（环境工程专业论文）黑曲霉a80产生物絮凝剂的培养条件及其絮凝特性研究.pdf

s t u d yo nt h ec u l t u r a lc o n d i t i o n sa n df l o c c u l a n t i n gc h a r a c t e r i s t i c o nm i c r o b i a ln o c c u l a n t sp r o d u c e db y 彳印p 曙i 刀扰s 刀咖厂 a b s t r a c t m i c r o b i a ln u c c u l a n t sa r en a t u r a lp o l y m e r su s e df o rw a t e rt r e a t m e n tw h i c h p r o d u c e db ym i c r o o 唱a n i s m sd u r i n gt h e i rg r 0 、t h ，t h e y a r ec o m p o s e dm a i n l yb y g l y c o p r o t e i n ，p o l y s a c c h a r i d e ，p r o t e i n ，n u c l e i ca c i da 1 1 d s oo n b e c a u s eo ft h e i r h i 曲 e m c i e n c y ，s a f e t y a 1 1 d b i o d e g r a d a b i l i t y ，t h i s k i n d o f n o c c u l a n t so v e r c o m et h e e r i r o m e m a lp r o b l e m sc a u s e db yt h ei n o 玛a n i ca n ds y n m e t i cp o l y m e rf l o c c u l a n t s t h es t u d i e so fm i c r o b i a ln o c c u l a n t sh a v ed r a 、nm o r ea n dm o r e 砒e n t i o n s t h ep 印e rc o n c e n t r a t e so nt h eo p t i m i z a t i o no fc u l t u r em e d i u ma j l dc u l t i v a t i o n c o n d i t i o no f 彳印p 曙f f f 螂嘲罗r ( a 8 0 ) i s o l a t e d ，i d e n t i f i c a t e db yo u rl a b o r a t o 巧t h e n o c c u l a n t sp r o d u c e db ya 8 0w a sp r e c i p i t a t e db ye t h a i l o la j l dp u r i f i e db yh e x a d e c y l t r i m e t h v la m m o n i 啪b r o m i d e t h en o c c u l a n t i n g c h a r a c t e r i s t i ca n dc h e m i c a l c o m p o s i t i o no fm i c r o b i a l n o c c u l a n t sw a sa n a l y s e d i n f r a r e ds p e c t i u ma n dg e l f i l t r a t i o nc l l r o m a t o g r a p h yw a su s e dt oi d e n t i f yt h e f e a t u r e sg r o u p sa n dm 0 1 e c u l a r w e i g h t ，w h i c ha i m e d t o a n a l y s en o c c u l a t i o n m e c h a n i s mf r o mt h ep o i n to f c o m p o s i t i o n a 1 1 d g r o u p sa n dp r o v i d eg u i d a n c e f o ri n d u s t r i a lu s eo fm i c r o b i a l n o c c u l a j l t s t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h eo p t i m a lc u l t u r a lc o n d i t i o n sw e r ea sf 0 1 l o w s ：10 0 ls u c r o s ea sc a r b o n s o u r c e ，1 6 ly e a s te x t r a c ta sn i t r o g e ns o u r c e ，i n i t i a lp h o fc u l n l r em e d i u m5 - 6 2 ) e x p e r i m e n to nn o c c u l a t i o ne m c i e n c yc h a n g e dw i t hi n c u b a t i o nt i m es h o w e d t h a tt h em i c r o b i a ln o c c u l a n t sp r o d u c e db ya 8 0 r e a c h e dt h em a x i m u ma c t i v i t yw h e n c u l t i v a t e da r e r4 8 h t h er e s u l t so ff l o c c u l a t i o na c t i v e d i s t r i b u t i o ni n d i c a t e dt h a t n o c c u l a n ta c t i v i t yo fm i c r o b i a ln o c c u l a n t sm a i n l y e x i s ti nt h ef e m e n t e dl i q u i dw i t l l m y c e l i u mp l a y e das m a l ls u p p o r t i n gr o l e w i t hk a o l i nc l a ys u s p e n s i o n a st e s ts a n l p l e ， w h e nf e m l e n t a t i o nb r o t ho fa 8 0o b t a i n e do nt h e 4 8h o u r s ，i n i t i a lp hw a s5 0 ， n o c c u l a n td o s a g ew a s2 5 ( v 0 1 u m ef r a c t i o n ) ，t h e m i c r o b i a ln o c c u l a n th a da 1 1 o p t i m a ln o c c u l a t i o no fk a o l i nc l a ys u s p e n s i o n ( 9 3 6 ) t h em i c r o b i a l n o c c u l a l l t s h a dg o o ds 讪i l i t yo nt e m p e r a t u r ea j l dp h c h a n g e ，w h e np hc h a n g e df r o m2t ol0a 1 1 d t e m p e r a t u r ec h a n g e df r o m4 t o1o o ，t h en o c c u l a n ta c t i v i t ym a i n t a i n e da t7 0 a b o v e 3 ) a n a l y s i so np u r en o c c u l a n tp r o d u c t si n d i c a t e dm a t ：t h i sb i o f l o c c u l a n tm a i n l y c o m p o s e db ya c i d i cp o l y s a c c h a r i d e s ( p o l y s a c c h a r i d ec o n t e ma c c o u n t sf o r8 8 3 ) ， n e x t 、v a sn u c l e i ca c i dw i t hc o n t e n to f1 1 6 4 ( 、v w ) a i l dv e r yl i t t l ep r o t a i n s e m s h o w e dt h a t i t s 印p e a r a n c ep r e s e n t sac a t e n u l i f o m l ，m e m b r a n o u sw i t hv i l l o u s p r o j e c t i o n f t - t rd e m o n s t r a t e dt h a ti tc o n t a i n st h et y p i c a lc h a r a c t e r i s t i cg r o u p sa 1 1 d b a s e so fp o l y s a c c h 撕d e ，l i k ec a r b o x y lg r o u p ，h y d r o x y la 1 1 ds oo n w h a t sm o r e ，t h e r e s u l to f g p cs h o w st h a tt h em wo f t h em b fi s7 8 5 8 1 0 4 d a k e y w o r d s ：么印p 曙f 刀淞，z 瑶y ，m i c r o b i a lf l o c c u l a n t s ，k a o l i nc l a y ，f l o c c u l a t i o n v 黑曲霉a 8 0 产生物絮凝剂的培养条件及其絮凝特性研究 0 前言 近几十年来，我国经济快速发张，工业化水平不断提高，工业和生活污 水的排放量也逐年递增。随着生活水平的提高，人们对于污水处理的要求也越来 越高，在污水处理中所产生的大量污泥的处理处置负担原来越重。由于我国长期 存在“重水轻泥”的倾向，市政污泥的处理处置处于一种尴尬的境地，污泥的随意 堆放问题及其所引起的环境污染与再污染问题已经f i 益显现出来，污泥处理不当 问题已经成为环境领域面临的的重大问题之一，引起了环境行业业内人士的广泛 关注，污泥能否得到有效处理与处置也成为制约整个污水处理行业发展的一个重 要因素。但是高昂的污泥处理费用成为制约许多污水处理厂运行规范化的污泥处 置系统的关键。由于污水处理过程中产生的污泥含水率很高，体积庞大，非常不 利于污泥的存储、运输和最终处置。 近年来絮凝剂被广泛地应用于工业废水处理、食品生产和发酵等工业中。絮 凝剂在废水预处理中有着重要的作用，能够去除水体中大多数的悬浮、胶体物质 以及微生物，可以改善污泥的沉降性能，提高污泥脱水效果，还可以有效处理水 体富营养化、废水脱色等问题【1 1 。本文的研究对象是一株能够产生高效微生物 絮凝剂的菌株一黑曲霉a 8 0 ，利用高岭土悬液模拟废水探究了该絮凝剂的絮凝性 能、絮凝机理及生化组成等，为微生物絮凝剂的开发研究可大规模工业化利用提 供参考数据，对于改善污泥沉降性能、改变污泥处理处置的尴尬现状提供了思路。 1 黑曲霉a 8 0 产生物絮凝剂的培养条件及其絮凝特性研究 1 1 絮凝剂的定义与分类 1 绪论 絮凝剂是粘附水中的颗粒、胶体物质、悬浮颗粒使之聚集生成絮状物的药剂， 几年来由于日益严重的水污染等问题凝剂被广泛地应用于工业废水处理、食品生 产和发酵等工业中。絮凝剂在废水预处理中有着重要的作用，不仅能够去除水体 中大多数的悬浮、胶体物质以及微生物，还可以有效处理水体富营养化、废水脱 色等问题，同时絮凝剂可以改善污泥的沉降性能，提高污泥脱水效果【l j 。 目前常用的絮凝剂种类包括无机高分子絮凝剂、和有机高分子絮凝剂两大 类，而有机高分子絮凝剂又分为合成有机高分子絮凝剂和天然高分子絮凝剂两大 类。无机高分子絮凝剂是在上世纪6 0 年代的铁盐、铝盐基础上发展起来的，主 要有聚合硫酸铝( p a s ) 、聚合氯化铝( p a c ) 、聚合硫酸铁( p f s ) 、聚合氯化铁( p f c ) 等，无机絮凝剂虽然价格低廉，但效果较差，应用较少。合成有机高分子絮凝剂 的种类很多，如阴离子型的聚丙烯酸钠、阳离子型的苯烯酞胺、非离子型的聚丙 烯酞胺等。其中聚丙烯酞胺类絮凝剂的应用最为广泛。在我国，聚丙烯酰胺及其 衍生物约占有机合成高分子絮凝剂总量的8 5 【2 【3 。与无机絮凝剂相比，合成有 机高分子絮凝剂用量少，絮凝速度快，受环境影响小，产生的污泥容易处理。但 是合成的有机高分子絮凝剂大都具有毒性，例如目前使用较多的聚丙烯酰胺等， 这些聚合物分解产生的单体具有强烈的致畸、致癌、致突变效应，对环境和人体 健康有很大的威胁。并且有机合成高分子絮凝剂的含水率很高，产生的污泥体积 庞大【4 j 。天然高分子絮凝剂主要是把天然有机高分子物质如纤维素、淀粉、植物 胶等进行化学改性获得的高分子絮凝剂【5 】。天然高分子改性絮凝剂具有活性基团 多、原料足、价格便宜、毒性低等优点，但电荷密度较小，易被生物降解失去活 性。目前的产品主要包括淀粉类衍生物及由多聚糖改性的絮凝剂【6 9 】。 1 2 微生物絮凝剂 微生物絮凝剂( m i c r o b i a lf l o c c u l a n t s ，m b f ) 是由微生物产生的一类具有絮 凝活性的高分子化合物，可能是微生物细胞壁的提取物、微生物细胞，也可能是 2 黑曲霉a 8 0 产生物絮凝剂的培养条件及其絮凝特性研究 微生物的代谢产物。微生物絮凝剂作为一种天然的高分子絮凝剂，除具有优良的 絮凝活性外，克服了无机和有机絮凝剂在使用安全和环境污染方面的问题，易于 被生物降解、无毒、对环境友好、使用安全。能产絮凝剂的微生物种类很多，生 长速度快，因而可用生物工程的手段实现工业化生产应用，从而使微生物絮凝剂 具备了广阔的应用前景，受到各国水处理工作者的重视 1 0 】【l l 】。 1 2 1 微生物絮凝剂的分类 按照来源可以把微生物絮凝剂分为4 类【1 2 4 曰：直接利用微生物细胞的絮凝 剂，例如某些细菌、霉菌、放线菌和酵母等，这些微生物有些细胞表面附有荚膜 层或粘液层，有的菌体表面具有附属结构( 菌毛和纤毛) ，还有的细胞表面具有 活性基团可以起到吸附作用。例如1 酞a g ih 等发现p 口g c f f o 矾y c e j 的絮凝活性同 时存在于菌体悬浮液与发酵液上清液中【1 引。以微生物细胞壁的提取物作为絮 凝剂，例如酵母细胞壁、丝状真菌的细胞壁等，目前用作絮凝剂的褐藻酸就属于 这种类型的絮凝剂。利用微生物的代谢产物作为絮凝剂，微生物细胞产生代谢 产物有两类，一类是存在于胞内作为内源代谢产物，另一类是分泌到细胞表面形 成荚膜或者脱离细胞游离于培养基中。其主要成分是多糖、多肽、蛋白质、脂类 等，k c r a b 仃e e 【1 7 j 等人发现z o o g l o e ar a m i g e r a 细菌的胞内聚合物p h b 具有絮凝 活性，许多菌体细胞内积累的多聚磷酸盐也可作絮凝剂。目前研究的微生物絮凝 剂大多为微生物代谢产物分泌到周围培养基中的活性物质。克隆技术所获得的 絮凝剂，主要是通过基因工程技术将高效絮凝剂基因转移到生长发育快的菌体 中，建立高效的遗传菌株，如光合细菌，亚硝化杆菌，这种克隆的絮凝基因能够 在降解多种底物的同时产生絮凝剂【1 8 ，目前美国在这方面的已经做出一定成效。 根据化学组成的不同，微生物絮凝剂又可以分为：( 1 ) 糖类物质，目前发现 的微生物絮凝剂中大都含有糖类物质，例如c 砌刀0 6 臼c 胞r f 甜聊p 办，m 砌甜聊印j 1 代 谢的絮凝剂是由糖醛酸、鼠李糖、甘露糖等构成的一种硫酸酯化的杂多糖； 户口p c 泐m y c p ss p i 1 产生的絮凝剂则是一种粘多糖，主要由氨基半乳糖相互连接 形成【1 9 】；彳，c 口z 埒p 门p sc 印j 砌sk t 2 0 1 代谢产生的絮凝剂则是由葡萄糖、乳糖、糖 醛酸等构成的【2 0 】。( 2 ) 多肽、蛋白质和d n a 类物质，据报道己知絮凝能力最好 的微生物絮凝剂n o c 一1 的主要成分就是蛋白质川【2 2 j ；a p “幽m o 聆傩印生成的 3 黑曲霉a 8 0 产生物絮凝剂的培养条件及其絮凝特性研究 絮凝剂是一种酸性蛋白和少量酸性多糖构成的絮凝剂2 3 】；光合细菌r 办d 如v “胁聊 印p s 8 8 的絮凝剂就是该菌分泌到胞外的一种d n a 2 4 1 。( 3 ) 脂类物质，目前唯一 发现的脂类絮凝剂是k u r a i l e 从r 肋面c o c c “sp 砂r 向，叩d 凰的培养基中分离出来 的微生物絮凝剂2 2 1 。随着生物技术的发展，微生物絮凝剂还可以分为混合菌株、 纯种菌株、基因工程构建茵三类菌及其所产生的絮凝剂。 1 2 2 微生物絮凝剂产生菌 b 仳e r f i e d 在1 9 3 5 年就从活性污泥中分离筛选到了能够产生微生物絮凝剂 的菌种，但是对于微生物絮凝剂的深入研究始于是从1 9 7 6 年j n a k a m u r a 等 人的对酱油曲霉的研究工作开始的【2 5 】- 【27 1 。此后的研究发现能产生絮凝剂的微生 物有很多种类，通常土壤、活性污泥和沉淀物都是分离高效微生物絮凝剂产生菌 的好场所。表1 1 列出了目前已研究过的可以产絮凝剂的微生物，包括细菌、放 线菌、真菌以及藻类。 1 2 3 微生物絮凝剂物质结构及特点 1 2 3 1 微生物絮凝剂的成分和结构 微生物絮凝剂的种类因为产絮凝剂的微生物种类不同而有所差别，从化学本 质上来讲，主要是微生物代谢产生的各种多聚糖、蛋白质，或者是它们的聚合物， 除少数外，分子量大都在几十万到几百万。多聚糖中有些是杂多糖，有些是同多 糖，有些絮凝剂中还含有无机金属离子如c a 2 + 、m 9 2 + 等。微生物絮凝剂的结构 各异，目前己知的微生物絮凝剂的微观立体结构【5 6 有两种：( 1 ) 纤维状：是絮 凝体形成过程中的颗粒间连接物，例如从n o e a r d i a a n a r a e 【2 别中提取的蛋白质絮凝 剂是有由丙氨酸、甘氨酸、丝氨酸构成的丝绸一样的纤维状结构；( 2 ) 球状：如 酱油曲霉中获得的絮凝剂中是由聚己糖胺、蛋白质、2 葡萄酮酸三种成分组成的 口6 | ，2 葡糖酮酸的存在使得微生物絮凝剂具有球形的结构。如果去掉该成分，微 生物絮凝剂的微观结构和絮凝行为模式都会发生变化。另外，通过红外光谱分析， 发现微生物絮凝剂的化学结构主要包括一些有助于物质絮凝作用的基团，例如羧 基、羟基、氨基、磷酸基等。 4 黑曲霉a 8 0 产生物絮凝剂的培养条件及其絮凝特性研究 表1 - 1 产微生物絮凝剂的微生物种类及名称 产生菌种类产生茵名称 菌种发现者及时间 r e 聊1 1 r o p 0 1 i s 红平红球菌k u r a i l e 等1 9 8 6 c l a t u s 协腹产碱杆菌k u r a 芏1 e 和n o r a n e ，1 9 9 1 ，1 9 9 4 c a l i g e n e sf a c a l i s 粪产碱茵s h i m i z i u 1 9 8 5 c o r y l l e b a c t e r i u m 棒状杆菌 到i c 和k n e t t i n g ， 19 71 c o 驴e b a c t e r i u mb r e v i c a l e 棒状杆菌 t o n g 等，19 9 9 d e m a t i n u ms p 暗色孢属 m i s r a ，等，1 9 9 3 p s e u d o m o n a sf l u o r e s c e n t 荧光假单胞茵 n a k a m u r a 等，1 9 7 6 细菌p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s a 铜绿假单胞菌 n a k a m u r a 等，1 9 7 6 b a c i l l ss p 芽孢杆菌属 k i m 1 9 9 3 k l u y v e f 0y c e sm 嬲i a n u s 肺炎克雷白氏杆菌n a k a t a k 等，1 9 9 9 f l a v o b a c t e r i u ms p 黄杆菌属 e n d o 等，19 7 6 l a c t o b a c 订l u sf e n n e n t u m 乎l 酸发酵菌 f u m i o 1 9 7 6 b r e v i b a c t e r i u mi n s e c t i p h i l u m 嗜虫短杆菌 n a k 枷u r a 等，19 7 6 s t a p h y l o c o c c u sa u r e u s 金黄色葡萄球菌n 妇n u r a 等，1 9 7 6 a 舒o b a c t e r i u ms p 土壤杆菌属k u r a n e 和m a t s u y 啪a ，19 9 4 n o c a r d i a a m a r a e 附( e d a 等，19 9 2 n o c a r d i ar e s t r i c a 橡虫诺卡氏茵t b n g 等，1 9 9 9 、，。 n o c a r d i ac a l c a r e a 石灰诺卡氏菌t b n g 等，1 9 9 9 放线菌 一 n o c a r d i a r h o d n i 红氏诺卡氏菌 t o n g 等，1 9 9 9 s t r e p t o m y c e s 刚s e u s 灰色链霉菌s h i m o f h m y a 等，19 9 6 s t r e p t o m y c e sv i n a c e u s 酒红色链霉菌n a k 咖u r a 等，1 9 7 6 1 2 3 2 微生物絮凝剂的特点 与传统的无机絮凝剂和合成有机高分子絮凝剂相比，微生物絮凝剂具有明显 的优势和独特的特点： ( 1 ) 易生物降解，无毒无害，环境安全性高；微生物絮凝剂是微生物菌体 代谢分泌的高分子聚合物或者菌体本身，其成分多为蛋白质、多糖、糖蛋白或者 5 黑曲霉a 8 0 产生物絮凝剂的培养条件及其絮凝特性研究 d n a ，是一种天然存在的高分子有机物。通过相关的毒理学实验可以证明微生 物絮凝剂的安全无毒，例如邓述波等人2 9 1 将芽孢杆菌所产生的微生物絮凝剂给 小白鼠喂食，发现小白鼠一次性吞食1g l ( g 的该絮凝剂，未发生急性中毒现象， 另外，将从r e r y t l l r o p 0 1 i s 2 1 】【2 2 1 中提取的絮凝剂注射到小鼠体内也没有造成毒性 效应。因此，微生物絮凝剂不仅可以应用于污水处理行业，还可以在水处理、食 品、医药等行业中发挥作用。 ( 2 ) 具有可生化性，不会带来二次污染；目前使用较多的无机高分子絮凝 剂如铝盐和铁盐两大体系以及合成的有机高分子絮凝剂如聚丙烯酰胺等虽然具 有较好的絮凝效果，但是都存在严重的二次污染问题。例如铝盐及其聚合物的使 用会使大量的铝离子进入到水体中，给水生生物的生存造成威胁，并间接威胁人 类的健康。而常用的合成高分子有机物质进入环境后很难被生物降解，并且构成 这些高分子物质的单体具有很强的毒性和致癌性等，成为人类健康的一大隐患。 而同样作为有机高分子物质的微生物絮凝剂是一种天然存在的物质，自身具有很 好的微生物降解特性，并且由于其组成成分大都是一些多糖、蛋白质等，因而完 全不存在二次污染的问题。 ( 3 ) 来源广泛，生产周期短，使用成本低；首先，能够产生絮凝剂的微生 物广泛存在与土壤、水体和活性污泥中，来源广泛，易于采取生物工程的手段实 现产业化生产；其次，微生物繁殖速度快、转化能力强，使得微生物絮凝剂的生 产时间短且生产效率较高；再次，微生物絮凝剂是由微生物自主发酵生产的，而 化学絮凝剂是由人工合成的，因而在能耗和原材料方面微生物絮凝剂要比化学合 成絮凝剂的成本低；最后，在工业处理中使用生物处理技术要比使用化学处理技 术节约1 3 【3 0 j 的费用。 ( 4 ) 具有多功能性，适用范围广；微生物絮凝剂因其无毒无害性，不仅可以 再污泥脱水、废水脱色、有机物质降解等工业污染治理方面发挥作用，还可以在 食品发酵、给水处理和生物发酵等领域得到广泛应用。微生物絮凝剂不仅仅对悬 浮物具有优异的絮凝效果，还具有良好的脱色和重金属沉淀性能，对于印染废水、 造纸废水等有良好的脱色效果，同时还能够提高对油和无机超微粒的净化效果。 微生物絮凝剂能处理的对象包括：膨胀污泥、畜产废水、工业有色废水、含油废 水、活性污泥等，应用范围是非常广泛的。如在乳化液的油水分离实验中，用协 6 黑曲霉a 8 0 产生物絮凝剂的培养条件及其絮凝特性研究 腹产碱杆菌的培养物，可以很容易地将棕榈酸从其乳化液中分离出来，在液面形 成清楚可见的油滴【1 4 【3 1 】，而将其培养物用于处理有色废水时，可以清晰地看到 絮凝体悬浮在表面，下层水体的透光率堪比自来水，脱色率可达9 0 。 此外，微生物絮凝剂易于固液分离，沉降效率高，只形成少量沉淀物；某些 絮凝剂的絮凝效果不受p h 和温度影响，稳定性强。因此，寻找传统絮凝剂缓 解环境威胁的今天，微生物絮凝剂得到了越来越高的重视。 1 2 4 微生物絮凝剂的絮凝机理 关于微生物絮凝剂的絮凝机理还没有一个确定的结论，迄今为止关于微生物 絮凝剂的絮凝机理有许多种假说，例如“吸附架桥”说、“类外源絮凝聚素”假说、 “病毒”假说、电荷中和作用假说、化学反应假说、三维基质模型假说等陋3 8 1 ，目 前被普遍接受的是“桥联”机理，即微生物絮凝剂的絮凝过程是由吸附架桥、化学 反应、电中和作用、卷扫( 网捕) 作用等物理化学反应共同作用的结果【3 2 】3 9 4 5 】： 吸附架桥机理认为，絮凝剂大分子借助离子键、氢键、静电引力等，同时结 合了多个颗粒分子，当絮凝剂分子的长度足够大，超过了溶液中胶体颗粒间产生 排斥力的有效作用范围时，就可以在颗粒间起“中间桥梁”的作用，把这些颗粒搭 桥形成一张巨大的三维结构网沉淀下来【4 6 】。吸附架桥作用分为两类：一类是带 负电荷的胶体颗粒与带正电荷的阳离子高分子絮凝剂的架桥。另一类是带相同电 荷物质的架桥，如带负电荷的胶体颗粒与带负电荷的有机高分子之间相互架桥。 吸附架桥作用是桥联机理的核心内容，也是促进胶体物质沉淀的主要的作用力。 l e v v 等 4 7 】通过实验发现，根据等温线和z e t a 电位可以看出环圈项圈藻所产的絮 凝剂在絮凝膨润土的过程中，是以“桥联方式”絮凝的。电镜照片上明显看出聚合 细菌间通过胞外聚合物的搭桥相互连接在一起，从而使膨润土的胶体脱稳，絮凝 成较大颗粒沉降下来。 电中和作用认为水中胶体绝大多数带有一定的负电荷，当带有一定正电荷的 链状生物大分子絮凝剂或其水解产物与胶粒表面接触时，借助离子键和氢键作 用，部分负电荷得到中和，颗粒间彼此的排斥力减弱，胶体脱稳。脱稳的胶粒之 间、胶粒与絮凝剂分子之间易发生互相碰撞并通过分子问作用力凝聚【4 引，当这 些凝聚的胶体足够大时会在重力的作用下沉降下来。处理废水时加入金属离子或 7 黑曲霉a 8 0 产生物絮凝剂的培养条件及其絮凝特性研究 调节p h 值可显著增强影响某些生物絮凝剂的絮凝效果，主要是通过影响其带电 性而产生凝聚效果【2 0 】。 化学反应机理认为微生物絮凝剂的絮凝活性大部分依赖于分子中的某些活 性基团，当这些活性基团与被絮凝的物质接触时会发生相应的化学变化，从而与 被絮凝物质互相聚集，形成大分子物质，在重力作用下沉降，通过对絮凝剂分子 中的某些活性基团进行改性，絮凝活性将会受到影响，例如在不同的温度下微生 物絮凝剂的活性基团会受到影响，从而絮凝活性发生变化拉3 1 。 卷扫作用( 网捕作用) 机理认为，在一定投加量的微生物絮凝剂的作用下， 胶体物质通过桥联、电中和等作用形成由细小絮体颗粒构成的絮网，这些絮体在 重力作用下沉降，犹如一个过滤网下降，迅速网捕、卷扫水中胶体颗粒，产生沉 淀分离。可以把这种作用看成一种机械作用，实验证明，絮凝剂的添加量需要与 水中悬浮颗粒的含量成正比。在絮凝前需要进行高速地搅拌注入一定的能量，使 絮凝剂与胶体物质充分接触，但过多的能量会剪切己形成的絮凝沉淀物，破坏絮 网，所以，进行絮凝处理时要先高速搅拌后低速搅拌。 “桥联”机理可以解释大多数微生物絮凝剂的絮凝机理，以及一些因素对絮凝 的影响，目前也有不少实验对为这一机理提供了论据。除“桥联”机理外，其它的 一些解释絮凝机理的学说，如b u t t e r f i e l d 的黏质假谢4 9 1 、f r i e d m a n 的菌体外纤 维素纤丝学说1 3 3 j 等分别从不同的角度出发，都能部分的解释微生物絮凝剂的絮 凝现象，例如类外源絮凝聚素假说是针对酵母菌的絮凝机理提出的，菌体外纤维 素纤丝学说则可以很好地解释纤维素类絮凝剂的絮凝机理。但是，仍然有些现象 是上述机理暂时无法解释的，比如o e r s k o v i a 、a c i n e t o b a c t e r 、a g r o b a c t e r i u m 和 e n t e r o b a c t e r 这几种微生物在混合培养时能够发生相互作用，产生良好的絮凝性， 但是单独培养时却全部丧失絮凝活性【5 0 j 。从微生物絮凝剂的多样性以及絮凝范 围的广泛性可以断定，絮凝机理肯定是多样的。为了更好地对絮凝机理作出解释， 需要对特定絮凝剂及胶体颗粒的组成、电荷、结构及各种反应条件的影响进行更 深入的研究，同时可以考用计算机技术进行模拟。s e r g es t o l l 等在使用计算机模 拟絮凝过程确定胶体直链结构、及所占比例等方面取得了一定的成果【5 1 1 。 8 黑曲霉a 8 0 产生物絮凝剂的培养条件及其絮凝特性研究 图1 1 吸附架桥机理示意图 1 2 5 影响微生物絮凝剂产生的因素 微生物絮凝剂的产生受到很多因素的影响，主要是遗传因素和环境因素两大 类，其中环境因素又包括培养基的成分、培养基的初始p h 值、培养温度、培养 时间等。不同因素的影响程度因菌株的不同而有差异。 ( 1 ) 遗传因素，传与变异是一切生物最根本的属性，d u b e l 【5 2 】的实验结果表明， 微生物絮凝剂的产生是受基因调控的。这种基因调控是一个非常复杂的过程，涉 及到定位基因的相互作用、表达等。目前人们已经从酿酒酵母中发现了至少1 4 个基因与絮凝作用有关，并且部分基因已经被成功的克隆出来【5 3 j 【5 引。但是对于 全面了解微生物絮凝剂的基因遗传控制还需要进一步研究。 ( 2 ) 培养基成分，包括碳源、氮源、碳氮比以及其他一些物质如生长因子、有 机酸、无机盐等。碳源对絮凝剂的合成有很大影响，它不仅可以提供细胞生命活 动所需的能量、合成产物的碳架，而且对絮凝剂的产生、生成量的多少起着重要 的作用。研究表明，葡萄糖、果糖等单糖有利于菌体的吸收和利用，从而促进絮 凝剂的产生，例如在r e 聊h o p o l i s 的培养中发现，当葡萄糖、果糖等为碳源时， 絮凝剂的产量较高，而以橄榄油为碳源虽然细胞正常生长，却不利于絮凝剂的合 成【2 4 】【5 5 】。近期也有报道指出，最适合微生物生长的碳源往往不是产絮凝剂的最 佳碳源。氮源对絮凝剂的产生和产量也有重要影响，主要包括无机氮源和有机氮 源两大类，其中无机氮源中硫酸铵和尿素最有利于絮凝剂的产生，在有机氮源中， 酵母膏的酪蛋白氨基酸最佳。碳氮比对于絮凝剂的合成也有影响，适当的碳氮比 例，有助于微生物的发酵生长。另外，无机盐的添加对絮凝剂的产生也有一定的 9 黑曲霉a 8 0 产生物絮凝剂的培养条件及其絮凝特性研究 影响，例如对于黄质菌属，c a 2 + 存在有利于菌丝生长和絮凝剂分泌，但高浓度 m 9 2 十的存在对絮凝剂合成十分不利。培养基中的其他物质，如生长因子、有机酸、 e d t a 等通过调节絮凝基因的表达或者修饰絮凝剂而对微生物絮凝剂的形成产 生不同的影响。 ( 3 ) 环境条件，如培养基的初始p h 值、培养温度、转速、培养体积等。不同 的絮凝剂产生菌具有各自最适合的生长温度和产絮凝剂的温度，并且有些情况下 这两种温度是不同的，例如酱油曲霉a j 7 0 0 2 在2 5 时菌体的生长速度最快但 是在3 0 3 4 时絮凝剂产量最高【的】。最适温度一般在3 0 左右，温度过高或者 过低都会影响微生物的生长甚至导致死亡。培养基的初始p h 不仅能影响絮凝剂 的分布位置，而且还能影响絮凝剂表面的电荷性质，从而影响微生物絮凝剂吸附 絮凝的能力。初始p h 值一般控制在6 0 9 5 ，例如大肠杆菌e 9 在培养基初始 p h 为7 时絮凝效果最好，酱油曲霉在初始p h 值为6 时根本没有絮凝活性。 1 2 6 影响絮凝剂絮凝能力的因素 1 ) 被絮凝物质性质及絮凝剂自身性质：许多细菌、真菌、放线菌的培养物及菌 体具有很广泛的絮凝性能，能够絮凝高岭土、活性炭、污泥、土壤固体悬液、底 泥、煤灰等物质，但是有些菌种如酱油曲霉的絮凝剂絮凝范围非常的窄，这说明 絮凝剂的絮凝性能受到被絮凝物质性质的影响。另外絮凝剂的分子结构和分子量 不同，其絮凝性能的差异也非常大，一般有线性结构的大分子絮凝剂的絮凝效果 较好，如果分子结构是交联结构，絮凝效果就差；分子量大，吸附位点就多，絮 凝效果就显著，目前获得的多糖或蛋白质为主要成分的絮凝剂分子量在1 0 4 1 0 6 之间，但是分子量过大，导致分子链折叠，反而不利于吸附胶体颗粒。 2 ) 絮凝环境的p h 值：p h 不仅可以改变絮凝剂表面的电荷性质，还可以改变被 絮凝物质所带电荷的性质、电量等。不同的絮凝剂絮凝不同的物质所需的环境 p h 值是不一样的，适合的p h 值可以减少絮凝是的投加量并且获得良好的絮凝 效果，不合适的p h 值会降低絮凝剂的絮凝活性，使絮凝效果变差。例如酱油曲 霉1 27 j 【5 7 j 所产生的絮凝剂在p h 为4 7 5 时，絮凝能力最强，当p h 为3 或8 时，其絮凝活性急剧下降为零；p a c i l o m y c e ss p 产生聚半乳糖胺在p h 为4 7 5 时，絮凝能力最强；而a y l l 【58 j 所产絮凝剂在p h 在6 1 2 的范围内絮凝率均达 1 0 黑曲霉a 8 0 产生物絮凝剂的培养条件及其絮凝特性研究 到8 0 以上。 3 ) 絮凝剂的投加量：无论是合成的絮凝剂还是天然的絮凝剂，在使用过程中都 存在一个最佳添加量，过多或者过少都会降低絮凝剂的效果。同时对于不同的被 处理对象，絮凝剂的最佳投加量是不同的。李剑等【5 9 】实验发现微生物絮凝剂 b l l y 0 5 对0 4 高岭土悬液的最佳投加量为1 5 m l ；刘立儿等 6 0 】通过h h e p 7 所产絮凝剂对高岭土悬浊液的絮凝效果研究发现，絮凝剂的投加0 5 m l 时，絮 凝率达到最大值9 3 。适当的絮凝剂投加量能够有效促进被絮凝物质的絮凝沉 淀，据研究表明，絮凝剂投加的最佳值大约是固体颗粒表面吸附大分子化合物达 到饱和时的一半吸附量 6 l j ，例如p s e u d o m o n a ss p a 9 9 产生的微生物絮凝剂的最 佳的投加量是2 0 m l l ，当投加量增大到1 0 0m l 以后就无明显的絮凝效果【6 2 j 。 4 ) 金属离子和其他无机离子：研究发现，大部分金属离子对絮凝性能有很大影响， 一定浓度的金属离子可以加强絮凝剂分子与悬浮颗粒间的架桥作用和中和作用 从而使胶体脱稳，形成大的絮团沉降下来。金属离子浓度过高过低对絮凝的影响 都很大，并且不同的金属离子对絮凝剂的絮凝活性影响也不一样。即使在不有金 属离子的微生物絮凝剂中，添加一些金属离子也能提高其絮凝活性。目前对于金 属阳离子n a + 、c a 2 + 、m n 2 + 、m g ”、a 1 3 + 等研究比较多，微生物絮凝剂中起絮凝 作用的羧基暴露的数量越多，二价金属离子的桥架效果就越好，絮凝效果也就越 理想。但是金属离子浓度过高会大量占据絮凝剂分子的活性位置，不利于悬浮颗 粒与絮凝剂的接触吸附，反而降低了絮凝效果。关毅等研究了k + 、n a + 、c a 2 + 、 m g ”、a 1 3 十、f e 3 + 等金属阳离子对微生物絮凝剂絮凝性能的影响，结果发现金属 离子助凝作用的强弱与离子的价态相关，并且三价 二价 一价。其中f e ”的加入 可以使培养液的絮凝率达到9 8 【6 川。 1 2 7 微生物絮凝剂的研究现状及发展趋势 微生物具有絮凝作用最早是1 8 7 6 年法国的l o u i sp a s t e u r 在研究酵母菌 l e v u r e c a s s e e u s e 时发现的，而微生物絮凝剂的实验研究始于1 9 3 7 年，b 们e r f i e l d 【5 1 】 从活性污泥中筛选出了一株能够合成微生物絮凝剂的菌株，后来知道上世纪的七 十年代中期，对微生物絮凝剂才开始有了较深入的研究。1 9 7 6 年n 她u r a 【删 等人筛选出了1 9 个具有絮凝活性的菌株，其中酱油曲霉a j 7 0 0 2 显著地絮凝效 1 1 黑曲霉a 8 0 产生物絮凝剂的培养条件及其絮凝特性研究 果引发了后来对微生物絮凝剂的大量研究。上个世纪8 0 年代，国外很多知名的 微生物学者在微生物絮凝剂研究方面取得了很大成就，例如1 9 8 6 年r y u i c l l i r o k u r a n e ( 6 5 1 等从自然界分离、筛选得到一株红球菌属的菌株，并且制备了目前发现 的最好的用于废水絮凝脱色的微生物絮凝剂n o c 1 ，此后又有不少学者对 n o c 1 进行了深入研究，同时积极寻找新型的高效微生物絮凝剂产生菌。迄今 为止已经发现多株具有不同性能的微生物絮凝剂产生菌，这些菌株广泛分布于细 菌、真菌、真菌和藻类中。 由于我国的污水排放量日益增高，污水处理要求也越来越高，微生物絮凝剂 产生菌的研究开始逐渐受到重视，但是我国对于微生物絮凝剂产生菌的研究较 晚，与国外相比有较大差距，研究出来的微生物絮凝剂大多处于试验室阶段【6 9 】。 但是越来越多的科研工作者意识到了微生物絮凝剂的开发潜力，正努力投入到这 方面的工作中，也取得了不少成绩。例如张本兰、邓波等学者研究出的微生物絮 凝剂，具有良好的絮凝活性，对于废水处理的除浊脱色能力非常出众：山东大学 的王镇等人【7 0 】【7 l 】从土壤和活性污泥中筛选的4 株絮凝剂产生菌在适宜的条件下 对高岭土的絮凝率很高，而且絮凝范围广、对果汁、泥浆水、染液等均具有较好 的絮凝效果和较高的絮凝速率；庄源益、戴树桂等从土壤中筛选出六株对染料废 水有较好絮凝能力的菌株【7 2 】【7 3 】；宫小燕等从土壤中筛选到一株多粘类芽孢杆菌 b y - 2 8 ，能有效去除水中溶解性有机染料【7 4 1 ；陶涛、康建雄等人由黑酵母发酵产 生的微生物絮凝剂普鲁兰对味精废水的处理效果优于硫酸铝【7 5 】 7 6 】；李蒙英等组 建的真菌和细菌共培养体系1 2 种染料的降解效果很好，表现出脱色降解染料的 广谱性【7 ”。但这些研究只是停留在实验室的研究阶段，并未见实际的工业应用 报道。李剑等人筛选到一株絮凝剂高产菌株，采用乳品生产废水作为发酵培养基 进行中试生产，使微生物絮凝剂的应用和研究向前推进了一大步。目前，制约微 生物絮凝剂工业化生产的一个重要因素就是缺少性能稳定且优良的絮凝剂高产 菌株，因此，絮凝剂高产菌株的筛选分离工作的开展对推进我国絮凝剂工业化生 产具有重要意义。 鉴于目前的研究现状，微生物絮凝剂今后的发展趋势如下f 7 0 】【7 5 】：( 1 ) 筛选高 效新型絮凝剂产生茵，利用基因工程手段构建工程菌。自然界的微生物种类繁多， 能产生絮凝剂的种类也不少，但是根据目前的方法筛选高效菌效率太低，有必要 1 2 黑曲霉a 8 0 产生物絮凝剂的培养条件及其絮凝特性研究 建立一种能够快速准确的筛选高效絮凝剂产生菌的方法，建立完善的絮凝剂产生 菌菌种库。同时利用现代分子生物学技术，构建高产絮凝剂的工程菌，从而实现 微生物絮凝剂的工业化规模生产。( 2 ) 降低微生物絮凝剂的生产成本，优化提纯 方法。目前某些微生物絮凝剂产生菌培养成本过高，限制了工业大规模应用，有 必要寻找廉价原料，在实现废物利用的同时满足絮凝剂生产要求。微生物提取纯 化的方式没有标准的流程，而且化学沉淀等方式容易造成新的浪费，因而有必 要优化微生物絮凝剂的提取纯化流程，建立高效而又简便的提纯方法。( 3 ) 深入 研究微生物絮凝剂的絮凝机理。对微生物絮凝剂的絮凝机理不能仅仅依靠以前的 胶体体系的絮凝理论来进行解释，应该结合各种因素构建一套新的絮凝理论体 系，寻找微生物絮凝剂的絮凝规律，从而为絮凝剂的生产条件的优化提供指导。 ( 4 ) 开发复合型微生物絮凝剂，拓宽絮凝剂的应用范围。复合型生物絮凝剂要 遵循价低、无毒、来源广等原则，解决某些絮凝剂处理对象单一的问题。 1 2 8 本课题的研究内容 污泥填埋是我国当前市政污泥最主要的处置方式，剩余污泥中含有丰富的营 养元素，因此有很高的农用价值，用作土地填埋也是一种积极地污泥处置方式， 但是污水厂产生的剩余污泥含水率很高，体积大，污泥的运输和土地填埋的费用 比较高，因此污泥的减容变得非常重要。目前普遍工业化利用的絮凝剂虽然具有 良好的絮凝效果，但是环境