国 峰 陆 斌 黄晓琛
（同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）
摘 要 综述了微生物絮凝剂的研究进展，对产絮凝剂的微生物种类进行了总结，并讨论了絮凝反应条件、絮凝机理等研究近况。对微生物絮凝剂在废水中的应用现状及发展趋势做了预测。微生物絮凝剂无毒无害无二次污染的特性使其应用前景明显优于普通絮凝剂，但目前微生物絮凝剂的应用还大多处于菌种的筛选阶段，且存在成本较高的缺点，无法适应工业化生产的需要。今后的工作主要集中于：高产菌株的筛选、培养条件的优化、微生物絮凝剂的化学组成和理化性质、絮凝剂的基因控制与表达、克隆技术等的研究。发展趋势是降低生物絮凝剂的生产成本。
关键词： 微生物絮凝剂 废水处理 絮凝机理
1 引言
絮凝剂又称沉降剂，是一类可使液体中不易沉淀的固体悬浮颗粒（粒径10-3～10-7cm）凝聚、沉淀的物质。目前实际使用的絮凝剂，以无机的聚合氯化铝和有机合成的聚丙烯酰胺最为广泛。我国从20世纪60年代开始研制和应用无机和有机合成高分子絮凝剂，但其使用容易造成二次环境污染。据有关学者研究表明[1]，老年痴呆与现在广泛使用无机絮凝剂聚合氯化铝有关。聚丙烯酰胺的单体（丙烯酰胺）具有强烈的神经毒性，其在聚合过程中的残留，是一个令人十分担忧的问题。因此，微生物絮凝剂的安全、可生物降解、对人类健康无害、且对环境无二次污染的特点，引起人们极大的兴趣。
微生物絮凝剂是指微生物自身产生的具有絮凝活性的次生代谢产物。絮凝性微生物能使离散微粒（包括菌体细胞自身）之间互相粘附，并能使胶体脱稳，形成絮状沉淀而从反应体系中分离出去。此问题的研究在酵母酿酒工业中已有100多年的历史 [2]，高絮凝性微生物可用于处理废水。以这类微生物制成的生物絮凝剂已经上市并有多种牌号，日本在这方面成果卓著[3～6]。经过驯化筛选或构建出的菌株，自身就可利用废物进行繁殖，在反应体系中发挥作用，在废水脱色方面的优势，比普通絮凝剂更具吸引力。
2 微生物絮凝剂的研究历史
对产絮凝性物质微生物的研究，最早见诸报道的是1953年，Butterfield从活性污泥中分离出1株细菌，该菌的培养液具有一定絮凝能力。1971年Zajic和Knetting[7]从煤油中分离出1株棒状杆菌，该菌可分泌对泥水具有絮凝作用的多聚物。1975年，Junji Nakamura等[8]对214株微生物进行了分离筛选，最终得到19株产絮凝剂的微生物，包括细菌5株、放线菌5株、霉菌8株、酵母菌1株。1985年，Hironki Takagi等[9]对他们分离出的Peacilomyces sp.I-1产生的絮凝剂的研究表明，对各种微生物细胞均有絮凝沉淀作用，并且可以除去溶液中几乎所有的悬浮颗粒，如血红细胞、碳粉、纤维素、硅藻土等。1986年，Ryuichiro Kurane等[5]发现红平球菌S—1(R.erythropolis S—1)菌株产生的絮凝剂NOC—1，能很有效地去除畜禽废水如猪尿和粪便等。
我国对微生物絮凝剂的研究始于20世纪90年代初期。1994年王镇等[10]筛选到83株絮凝剂产生菌，其中絮凝活性最高的4株分属于 芽胞杆菌属（Sporolactobacillus GC3）、节细菌属(Arthrobacter SB6)、假单胞菌属(Pseudomonas SB8)、气单胞菌属(Aeromonas GC24)。4株菌在生长过程中均可产生胞外絮凝物质，在最适培养条件下的絮凝剂产量为0.5～0.9g/L。1998年孟琴等[11]利用其实验室废弃微生物制备出一种生物絮凝剂，分别以BSA溶液、果汁溶液、泥土混浊液为研究对象，其絮凝效果优于作为对照的其它4种常用絮凝剂。 1999年黄民生等[12]用GCI培养基从底泥中分离出3株产生高絮凝活性的微生物，所研制出的微生物絮凝剂对高岭土及土壤悬浊液和碱性染料废水均有良好的净化效果。邓述波等[13]从土壤中分离、筛选得到了高效絮凝剂产生菌A—9。实验结果表明，A—9所产絮凝剂（培养液）的絮凝率随粘性的增加而提高，处理效果明显优于目前常用的聚合铝、聚丙烯酰胺等化学絮凝剂。程金平等[14]经实验得出，培养液中絮凝活性分布及活性菌产生絮凝剂时的最佳条件，并指出微生物絮凝剂是由菌产生的而不是培养液具有絮凝作用。尹华等[15]的实验证明，絮凝剂GS7的絮凝活性与菌生长量有一定的相关性。由此推测，GS7絮凝剂是由菌生物合成的，而不是由菌细胞自溶产生的，这与程金平等的结论一致。他们认为，在废水中加入一定量的二价金属阳离子有利于提高GS7的絮凝效率，显示离子参与了絮凝过程中的凝聚和絮凝作用[16]。柴晓利等[17]从废水、土壤、活性污泥中筛选到2株絮凝剂产生菌。初步确定均属氮单胞菌属（Azomonas sp.）。废水絮凝实验表明，该菌种所产絮凝剂可絮凝各种水溶液中的悬浮物质。2001年刘紫娟等[18]从活性污泥中分离筛选到一株产絮凝剂的细菌A25，鉴定为巨大芽胞杆菌Bacillus megaterium。絮凝剂的形成与菌体生长同步，均在10h达到最高值。该絮凝剂主要分布在发酵液中，另外还有一部分存在于菌体上。所产絮凝剂对供试的各种悬浮液和菌悬液都具有良好的絮凝效果。胡筱敏等[19]从土壤中分离筛选得到一株能产生高效微生物絮凝剂（MBF）的芽孢杆菌A-9，其有效成份为高分子多糖。絮凝实验结果表明，用MBFA-9处理高岭土悬浮液，效果明显优于其他种类MBF，且不需添加Ca2+及Al3+等助凝剂，用量也仅为一般MBF用量的1/10～1/100，处理含泥河水、硫化染料废水、淀粉厂黄浆废水等的去除率，明显高于聚丙烯酰胺等传统的化学絮凝剂。陶涛等[20]用黑酵母以淀粉水解或葡萄糖为原料发酵产生的水溶性无定型多糖大分子物质—普鲁兰（短梗霉多糖），具有较强的絮凝效果。
3 微生物絮凝剂的种类、性质及絮凝机理
具有分泌絮凝剂能力的微生物称为絮凝剂产生菌，至今发现的具有絮凝性的微生物包括霉菌、细菌、放线菌和酵母菌等（见表1）。
表1 具有絮凝性的微生物种类
Alcaligenes cupidus Nocardin rhodnii
协腹产碱杆菌 红色诺卡氏菌
Aspergillus sojae Peacilomyces sp. 酱油曲霉 拟青霉属菌
Aspergillus
ochraceus
Pseudomonas aeruginosa
棕曲霉 铜绿假单胞菌 Aspergillus parasiticus
Pseudomonas
fluorescens 寄生曲霉 荧光假单胞菌 Brevibacterium insectionhilium Pseudomonad faecalic 嗜虫短杆菌 粪假单胞菌
Brown rot fungi
Rhodococcus erythropolis 棕腐真菌 红平红球菌 Corynebacterium brevicale
Schizosaccharomyces ponbe 棒状杆菌 粟酒裂殖酵母
Geotrichum candidum
Slaphytococcus aureus
白地霉 金黄色葡萄球菌 Monacus anks
Strephytococcus aureus 赤红曲霉 灰色链霉素
Nocardin restricta
Streptomyces vinacens
椿象虫诺卡氏菌 酒红色链霉素
Nocardin calcarea
White root fungi 石灰壤诺卡氏菌 白腐真菌
由微生物产生的絮凝剂是一种无毒的生物高分子化合物。微生物细胞的絮凝性由所产生的生化物质决定，包括机能性蛋白质或机能性多糖类物质，这就决定了微生物絮凝剂具有生物可分解性的独特性质，而且对环境和人类具有无毒无害的安全性。产生絮凝剂的微生物绝大多数来自与人类关系十分密切的土壤中，分离这些微生物和产生微生物絮凝剂的过程，对人类不会造成不良后果。微生物絮凝剂对多种细微颗粒及合成高分子絮凝剂的可溶性色素物质都具有优良的凝聚能力。
微生物絮凝剂主要包括：利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂、利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂、直接利用微生物细胞的絮凝剂、克隆技术所获得的絮凝剂。微生物细胞是天然有机高分子絮凝剂的重要来源，如藻类细胞壁有许多异多糖成分，酵母菌细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质及N-乙酰葡萄糖胺等成分也可用作絮凝剂，丝状真菌的细胞壁多糖除了纤维素甘露聚糖和葡聚糖外，还有一种极其重要的多糖—几丁质。多糖—几丁质是分布于自然界中的唯一碱性同聚物，是一类能被生物合成和分解、不造成环境污染的天然高分子化合物。几丁质经碱水解处理，就产生了以其正电性、高效无毒而备受环保工作者青睐的脱乙酰几丁质，含有活性氨基和羟基，对许多微生物菌体及其他带负电荷粒子有极强的絮凝能力。目前利用藻类和霉菌的细胞壁提取物较多，利用细菌细胞壁的还较少。以上所述细胞壁中可做絮凝剂的成分，都含有亲水的活性基团，如氨基、羟基、羧基等。其絮凝机理同有机高分子絮凝剂的机理相同，即利用其所带电荷或基团中和菌体的表面电荷（或形成氢键），压缩双电层，并通过高分子架桥形成网络，聚集沉降。其次，还有利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂，如程金平等从污水塘活性污泥中分离筛选出的菌株，就是在菌细胞外分泌絮凝剂的。分泌到细胞外的微生物代谢产物除水外，主要成分是多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物，其中贡献最大的还是多糖类。另外，直接利用微生物细胞做絮凝剂有下列优点：免去了提取所需成本；可用少量菌种接入发酵废液中使其繁殖；无二次污染。不足之处是被处理废液中必须无妨碍菌体生长的因素。从宏观上讲细菌表面是带负电的，但利用不同种微生物表面间的细微成分及结构差别，则可能导致絮凝，这可能是不同微生物间产生絮凝的机理之一。
微生物絮凝剂的主要成分中含有亲水的活性基团，如氨基、羟基、羧基等，其絮凝机理与有机高分子絮凝剂相同。通常线形结构的大分子，絮凝效果较好；分子量对絮凝活性也有影响，分子量越大，絮凝剂活性越高；细胞的年龄对絮凝作用也有影响。在培养早期絮凝性不好，随发酵进行絮凝活性细胞壁中的甘露聚糖，葡聚糖和蛋白质组合，进而影响到絮凝剂效果。
胶体粒子的表面结构会对絮凝剂效率产生影响，主要有“桥连作用”理论和“电荷中和”作用理论。胶体颗粒与絮凝剂大分子借助离子键、氢键和范德华力相互靠近、吸附，在颗粒间产生“架桥”现象，形成三维网状结构而沉淀下来。絮凝的形成是一个复杂的过程，“架桥”机理并不能解释所有现象，絮凝剂的广谱活性也证明吸附机理不是单一的。为了更好地解释机理，需要对特定絮凝剂和胶体颗粒的组成、结构、电荷、构象及各种反应条件的影响，作更深入的研究。
4 影响絮凝活性的因素
微生物絮凝活性受多种因素的影响，其中遗传因素是内在的依据。絮凝的遗传因素来自于染色体上和染色体外的基因[2]。絮凝基因的表达机理复杂。经过修饰基因和校正基因等调控基因的作用之后，絮凝基因方可有效地表达出絮凝素。絮凝性与细胞表面的疏水性有关，处于指数生长后期的细胞，其表面疏水性增强，随之絮凝性上升。化学处理可增强细胞表面的疏水性，其絮凝性也明显下降[21]。聚合阳离子可增强细胞表面的疏水性，从而能提高细胞的絮凝性。
离子种类、离子强度对微生物絮凝活性有较大的影响。金属离子影响絮凝活性的原因，可能与其会加强絮凝剂分子和悬浮颗粒间的离子键结合有关[22]。Ca2+在菌体絮凝过程中，往往在细胞表面的分子之间起到架桥作用。Mn2+等2价金属离子有时也能发挥同样的效能。在絮凝初期适当搅拌，使Ca2+等2价离子均匀地分布在絮凝剂与被絮凝物之间，获得充分架桥的机会，产生的絮体由小变大而沉淀下去。2价金属离子的架桥效果取决于絮凝素中羧基暴露的数量多少，絮凝素中的羧基暴露数量越多，越便于阳离子的架桥，絮凝效果越佳。
微生物营养有六大要素：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。不同微生物生长代谢过程中对六大要素的要求及各成分的含量是不一致的，因而在不同的培养基条件下产生的絮凝剂是不一样的。如果提高N源的水平，使处于停止期的细胞获得活力，其细胞数量增殖上升，结果降低了絮凝性。若降低N源的水平，细胞处于停止期或指数生长后期，絮凝性将明显上升[23]。
培育基中的碳源，受培养温度、pH、通气率、搅拌速度等因素影响，从而影响到絮凝素的产生。当微生物处于最适生长温度时，有刺激生长的作用，不适宜的温度，则导致微生物的形态和代谢的改变或使微生物的蛋白质凝固变性而死亡。pH值对胶体颗粒、絮凝剂的性质和作用等也有很大的影响，主要由于酸碱度的变化，改变了生物聚合物的带电荷能力及被絮凝物质的颗粒表面性质（如带电情况）。一般来讲，细菌和放线菌要求中性或微碱性的pH值，而酵母菌和霉菌在偏酸的环境中生长。对于好氧微生物来讲，通气量也是一个重要的影响因素，大通气量有利于菌合成絮凝剂。
5 微生物絮凝剂的应用现状
微生物絮凝剂可用于食品工业、发酵工业，也可广泛用于工业废水处理。
（1）畜禽废水的处理
畜禽废水是BOD较高，较难处理的一类有机废水。如猪粪尿废水，采用合成高分子絮凝剂处理效果不好，而采用NOC—1微生物絮凝剂处理，则效果十分显著，处理后10min废水的上清液变成几乎透明的液体。废水的TOC由处理前的8200mg/L变为2980 mg/L，去除率达63.7%，浊度由处理前的15.7变为 0.86，去除率达94.5％。
（2）膨胀活性污泥的处理
活性污泥法处理过程中容易发生污泥膨胀，影响处理效率。若添加微生物絮凝剂，会取得良好效果。如干草制药废水升华处理过程中形成的膨胀活性污泥，当在其中添加NOC—1微生物絮凝剂后，污泥的SVI很快从290下降到50，消除了污泥的膨胀，恢复了活性污泥的沉降能力。
（3）建筑材料加工废水的处理
含有高悬浮物的建筑材料加工废水也是较难处理的一类废水。如陶瓷厂废水主要包括胚体废水和釉药废水2种，前者主要含较多的粘土颗粒，后者除含粘土颗粒外，还有相当数量的釉药。当添加NOC—1后5min，胚体废水的浊度从原来的1.4降低到0.043 ，釉药废水的浊度从 17.2降到0.35，去除率分别为96.6%和97.9%，可得到几乎透明的上清液。
（4）废水的脱色
现今的活性污泥法技术对于脱色还缺乏比较有效的方法。采用微生物絮凝剂NOC—1，对墨水、糖蜜废水、造纸黑液、颜料废水等进行处理，上清液呈无色透明。张本兰用P.alcaligenes 8724菌株产生的絮凝剂，在实验室对纸浆黑液和氯霉素等色素较深的废水进行脱色处理，脱色率分别达95％和98％以上。胡筱敏等用MBFA9处理硫化染料废水及淀粉黄浆废水，无论是悬浮物还是COD的去除率均高于传统的化学絮凝剂PAM。
（5）鞣革工业废水的处理
在鞣革工业废水中加入C—62菌株产生的絮凝剂，浊度去除率可达96％。柴晓利等筛选到的Azomonas sp.的发酵液对皮革废水的脱色效果也非常明显。
（6）城市污水的处理
尹华等筛选出的菌株GS7，处理城市河涌污水等实际废水时具有用量少、澄清速度快等特点，浊度去除率达93.5%。
6 微生物絮凝剂的研究趋势
发酵废液或其他废液处理的目的就是减少或消除污染物。微生物絮凝剂无毒无害无二次污染的特性，使其应用前景明显优于普通絮凝剂。如何把微生物絮凝剂提取出来一直是人们的研究方向，但目前微生物絮凝剂的应用还大多处于菌种的筛选阶段，且存在成本较高的缺点，无法适应工业化生产的需要。今后的工作主要集中于高产菌株的筛选、培养条件的优化、微生物絮凝剂的化学组成和理化性质、絮凝剂的基因控制与表达、克隆技术等的研究。发展趋势是降低生物絮凝剂的生产成本。美国已有多种牌号的生物活液销售，用以快速清除下水道淤塞、水体富营养化和污泥膨胀等。这种以高浓度有机无毒废水生产生物絮凝剂，是以废治废、综合利用资源的发展方向。 来源：中国环保设备网