced by Bacillus mucilaginosus and its use in stsrch wastewater treatment［J］.Appl Microbiol Biotechnol，2003，60:588-593.

［15］劉彬彬，閆永勝，王珊.微生物絮凝劑處理造紙中段廢水的實(shí)驗(yàn)研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2007，33(11):14 -16.

［16］楊勁峰，趙繼紅，曲鳳華.微生物絮凝劑用于染料廢水脫色及其動(dòng)力學(xué)研究［J］.化工科技，2009，17(3):16-19.

［17］黃曉琥，成文，胡勇有等.微生物絮凝劑處理建材廢水研究［J］.工業(yè)用水與廢水，2004，35(3):25-27.