微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理及其在給水中的應(yīng)用

更新時(shí)間：2009-09-27 17:38 來(lái)源：作者: 閱讀：2502

摘要：微生物絮凝劑作為一種安全、高效、無(wú)二次污染的新型天然高分子絮凝劑，代表了水處理試劑的新的發(fā)展方向。本文著重介紹了微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理，進(jìn)而對(duì)絮凝的一些影響因素進(jìn)行了闡述；并且分析了在給水處理方面的應(yīng)用及其開(kāi)發(fā)研究的方向及前景。

關(guān)鍵詞：微生物絮凝劑；絮凝機(jī)理；給水處理；開(kāi)發(fā)前景；

絮凝劑作為一種可使液體中不易沉降的固體懸浮微粒凝聚沉淀而去除的物質(zhì)，有著悠久的應(yīng)用歷史。而在水處理方面，絮凝能有效去除80%～95%的懸浮物質(zhì)和65%～95%的膠體物質(zhì)，可有效降低水中的COD值；并且通過(guò)絮凝凈化，一般能把水中90%以上的微生物和病毒一并轉(zhuǎn)入污泥，使得對(duì)水進(jìn)行消毒和殺菌變得容易。隨著近年來(lái)水處理事業(yè)的發(fā)展，絮凝劑的研發(fā)和應(yīng)用也在朝著安全、高效的方向發(fā)展。

傳統(tǒng)的絮凝劑分為無(wú)機(jī)型和有機(jī)高分子型兩大類，由于其高效性均得到了廣泛應(yīng)用，但近年來(lái)的研究表明兩者的大量使用會(huì)造成二次污染，給人體帶來(lái)不利影響。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，人們把目光集中在了一種安全、高效、可生物降解而無(wú)二次污染的新型天然高分子絮凝劑――微生物絮凝劑，它代表了繼化學(xué)絮凝劑之后水處理試劑發(fā)展的新方向。

1. 微生物絮凝劑的特點(diǎn)及絮凝機(jī)理

微生物絮凝劑（MBF）是某些種類的微生物在特定培養(yǎng)條件下，其生長(zhǎng)代謝至一定階段產(chǎn)生的具有絮凝活性的代謝產(chǎn)物。一般來(lái)說(shuō)，微生物絮凝劑的生產(chǎn)是以單純的碳水化合物為原料，經(jīng)特殊微生物代謝，催化合成的具有絮凝功能的碳水化合物多聚物，是一種取之不盡的自然資源[1]。

1.1 微生物絮凝劑的特點(diǎn)

微生物的絮凝作用最先由法國(guó)的 Louis Pas2teur 在 1876 年研究酵母菌 Levure casseeuse 時(shí)發(fā)現(xiàn)。此后的研究發(fā)現(xiàn)能夠產(chǎn)生絮凝劑的微生物種類很多 ,廣泛分布于細(xì)菌、真菌和藻類中 ,有文獻(xiàn)報(bào)道的絮凝微生物種類已達(dá) 50 多種[2] 。

按照來(lái)源不同 ,微生物絮凝劑主要可分為 3類[3] : ①直接利用微生物細(xì)胞的絮凝劑,如某些細(xì)菌、霉菌、放線菌和酵母； ②利用微生物細(xì)胞壁提取物的絮凝劑。如絲狀真菌的細(xì)胞壁含有一種重要的多糖———幾丁質(zhì) ,幾丁質(zhì)經(jīng)堿水解后產(chǎn)生帶正電荷、高效無(wú)毒的脫乙酰幾丁質(zhì) ,對(duì)許多微生物菌體及其他帶負(fù)電荷的粒子有極強(qiáng)的絮凝能力。目前用作絮凝劑的褐藻酸也是某些褐藻細(xì)胞壁的成分; ③利用微生物細(xì)胞代謝產(chǎn)物的絮凝劑。微生物細(xì)胞產(chǎn)生的具有絮凝活性的代謝產(chǎn)物有的儲(chǔ)藏在細(xì)胞內(nèi)作為內(nèi)源代謝物 ,有的則分泌到細(xì)胞外或者粘附在菌細(xì)胞表面 ,或者脫離菌體 ,游離于發(fā)酵液中。微生物細(xì)胞分泌到細(xì)胞外的代謝產(chǎn)物主要是細(xì)菌的莢膜和粘液質(zhì) ,除水分外 ,其主要成分為多糖及少量的多肽、蛋白質(zhì)、脂類及其復(fù)合物 ,可用作絮凝劑的主要是多糖[4]。

目前國(guó)內(nèi)外研究的微生物絮凝劑大多為游離于發(fā)酵液中的絮凝物質(zhì)。如 Kurane 開(kāi)發(fā)的NOC21 ,Takagi 研制的 PF-101 等。

按產(chǎn)微生物絮凝劑的菌株情況,微生物絮凝劑又可分為純種菌株及其產(chǎn)生的微生物絮凝劑 ,國(guó)內(nèi)研究的多屬此類;混合菌株及其產(chǎn)生的微生物絮凝劑 ,如 Kurane 等分離的產(chǎn)微生物絮凝劑的微生物R - 3 就是4 種菌株的混合體 [5];基因復(fù)合型菌株[6],不僅具有絮凝的功效且有降解污染物質(zhì)的能力。另外,有人正在研究微生物無(wú)機(jī)復(fù)合絮凝劑 ,董軍芳等人把微生物與硫酸鋁復(fù)配使用 , 比單用其中任何一種絮凝劑的絮凝效果都要好[7]。

1.2 微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理研究

據(jù)報(bào)道,MBF 主要成分是粘多糖[8] 、蛋白質(zhì)[9-12] 、纖維素、DNA[13] 等，它是由某些種類的細(xì)菌、放線菌、真菌以及藻類等微生物在特定培養(yǎng)條件下，其生長(zhǎng)至一定階段產(chǎn)生的具有絮凝活性的代謝產(chǎn)物。

相對(duì)經(jīng)典的膠體體系的絮凝機(jī)理而言 ,微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理還不是十分清楚。關(guān)于微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理理論 ,先后提出過(guò)許多學(xué)說(shuō)主要有：“架橋作用”機(jī)理、“電性中和”機(jī)理、“化學(xué)機(jī)理”等[14,15],而且還有“類外源絮凝聚素”假說(shuō)“病毒”假說(shuō)、Friedman“菌體外纖維素纖絲”學(xué)說(shuō)Butterfield粘質(zhì)假說(shuō)、離子鍵、氫鍵鍵橋?qū)W說(shuō)、離散細(xì)胞和伸展橋鍵之間的三維基質(zhì)模型假說(shuō)等。

1.2.1　“架橋機(jī)理”

在眾多的機(jī)理和假說(shuō)中，被普遍接受的是“架橋機(jī)理”[16,17]：1)微生物絮凝劑是一種具有線性結(jié)構(gòu)的高分子化合物，可以同時(shí)有效地吸附較多的懸浮膠體顆粒，在顆粒間產(chǎn)生“架橋”作用，使膠粒聚沉；2)對(duì)絮凝劑的結(jié)構(gòu)組成、電荷及各種反應(yīng)條件的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)膠粒起作用的不僅是長(zhǎng)鏈的絮凝劑高分子本身，分子中含有的大量活性基團(tuán)，如氨基、羥基、羧基等，對(duì)絮凝也至關(guān)重要。這些活性基團(tuán)可以使微生物絮凝劑分子借助離子鍵、氫鍵、范德華力的作用吸附多種帶電膠粒，而微生物絮凝劑的其余部分則伸展在溶液中，可以與另一表面有空位的膠粒吸附，降低粒子間的斥力勢(shì)能,形成一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)沉淀下來(lái)，使分子架橋絮凝作用充分發(fā)揮。橋連作用的過(guò)程可以用圖1來(lái)表示。有試驗(yàn)表面絮凝劑絮凝膨潤(rùn)土過(guò)程時(shí)，通過(guò)測(cè)定等溫線和Zeta電位發(fā)現(xiàn)絮凝劑確實(shí)是以“橋連方式”絮凝的；3)各種微生物絮凝劑的物質(zhì)組分雖各不相同，但多為多糖類和機(jī)能性蛋白物質(zhì)。試驗(yàn)表明，這些多糖和機(jī)能性蛋白質(zhì)有明顯的乳化作用，對(duì)膠體顆粒脫穩(wěn)聚沉起著重要作用。正是這三方面的作用，使微生物絮凝劑的架橋絮凝作用發(fā)揮充分。　

對(duì)絮凝劑的“架橋機(jī)理”來(lái)說(shuō)，必要的條件是微粒上存在空白表面。一般來(lái)說(shuō)，微生物絮凝劑的分子量越大對(duì)架橋越有利，絮凝效率越高，但因?yàn)榧軜蜻^(guò)程中也發(fā)生鏈段間的重疊，從而產(chǎn)生一定的排斥作用，若分子量過(guò)高，則產(chǎn)生的排斥作用會(huì)削弱架橋作用，影響絮凝效果；但分子量也不能過(guò)低，如用蛋白酶處理產(chǎn)生的絮凝劑，使其分子質(zhì)量下降，從而導(dǎo)致了絮凝劑活性的下降[19]；另一方面，微生物絮凝劑的投加量對(duì)絮凝劑的活性也有影響，通常有一最佳投入量，最佳值大約是固體顆粒表面吸附大分子化合物達(dá)到飽和時(shí)的一半吸附量，因?yàn)檫@時(shí)大分子在固體顆粒上架橋的機(jī)率最大[18];此外，投加適量的陽(yáng)離子對(duì)架橋也起一定的促進(jìn)作用，這是因?yàn)殛?yáng)離子的存在可以有效降低膠體的表面電荷，壓縮雙電層，并且可以與膠體間產(chǎn)生吸附作用，使膠體顆粒更容易被絮凝劑高分子吸附。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，人們常常把微生物絮凝劑和CaCl2溶液或者某些無(wú)機(jī)絮凝劑如某種鋁鹽混合使用，只要按照一定合適的配比投入，都會(huì)提高絮凝效果。

1.2.2　絮凝酵母的絮凝機(jī)理

目前，對(duì)具有絮凝性的微生物細(xì)胞絮凝機(jī)理的研究，較多地集中于酵母細(xì)胞。酵母細(xì)胞產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象的原因主要有細(xì)胞鏈形成絮凝、交配絮凝和無(wú)性絮凝[21]，并且對(duì)其機(jī)理提出了很多的假說(shuō)。

絮凝酵母的絮凝是由細(xì)胞壁上的特定表面蛋白與其他酵母細(xì)胞表面的甘露糖殘基之間的專一性結(jié)合引起的。Miki 對(duì)酵母菌的絮凝機(jī)理從基因水平上進(jìn)行了較為詳細(xì)的探討 ,提出了“類外源絮凝聚素”假說(shuō)。利用甘露聚糖的特異結(jié)合劑ConA2ferritin 觀察酵母菌的絮凝過(guò)程 ,發(fā)現(xiàn)在絮凝過(guò)程中 ,2個(gè)酵母菌細(xì)胞表面大面積接觸 ,細(xì)胞壁上的甘露糖殘基發(fā)生融合 ,細(xì)胞壁變形;而非絮凝酵母細(xì)胞之間的相互作用較弱 ,細(xì)胞難以接觸 ,用 Proteinase K和巰基乙醇處理酵母細(xì)胞后 ,甘露聚糖表面發(fā)生不規(guī)則變形和結(jié)構(gòu)的改變 ,最終導(dǎo)致酵母細(xì)胞絮凝活性的不可逆喪失。“類外源絮凝聚素”假說(shuō)對(duì)此類非游離態(tài)絮凝劑的作用機(jī)理作出了合理解釋。Strantford 認(rèn)為酵母的外源絮凝集素并非酵母本身產(chǎn)生的 ,很可能從酵母的一種感染劑產(chǎn)生[20] ,由此提出了有關(guān)酵母絮凝機(jī)理的病毒假說(shuō)。研究表明酵母絮凝可能受病毒轉(zhuǎn)移激活蛋白表達(dá)的誘導(dǎo) ,同時(shí)還發(fā)現(xiàn) Kill2L 病毒與 FLO 表型伴隨并且 LdsRNA 與假定的絮凝結(jié)構(gòu)基因相一致 ,提示了酵母絮凝是 Kill2L 病毒外殼蛋白表達(dá)的結(jié)果。但此假說(shuō)還需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明�！　�

上述這些絮凝機(jī)理學(xué)說(shuō) ,分別從不同的角度去考慮 ,都只能部分地解釋微生物絮凝劑的絮凝現(xiàn)象。對(duì)于有些現(xiàn)象卻無(wú)法解釋 ,如不同的微生物混合培養(yǎng)時(shí)能夠發(fā)生相互作用 ,引起菌體細(xì)胞的凝集或者產(chǎn)生胞外高分子絮凝劑。Kurane 和Matsuyama 曾報(bào)道將 Oerskovia、Acinetobacter、Agrobacterium 和 Enterobacter 混合培養(yǎng)在 R23培養(yǎng)基中時(shí)能夠產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象 ,當(dāng)把這些菌種分開(kāi)單獨(dú)培養(yǎng)時(shí) ,沒(méi)有一個(gè)菌種能引起絮凝現(xiàn)象[22] 。

總之 ,絮凝過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程 ,為了更好地解釋機(jī)理 ,需要對(duì)特定絮凝劑和膠體顆粒的組成、結(jié)構(gòu)、電荷、構(gòu)象及各種反應(yīng)條件對(duì)它的影響進(jìn)行更深入的研究。

2. 微生物絮凝劑在給水處理中的應(yīng)用及其開(kāi)發(fā)前景

水源水中往往含有顆粒物、少量有毒有機(jī)物及水中滋生的病原菌等，而微生物絮凝劑有其特有的高效性、無(wú)毒性以及可消除二次污染等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)在給水及飲用水方面的大量實(shí)驗(yàn)研究，已經(jīng)證實(shí)微生物絮凝劑在給水及飲用水方面有著其他無(wú)機(jī)及有機(jī)絮凝劑不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

首先，微生物絮凝劑的絮凝效率和去除率都比普通的無(wú)機(jī)和有機(jī)高分子絮凝劑要高。有實(shí)驗(yàn)表明，在用含有糖醛酸、中性糖和氨基糖的多糖絮凝劑處理河水和湖泊水時(shí)發(fā)現(xiàn)，絮凝后所形成的膠團(tuán)大、密實(shí)度高、沉降快，上清液的剩余濁度低，對(duì)COD的去除率比海藻酸鈉明膠絮凝劑高得多[23]。再比如，鄧述波等從土壤中分離篩選得到的硅酸鹽芽孢桿菌產(chǎn)生的絮凝劑MBF　A９處理高濃度河水，技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于PAM等常規(guī)絮凝劑，處理后河水絮團(tuán)大、沉降快、上清液濁度低，而且處理后COD值最小[24]。

其次，微生物絮凝劑為微生物菌體或菌體外分泌的生物高分子物質(zhì)，屬于天然有機(jī)高分子絮凝劑，安全無(wú)毒，可放心應(yīng)用在給水及飲用水處理方面。鄧述波等對(duì)MBF　A9進(jìn)行急毒試驗(yàn)，結(jié)果表明，小白鼠一次性吞食1g/kg的絮凝劑MBFA9后，無(wú)一死亡，體態(tài)、飲食、運(yùn)動(dòng)均無(wú)異常反應(yīng)，初步表明絮凝劑MBFA9無(wú)急毒反應(yīng)[24]。而無(wú)機(jī)和有機(jī)高分子絮凝劑的殘留物危害很大，尤其是丙烯酰胺單體，據(jù)報(bào)道是很強(qiáng)的致癌物。

再次，微生物產(chǎn)生的絮凝物質(zhì)多為糖蛋白、多糖、蛋白質(zhì)、纖維素和DNA等高分子物質(zhì)，可被生物降解，可消除像其他無(wú)機(jī)及有機(jī)高分子絮凝劑在處理污泥中引起的二次污染。

最后，微生物絮凝劑的應(yīng)用范圍很廣。大多數(shù)微生物絮凝劑可通過(guò)橋連作用將被絮凝物質(zhì)聚集在一起，為廣譜絮凝作用，不易受微生物個(gè)體和顆粒物表面特性的影響[25]。

但是，微生物絮凝劑同樣存在著沒(méi)有被推廣應(yīng)用的缺點(diǎn)，普遍存在用量大、成本高、對(duì)處理水的毒性適應(yīng)力差等問(wèn)題，基于這些問(wèn)題，我們應(yīng)該在微生物絮凝劑的開(kāi)發(fā)方面注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)　降低微生物絮凝劑的生產(chǎn)成本，盡可能的尋找廉價(jià)的培養(yǎng)基�？梢岳酶邼舛群袡C(jī)廢水或某些廉價(jià)原料進(jìn)行培養(yǎng)基的配制。如在NOC-1的培養(yǎng)基中，作為N源的酵母浸膏價(jià)格較貴，占生產(chǎn)成本的80%，若用豆餅，水產(chǎn)廢水和牛血代替酵母浸膏，培養(yǎng)基價(jià)格下降65%以上，關(guān)鍵是實(shí)際操作時(shí)應(yīng)因地制宜，找出最適合的而且低廉的培養(yǎng)基[16]。

(2)　通過(guò)菌株誘變或是應(yīng)用現(xiàn)代分子生物學(xué)手段來(lái)改造微生物絮凝劑的遺傳基因，比如在微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的選育中，可以把控制高活性絮凝劑產(chǎn)生的基因?qū)氡阌谂囵B(yǎng)的特定的微生物細(xì)胞內(nèi)，使其大量表達(dá)，以提高產(chǎn)量、降低成本；還可以將高效微生物絮凝基因?qū)刖哂刑厥夤δ苋绲矸勖府a(chǎn)生、污染物降解等的細(xì)胞中組成工程菌，以降低生產(chǎn)成本或增加處理功能[1]。

(3) 注重研發(fā)復(fù)合型微生物絮凝劑，不僅包括微生物和無(wú)機(jī)絮凝劑之間的復(fù)合，還可以進(jìn)行微生物之間的復(fù)合，來(lái)產(chǎn)生絮凝和降解雙重作用的絮凝劑。一方面可以提高絮凝效率，降低投加量，另一方面，還可以縮短處理流程。

(4) 實(shí)現(xiàn)絮凝劑和生化處理的有機(jī)結(jié)合，將微生物絮凝劑擴(kuò)展到概念更廣的生物絮凝劑研究范疇。例如由Haruhiko Yokoi等分離出的BY-29菌可以同時(shí)產(chǎn)生氫氣和微生物絮凝劑，我們可以從更廣的角度來(lái)看待微生物絮凝劑產(chǎn)業(yè)。

當(dāng)今，微生物絮凝劑需要重點(diǎn)解決的是用量大，成本高，而由鄧述波等人分離出的絮凝劑MBFA9的產(chǎn)品價(jià)格約為800元/t,用其處理河水的成本約為0.04元/t�？梢�(jiàn)此種絮凝劑應(yīng)用于給水方面在經(jīng)濟(jì)上是可行的，從這里我們可以看到微生物絮凝劑在給水以及飲用水處理方面的應(yīng)用前景�？傊�，從現(xiàn)代社會(huì)維護(hù)人體健康、保持生態(tài)平衡的角度來(lái)講，微生物絮凝劑是最具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦透咝Лh(huán)保型水處理劑，從某種意義上說(shuō)，微生物絮凝劑的研究開(kāi)發(fā)使一個(gè)以人為本的產(chǎn)業(yè)[1]。

微生物絮凝劑的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方興未艾，其特性和優(yōu)勢(shì)決定了微生物絮凝劑將有可能在未來(lái)取代或部分取代傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)高分子和合成有機(jī)高分子絮凝劑，但存在的問(wèn)題仍需要我們的進(jìn)一步努力去解決。

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