微生物絮凝剂的最新研究进展

中国科技论文在线微生物絮凝剂的最新研究进展#李兆辉，庞宗强，王晓**基金项目：国家大学生创新性实验计划项目（编号：091029025）作者简介：李兆辉（1985-），男，硕士研究生，研究方向为水污染控制工程通信联系人：王晓（1972-），女，博士，副教授，硕士生导师，主要从事水污染控制方面的研究工作.E-mail:[e-mail]（中国矿业大学环测学院环境工程系，江苏徐州221116）摘要：微生物絮凝剂以其高效、安全、无二次污染的独特优点，已成为当前絮凝剂研究领域最热点方向之一。近来微生物絮凝剂的研究方向主要有：絮凝机理和特性、产生絮凝剂的微生物种类、絮凝条件的优化、絮凝剂产生菌培养基质的研究、与传统有机无机絮凝剂的复配技术等。综述了以上方向的最新研究进展，同时探讨了微生物絮凝剂今后的研究重点。关键词：环境工程；微生物絮凝剂；絮凝机理；培养基质；复配技术中图分类号：X52;X703.5文献标识码：A文章编号：TherecentresearchprogressofbioflocculantLiZhaohui,PangZongqiang,WangXiao(DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,JiangsuXuzhou221116)Abstract:Bioflocculant,characterisedbyefficiency、safetyandfreeofsecondarypollution,hasbeenoneofthehottestresearches.Therearemainlyfiveresearchareasaboutbioflocculantrecently,suchascharacteristicsandflocculatingmechanism,Typesofmicro-organismwhichcangenerateMBF,studiesonculturemediumofbioflocculant-producingmicroorganisms,combinationtechnologieswithtraditionalorganicflocculantandinorganicflocculant,etal.Summarizationfromtherecentprogressaboutaspectsabove,aswellasfurtherresearchattentiononbioflocculantwaspaid.Keywords:environmentalengineering;bioflocculant;flocculatingmechanism;culturemedium;combinationtechnologies0引言微生物絮凝剂是指一类由微生物产生的有絮凝活性的次生代谢产物，可以使水中不易降解的固体悬浮颗粒和胶体颗粒等絮凝、沉淀的特殊高分子代谢产物，是一种高效、安全、能自然降解的新型水处理剂。[1]已经成为现今科研工作者研究的热点方向之一。微生物絮凝剂的主要成分为多糖、蛋白质、DNA、纤维素等，作用主体主要有3种类型：直接利用微生物细胞直接作为絮凝剂、利用微生物细胞壁提取物作为絮凝剂、利用微生物细胞代谢产物作为絮凝剂。[2]在液体介质中它们通过电荷性质和高分子特性而起到电荷中和、吸附、桥联、网捕等作用，使胶体脱稳、絮凝沉淀，以达到固液分离的效果。[3]1微生物絮凝剂的研究进程自美国科学家Butterfield[4]从活性污泥中筛选到絮凝剂产生菌以来，各国对生物絮凝剂研究逐步深入，极大地促进了该领域的发展。特别是20世纪70年代以来，美国、日本等许多国家对生物絮凝剂进行了大量的研究，取得了初步的研究成果。早期有关絮凝剂代表性研究报道有：NakamuraJ等人[5]在1976年对各种能产生絮凝剂的菌株，如霉菌、细菌、放线菌、酵母菌等进行了广泛的试验，研究发现：酱油曲霉AJ7002生产的絮凝剂絮凝效果最好，中国科技论文在线且用量低，易于过滤；1985年，TakagiH[6]用拟青霉属微生物生产出的絮凝剂PF101，对枯草杆菌、大肠杆菌、活性污泥、硅藻土、氧化铝等有良好的絮凝效果；1986年，KuraneR[7]等用红平红球菌生产出的絮凝剂NOC-1，对大肠杆菌、酵母菌、泥浆水、河水、粉煤水、活性炭粉水等均具有极好的絮凝和脱色效果；Yokoi等[8]分别在1997年和1998年分离出Enterobactersp.和Pseudomonassp.，这两株菌所产絮凝剂对有机悬浮液和无机悬浮液的絮凝效果都很好；Salehizadeh等[9]在2002年利用Bacillusfirmus产生的絮凝剂处理染料废水、酵母废水，获得了良好的效果。以红平红球菌得到的NOC-1是目前发现的絮凝效果最好的生物絮凝剂。这种细菌在日本旱田土壤中很常见，在沉淀良好的微生物相中约占2%。由Rhodococcuserythropolis所产生的生物絮凝剂现已用于各种生产和生活废水的处理中，并收到良好的效果。随着微生物絮凝剂研究的技术与手段的不断提高，近年来开始有大量的新的微生物絮凝剂的报道，对微生物絮凝剂的组成、结构，絮凝条件优化的了解不断加深，且对微生物絮凝剂的絮凝特性和作用机理的认识也不断深入。2微生物絮凝剂的研究现状当前该领域的研究方向主要分为：絮凝机理和特性、产生絮凝剂的微生物种类研究、絮凝条件的优化、絮凝剂产生菌培养基质的研究、与传统有机无机絮凝剂的复配技术等。2.1微生物絮凝剂的絮凝机理和特性目前对微生物絮凝剂的絮凝机理还没有统一的认识，由于絮凝剂产生菌种类多样，絮凝剂的作用主体多样，人们对微生物絮凝剂的絮凝机理提出很多假说。如Butterfield的粘质说、Grabtree的PHB酯合学说、Friedman的菌体外纤维素纤丝学说、化学反应机理、电中和机理、吸附架桥机理、离子键，氢键结合学说等。[10]但对于大多数絮凝剂而言，其反应机理主要是吸附架桥。刘紫鹃，徐桂云等人[11]从活性污泥里筛选得到一株巨大芽抱杆菌(Bacillusmegaterium)A25，研究表明其主要絮凝机理为吸附架桥，并认为该絮凝剂分子量大，富含-OH以及多分支结构是其具有较强絮凝活性的原因。湛雪辉[12]考察了微生物絮凝剂MBFXH的特性和机理，这种由霉菌产生的絮凝剂主要成分是多糖类，絮凝机理是吸附架桥，即MBFXH的分子链同时吸附在两个甚至多个微粒的表面，通过“架桥”将被吸附的几个粒子联系在一起，产生絮凝沉淀。王曙光，李剑等[13]从土壤中筛选出产气肠杆菌属，在乳品废水培养基下，生成的絮凝剂成分为多糖类，并含有羟基、羧基、氨基等官能团。采用红外扫描、zeta电位测定仪表明该絮凝剂主要以架桥作用为主。张金凤，远立江等[14]将两种芽孢杆菌属复配后，考察其产生的微生物絮凝剂的特性和机理。测定结果表明，絮凝剂CBF的主要成分为多糖类物质，与试验对象高岭土之间的作用力为离子键，絮凝过程中存在架桥作用。吴涓，倪晓宇[15]对优化培养条件后菌株C2所产生的生物絮凝剂MBF2的絮凝特性进行研究，发现絮凝剂MBF2对浓度为10mg/L的次甲基蓝溶液，2min内脱色率已达96.9%，10min时脱色率可达98%以上。初步认为生物絮凝剂MBF2起絮凝作用的部分是胞外蛋白。JinHe等[16]研究了深海生物突变体Halomonassp.产生的生物絮凝剂HBF-3的絮凝特性和机理。HBF-3的主要成分是多糖，同时含有羟基、羧基等基团，对浓度为5g/L的高岭土的絮凝率达96.9%。另外，在温度为5-40℃，PH3.0-11.0范围内，HBF-3的絮凝活性依然超过80%，显示了很好的适应性。对絮凝机理的分析认为是在Ca2+的中介作用下，絮凝剂分子与高岭土颗粒间通过吸附架桥实现的。DaolunL.Feng等[17]分析了由芽孢杆菌属产生的生物絮凝剂，它的主要成分是酸性多糖和蛋白质。和PAC相比，MBF3-3在用量少的情况下也可以获得同样的絮凝效果，特别是在Fe3+、Al3+、Mg2+、Ca2+等存在下，絮凝效果会更好。初步认为是羟基、羧基等基团对颗粒的吸附作用引起的絮凝现象。2.2产生絮凝剂的微生物种类研究能够分泌絮凝剂和本身具有絮凝性的微生物，都叫做絮凝剂产生菌。就目前的研究状况来看，能产絮凝剂的微生物主要包括细菌、霉菌、放线菌、酵母和藻类等，广泛分布在土壤和污水中。见下表：表1能产生微生物絮凝剂的微生物种类[18-21]Table1Typesofmicro-organismwhichcangenerateMBF2.3絮凝条件优化的研究影响微生物絮凝剂效果的因素主要有：絮凝剂和助凝剂的投加量、pH值、水温和水力条件等。如何针对各种废水处理快速寻找到一种最佳优化方案，在经济性条件下提高絮凝效果，也是当前的研究方向之一。朱艳彬，马放[22]在温度为30℃、转速为150r/min、培养时间为24h的条件下，利用两株芽孢杆菌F2和F6分别纯培养后再混合培养得到3#生物絮凝剂，在投量为6mL/L，助凝剂CaCl2投量为15mg/L，pH值为8.5，水温为(30±1)℃时，絮凝率可达98.2%。同时研究表明，各因素对絮凝效果影响的强弱为：pH水力条件水温絮凝剂投量助凝剂投量。Yim[23]在研究螺旋藻产生的胞外多糖时，认为絮凝剂投加量在0.5-2.5mg/L范围内，对质量浓度达5g/L高岭土的絮凝率达90%以上，在絮凝剂投量为1mg/L时会出现最大絮凝效率。夏四清[24]从活性污泥中筛选出絮凝剂产生菌枯草芽孢杆菌，考察该生物絮凝剂的絮凝效果。结果表明：当pH=8.5、CaCl2加入量=3.5mL、菌液加入量=2mL时，产絮菌对高岭土悬浊液微生物种类微生物种类Alcaligenesfaecalis（粪产碱菌属）Nocardiarestriea（椿象虫诺卡菌）Alcaligeneslatus（协腹产碱杆菌）Nocardiarhodnii（红色诺卡菌）Alcaligenescupidus（渴望德莱菌）Nocardiacalcarca（石灰壤诺卡菌）Bacillussp.（芽孢杆菌属）Streptomycesgriseus（灰色链球菌）Corynebacteriumbrevicale（棒状杆菌）Streptomycesvinaceus（酒红链霉菌）Dematiumsp.（暗色孢属）放线菌Nocardiaamarae(苦味诺卡氏菌)Mycobacteriumphlei（草分枝杆菌属）Aspergillussojae（酱油曲霉）Rhodococcuserythropolis（红平红球菌）Aspergillusochraceus（棕曲霉）Pseudomonassp.（假单孢菌属）Aspergillusparasiticus（寄生曲霉）Lactobacillusfermentum（发酵乳杆菌）Monascusanka（赤红曲霉）Brevibacteriuminsectiphilum（嗜虫短杆菌）Paecilomycessp.（拟青霉属）Staphylococcusaureus（金黄色葡萄球状菌）Brownrotfungi（棕腐真菌）Agrobacterium（土壤杆菌属）Whiterotfungi（白腐真菌）Streptococcus(链球菌)Geotrichumcandidum（白地霉）Oerskcoviasp.（厄式菌属）Schizosaccharomycesprombe（粟酒裂殖酵母）Aspergillusochraceus（不动细菌属）Hansenulaanomala(异常汉逊酵母)Hydrocarboncalastus真菌Saccharomyc