微生物絮凝劑的絮凝機理及其在給水中的應用
摘要：微生物絮凝劑作為一種安全、高效、無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展方向。本文著重介紹了微生物絮凝劑的絮凝機理，進而對絮凝的一些影響因素進行了闡述；并且分析了在給水處理方面的應用及其開發研究的方向及前景。
關鍵詞：微生物絮凝劑；絮凝機理；給水處理；開發前景；
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，有著悠久的應用歷史。而在水處理方面，絮凝能有效去除80%～95%的懸浮物質和65%～95%的膠體物質，可有效降低水中的COD值；并且通過絮凝凈化，一般能把水中90%以上的微生物和病毒一并轉入污泥，使得對水進行消毒和殺菌變得容易。隨著近年來水處理事業的發展，絮凝劑的研發和應用也在朝著安全、高效的方向發展。
傳統的絮凝劑分為無機型和有機高分子型兩大類，由于其高效性均得到了廣泛應用，但近年來的研究表明兩者的大量使用會造成二次污染，給人體帶來不利影響。隨著生物技術的發展，人們把目光集中在了一種安全、高效、可生物降解而無二次污染的新型天然高分子絮凝劑――微生物絮凝劑，它代表了繼化學絮凝劑之后水處理試劑發展的新方向。
1. 微生物絮凝劑的特點及絮凝機理
微生物絮凝劑（MBF）是某些種類的微生物在特定培養條件下，其生長代謝至一定階段產生的具有絮凝活性的代謝產物。一般來說，微生物絮凝劑的生產是以單純的碳水化合物為原料，經特殊微生物代謝，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
微生物的絮凝作用最先由法國的 Louis Pas2teur 在 1876 年研究酵母菌 Levure casseeuse 時發現。此后的研究發現能夠產生絮凝劑的微生物種類很多 ,廣泛分布于細菌、真菌和藻類中 ,有文獻報道的絮凝微生物種類已達 50 多種[2] 。
按照來源不同 ,微生物絮凝劑主要可分為 3類[3] : ①直接利用微生物細胞的絮凝劑,如某些細菌、霉菌、放線菌和酵母； ②利用微生物細胞壁提取物的絮凝劑。如絲狀真菌的細胞壁含有一種重要的多糖———幾丁質 ,幾丁質經堿水解后產生帶正電荷、高效無毒的脫乙酰幾丁質 ,對許多微生物菌體及其他帶負電荷的粒子有極強的絮凝能力。目前用作絮凝劑的褐藻酸也是某些褐藻細胞壁的成分; ③利用微生物細胞代謝產物的絮凝劑。微生物細胞產生的具有絮凝活性的代謝產物有的儲藏在細胞內作為內源代謝物 ,有的則分泌到細胞外或者粘附在菌細胞表面 ,或者脫離菌體 ,游離于發酵液中。微生物細胞分泌到細胞外的代謝產物主要是細菌的莢膜和粘液質 ,除水分外 ,其主要成分為多糖及少量的多肽、蛋白質、脂類及其復合物 ,可用作絮凝劑的主要是多糖[4]。
目前國內外研究的微生物絮凝劑大多為游離于發酵液中的絮凝物質。如 Kurane 開發的NOC21 ,Takagi 研制的 PF-101 等。
按產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生的微生物絮凝劑 ,國內研究的多屬此類;混合菌株及其產生的微生物絮凝劑 ,如 Kurane 等分離的產微生物絮凝劑的微生物R - 3 就是4 種菌株的混合體 [5];基因復合型菌株[6],不僅具有絮凝的功效且有降解污染物質的能力。另外,有人正在研究微生物無機復合絮凝劑 ,董軍芳等人把微生物與硫酸鋁復配使用 , 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理研究
據報道,MBF 主要成分是粘多糖[8] 、蛋白質[9-12] 、纖維素、DNA[13] 等，它是由某些種類的細菌、放線菌、真菌以及藻類等微生物在特定培養條件下，其生長至一定階段產生的具有絮凝活性的代謝產物。
相對經典的膠體體系的絮凝機理而言 ,微生物絮凝劑的絮凝機理還不是十分清楚。關于微生物絮凝劑的絮凝機理理論 ,先后提出過許多學說主要有：“架橋作用”機理、“電性中和”機理、“化學機理”等[14,15],而且還有“類外源絮凝聚素”假說“病毒”假說、Friedman“菌體外纖維素纖絲”學說Butterfield粘質假說、離子鍵、氫鍵鍵橋學說、離散細胞和伸展橋鍵之間的三維基質模型假說等。
1.2.1 “架橋機理”
在眾多的機理和假說中，被普遍接受的是“架橋機理”[16,17]：1)微生物絮凝劑是一種具有線性結構的高分子化合物，可以同時有效地吸附較多的懸浮膠體顆粒，在顆粒間產生“架橋”作用，使膠粒聚沉；2)對絮凝劑的結構組成、電荷及各種反應條件的研究發現，對膠粒起作用的不僅是長鏈的絮凝劑高分子本身，分子中含有的大量活性基團，如氨基、羥基、羧基等，對絮凝也至關重要。這些活性基團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能,形成一種三維網狀結構沉淀下來，使分子架橋絮凝作用充分發揮。橋連作用的過程可以用圖1來表示。有試驗表面絮凝劑絮凝膨潤土過程時，通過測定等溫線和Zeta電位發現絮凝劑確實是以“橋連方式”絮凝的；3)各種微生物絮凝劑的物質組分雖各不相同，但多為多糖類和機能性蛋白物質。試驗表明，這些多糖和機能性蛋白質有明顯的乳化作用，對膠體顆粒脫穩聚沉起著重要作用。正是這三方面的作用，使微生物絮凝劑的架橋絮凝作用發揮充分。
對絮凝劑的“架橋機理”來說，必要的條件是微粒上存在空白表面。一般來說，微生物絮凝劑的分子量越大對架橋越有利，絮凝效率越高，但因為架橋過程中也發生鏈段間的重疊，從而產生一定的排斥作用，若分子量過高，則產生的排斥作用會削弱架橋作用，影響絮凝效果；但分子量也不能過低，如用蛋白酶處理產生的絮凝劑，使其分子質量下降，從而導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到飽和時的一半吸附量，因為這時大分子在固體顆粒上架橋的機率最大[18];此外，投加適量的陽離子對架橋也起一定的促進作用，這是因為陽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，在實際應用中，人們常常把微生物絮凝劑和CaCl2溶液或者某些無機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，都會提高絮凝效果。
1.2.2 絮凝酵母的絮凝機理
目前，對具有絮凝性的微生物細胞絮凝機理的研究，較多地集中于酵母細胞。酵母細胞產生絮凝現象的原因主要有細胞鏈形成絮凝、交配絮凝和無性絮凝[21]，并且對其機理提出了很多的假說。
絮凝酵母的絮凝是由細胞壁上的特定表面蛋白與其他酵母細胞表面的甘露糖殘基之間的專一性結合引起的。Miki 對酵母菌的絮凝機理從基因水平上進行了較為詳細的探討 ,提出了“類外源絮凝聚素”假說。利用甘露聚糖的特異結合劑ConA2ferritin 觀察酵母菌的絮凝過程 ,發現在絮凝過程中 ,2個酵母菌細胞表面大面積接觸 ,細胞壁上的甘露糖殘基發生融合 ,細胞壁變形;而非絮凝酵母細胞之間的相互作用較弱 ,細胞難以接觸 ,用 Proteinase K和巰基乙醇處理酵母細胞后 ,甘露聚糖表面發生不規則變形和結構的改變 ,最終導致酵母細胞絮凝活性的不可逆喪失。“類外源絮凝聚素”假說對此類非游離態絮凝劑的作用機理作出了合理解釋。Strantford 認為酵母的外源絮凝集素并非酵母本身產生的 ,很可能從酵母的一種感染劑產生[20] ,由此提出了有關酵母絮凝機理的病毒假說。研究表明酵母絮凝可能受病毒轉移激活蛋白表達的誘導 ,同時還發現 Kill2L 病毒與 FLO 表型伴隨并且 LdsRNA 與假定的絮凝結構基因相一致 ,提示了酵母絮凝是 Kill2L 病毒外殼蛋白表達的結果。但此假說還需進一步的實驗證明。
上述這些絮凝機理學說 ,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象。對于有些現象卻無法解釋 ,如不同的微生物混合培養時能夠發生相互作用 ,引起菌體細胞的凝集或者產生胞外高分子絮凝劑。Kurane 和Matsuyama 曾報道將 Oerskovia、Acinetobacter、Agrobacterium 和 Enterobacter 混合培養在 R23培養基中時能夠產生絮凝現象 ,當把這些菌種分開單獨培養時 ,沒有一個菌種能引起絮凝現象[22] 。
總之 ,絮凝過程是一個復雜的過程 ,為了更好地解釋機理 ,需要對特定絮凝劑和膠體顆粒的組成、結構、電荷、構象及各種反應條件對它的影響進行更深入的研究。
2. 微生物絮凝劑在給水處理中的應用及其開發前景
水源水中往往含有顆粒物、少量有毒有機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、無毒性以及可消除二次污染等優點。通過在給水及飲用水方面的大量實驗研究，已經證實微生物絮凝劑在給水及飲用水方面有著其他無機及有機絮凝劑不可比擬的優勢。
首先，微生物絮凝劑的絮凝效率和去除率都比普通的無機和有機高分子絮凝劑要高。有實驗表明，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發現，絮凝后所形成的膠團大、密實度高、沉降快，上清液的剩余濁度低，對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生的絮凝劑MBF A９處理高濃度河水，技術指標優于PAM等常規絮凝劑，處理后河水絮團大、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，屬于天然有機高分子絮凝劑，安全無毒，可放心應用在給水及飲用水處理方面。鄧述波等對MBF A9進行急毒試驗，結果表明，小白鼠一次性吞食1g/kg的絮凝劑MBFA9后，無一死亡，體態、飲食、運動均無異常反應，初步表明絮凝劑MBFA9無急毒反應[24]。而無機和有機高分子絮凝劑的殘留物危害很大，尤其是丙烯酰胺單體，據報道是很強的致癌物。
再次，微生物產生的絮凝物質多為糖蛋白、多糖、蛋白質、纖維素和DNA等高分子物質，可被生物降解，可消除像其他無機及有機高分子絮凝劑在處理污泥中引起的二次污染。
最后，微生物絮凝劑的應用范圍很廣。大多數微生物絮凝劑可通過橋連作用將被絮凝物質聚集在一起，為廣譜絮凝作用，不易受微生物個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有被推廣應用的缺點，普遍存在用量大、成本高、對處理水的毒性適應力差等問題，基于這些問題，我們應該在微生物絮凝劑的開發方面注意以下幾個問題：
(1) 降低微生物絮凝劑的生產成本，盡可能的尋找廉價的培養基。可以利用高濃度含氮有機廢水或某些廉價原料進行培養基的配制。如在NOC-1的培養基中，作為N源的酵母浸膏價格較貴，占生產成本的80%，若用豆餅，水產廢水和牛血代替酵母浸膏，培養基價格下降65%以上，關鍵是實際操作時應因地制宜，找出最適合的而且低廉的培養基[16]。
(2) 通過菌株誘變或是應用現代分子生物學手段來改造微生物絮凝劑的遺傳基因，比如在微生物絮凝劑產生菌的選育中，可以把控制高活性絮凝劑產生的基因導入便于培養的特定的微生物細胞內，使其大量表達，以提高產量、降低成本；還可以將高效微生物絮凝基因導入具有特殊功能如淀粉酶產生、污染物降解等的細胞中組成工程菌，以降低生產成本或增加處理功能[1]。
(3) 注重研發復合型微生物絮凝劑，不僅包括微生物和無機絮凝劑之間的復合，還可以進行微生物之間的復合，來產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) 實現絮凝劑和生化處理的有機結合，將微生物絮凝劑擴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菌可以同時產生氫氣和微生物絮凝劑，我們可以從更廣的角度來看待微生物絮凝劑產業。
當今，微生物絮凝劑需要重點解決的是用量大，成本高，而由鄧述波等人分離出的絮凝劑MBFA9的產品價格約為800元/t,用其處理河水的成本約為0.04元/t。可見此種絮凝劑應用于給水方面在經濟上是可行的，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用前景。總之，從現代社會維護人體健康、保持生態平衡的角度來講，微生物絮凝劑是最具有發展潛力的新型高效環保型水處理劑，從某種意義上說，微生物絮凝劑的研究開發使一個以人為本的產業[1]。
微生物絮凝劑的開發和應用方興未艾，其特性和優勢決定了微生物絮凝劑將有可能在未來取代或部分取代傳統的無機高分子和合成有機高分子絮凝劑，但存在的問題仍需要我們的進一步努力去解決。
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