微生物絮凝剂的絮凝机理及其在给水中的应用开发

微生物絮凝剂作为一种安全、高效、无二次污染的新型天然高分子絮凝剂，代表了水处理试剂的新的发展方向。本文着重介绍了微生物絮凝剂的絮凝机理，进而对絮凝的一些影响因素进行了阐述；并且分析了在给水处理方面的应用及其开发研究的方向及前景。
絮凝剂作为一种可使液体中不易沉降的固体悬浮微粒凝聚沉淀而去除的物质，有着悠久的应用历史。而在水处理方面，絮凝能有效去除80%～95%的悬浮物质和65%～95%的胶体物质，可有效降低水中的COD值；并且通过絮凝净化，一般能把水中90%以上的微生物和病毒一并转入污泥，使得对水进行消毒和杀菌变得容易。随着近年来水处理事业的发展，絮凝剂的研发和应用也在朝着安全、高效的方向发展。
传统的絮凝剂分为无机型和有机高分子型两大类，由于其高效性均得到了广泛应用，但近年来的研究表明两者的大量使用会造成二次污染，给人体带来不利影响。随着生物技术的发展，人们把目光集中在了一种安全、高效、可生物降解而无二次污染的新型天然高分子絮凝剂――微生物絮凝剂，它代表了继化学絮凝剂之后水处理试剂发展的新方向。
1.微生物絮凝剂的特点及絮凝机理
微生物絮凝剂(MBF)是某些种类的微生物在特定培养条件下，其生长代谢至一定阶段产生的具有絮凝活性的代谢产物。一般来说，微生物絮凝剂的生产是以单纯的碳水化合物为原料，经特殊微生物代谢，催化合成的具有絮凝功能的碳水化合物多聚物，是一种取之不尽的自然资源。
1.1 微生物絮凝剂的特点
微生物的絮凝作用最先由法国的Louis Pas2teur 在 1876 年研究酵母菌 Levure casseeuse 时发现。此后的研究发现能够产生絮凝剂的微生物种类很多，广泛分布于细菌、真菌和藻类中，有文献报道的絮凝微生物种类已达 50 多种 。
按照来源不同，微生物絮凝剂主要可分为 3类 ： ①直接利用微生物细胞的絮凝剂，如某些细菌、霉菌、放线菌和酵母； ②利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂。如丝状真菌的细胞壁含有一种重要的多糖———几丁质，几丁质经碱水解后产生带正电荷、高效无毒的脱乙酰几丁质，对许多微生物菌体及其他带负电荷的粒子有极强的絮凝能力。目前用作絮凝剂的褐藻酸也是某些褐藻细胞壁的成分； ③利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂。微生物细胞产生的具有絮凝活性的代谢产物有的储藏在细胞内作为内源代谢物，有的则分泌到细胞外或者粘附在菌细胞表面，或者脱离菌体，游离于发酵液中。微生物细胞分泌到细胞外的代谢产物主要是细菌的荚膜和粘液质，除水分外，其主要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物，可用作絮凝剂的主要是多糖。
目前国内外研究的微生物絮凝剂大多为游离于发酵液中的絮凝物质。如 Kurane 开发的NOC21，Takagi 研制的PF-101 等。
按产微生物絮凝剂的菌株情况，微生物絮凝剂又可分为纯种菌株及其产生的微生物絮凝剂，国内研究的多属此类；混合菌株及其产生的微生物絮凝剂，如 Kurane 等分离的产微生物絮凝剂的微生物R -　3 就是4 种菌株的混合体 ；基因复合型菌株，不仅具有絮凝的功效且有降解污染物质的能力。另外，有人正在研究微生物无机复合絮凝剂，董军芳等人把微生物与硫酸铝复配使用，比单用其中任何一种絮凝剂的絮凝效果都要好。
1.2 微生物絮凝剂的絮凝机理研究
据报道，MBF 主要成分是粘多糖、蛋白质[9-12]、纤维素、DNA 等，它是由某些种类的细菌、放线菌、真菌以及藻类等微生物在特定培养条件下，其生长至一定阶段产生的具有絮凝活性的代谢产物。
相对经典的胶体体系的絮凝机理而言，微生物絮凝剂的絮凝机理还不是十分清楚。关于微生物絮凝剂的絮凝机理理论，先后提出过许多学说主要有：“架桥作用"机理、“电性中和"机理、“化学机理"等[14，15]，而且还有“类外源絮凝聚素"假说“病毒"假说、Friedman“菌体外纤维素纤丝"学说Butterfield粘质假说、离子键、氢键键桥学说、离散细胞和伸展桥键之间的三维基质模型假说等。
1.2.1 “架桥机理"
在众多的机理和假说中，被普遍接受的是“架桥机理"[16，17]：1)微生物絮凝剂是一种具有线性结构的高分子化合物，可以同时有效地吸附较多的悬浮胶体颗粒，在颗粒间产生“架桥"作用，使胶粒聚沉；2)对絮凝剂的结构组成、电荷及各种反应条件的研究发现，对胶粒起作用的不仅是长链的絮凝剂高分子本身，分子中含有的大量活性基团，如氨基、羟基、羧基等，对絮凝也至关重要。这些活性基团可以使微生物絮凝剂分子借助离子键、氢键、范德华力的作用吸附多种带电胶粒，而微生物絮凝剂的其余部分则伸展在溶液中，可以与另一表面有空位的胶粒吸附，降低粒子间的斥力势能，形成一种三维网状结构沉淀下来，使分子架桥絮凝作用充分发挥。桥连作用的过程可以用图1来表示。有试验表面絮凝剂絮凝膨润土过程时，通过测定等温线和Zeta电位发现絮凝剂确实是以“桥连方式"絮凝的；3)各种微生物絮凝剂的物质组分虽各不相同，但多为多糖类和机能性蛋白物质。试验表明，这些多糖和机能性蛋白质有明显的乳化作用，对胶体颗粒脱稳聚沉起着重要作用。正是这三方面的作用，使微生物絮凝剂的架桥絮凝作用发挥充分。
对絮凝剂的“架桥机理"来说，必要的条件是微粒上存在空白表面。一般来说，微生物絮凝剂的分子量越大对架桥越有利，絮凝效率越高，但因为架桥过程中也发生链段间的重叠，从而产生一定的排斥作用，若分子量过高，则产生的排斥作用会削弱架桥作用，影响絮凝效果；但分子量也不能过低，如用蛋白酶处理产生的絮凝剂，使其分子质量下降，从而导致了絮凝剂活性的下降；另一方面，微生物絮凝剂的投加量对絮凝剂的活性也有影响，通常有一最佳投入量，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，因为这时大分子在固体颗粒上架桥的机率最大；此外，投加适量的阳离子对架桥也起一定的促进作用，这是因为阳离子的存在可以有效降低胶体的表面电荷，压缩双电层，并且可以与胶体间产生吸附作用，使胶体颗粒更容易被絮凝剂高分子吸附。所以，在实际应用中，人们常常把微生物絮凝剂和CaCl2溶液或者某些无机絮凝剂如某种铝盐混合使用，只要按照一定合适的配比投入，都会提高絮凝效果。
1.2.2 絮凝酵母的絮凝机理
目前，对具有絮凝性的微生物细胞絮凝机理的研究，较多地集中于酵母细胞。酵母细胞产生絮凝现象的原因主要有细胞链形成絮凝、交配絮凝和无性絮凝，并且对其机理提出了很多的假说。
絮凝酵母的絮凝是由细胞壁上的特定表面蛋白与其他酵母细胞表面的甘露糖残基之间的专一性结合引起的。Miki 对酵母菌的絮凝机理从基因水平上进行了较为详细的探讨，提出了“类外源絮凝聚素"假说。利用甘露聚糖的特异结合剂ConA2ferritin 观察酵母菌的絮凝过程，发现在絮凝过程中，2个酵母菌细胞表面大面积接触，细胞壁上的甘露糖残基发生融合，细胞壁变形；而非絮凝酵母细胞之间的相互作用较弱，细胞难以接触，用 Proteinase K和巯基乙醇处理酵母细胞后，甘露聚糖表面发生不规则变形和结构的改变，最终导致酵母细胞絮凝活性的不可逆丧失。“类外源絮凝聚素"假说对此类非游离态絮凝剂的作用机理作出了合理解释。Strantford 认为酵母的外源絮凝集素并非酵母本身产生的，很可能从酵母的一种感染剂产生，由此提出了有关酵母絮凝机理的病毒假说。研究表明酵母絮凝可能受病毒转移激活蛋白表达的诱导，同时还发现 Kill2L 病毒与 FLO 表型伴随并且 LdsRNA 与假定的絮凝结构基因相一致，提示了酵母絮凝是 Kill2L 病毒外壳蛋白表达的结果。但此假说还需进一步的实验证明。
上述这些絮凝机理学说，分别从不同的角度去考虑，都只能部分地解释微生物絮凝剂的絮凝现象。对于有些现象却无法解释，如不同的微生物混合培养时能够发生相互作用，引起菌体细胞的凝集或者产生胞外高分子絮凝剂。Kurane 和Matsuyama 曾报道将 Oerskovia、Acinetobacter、Agrobacterium 和 Enterobacter 混合培养在 R23培养基中时能够产生絮凝现象，当把这些菌种分开单独培养时，没有一个菌种能引起絮凝现象 。
总之，絮凝过程是一个复杂的过程，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对它的影响进行更深入的研究。
2.微生物絮凝剂在给水处理中的应用及其开发前景
水源水中往往含有颗粒物、少量有毒有机物及水中滋生的病原菌等，而微生物絮凝剂有其特有的高效性、无毒性以及可消除二次污染等优点。通过在给水及饮用水方面的大量实验研究，已经证实微生物絮凝剂在给水及饮用水方面有着其他无机及有机絮凝剂不可比拟的优势。
首先，微生物絮凝剂的絮凝效率和去除率都比普通的无机和有机高分子絮凝剂要高。有实验表明，在用含有糖醛酸、中性糖和氨基糖的多糖絮凝剂处理河水和湖泊水时发现，絮凝后所形成的胶团大、密实度高、沉降快，上清液的剩余浊度低，对COD的去除率比海藻酸钠明胶絮凝剂高得多。再比如，邓述波等从土壤中分离筛选得到的硅酸盐芽孢杆菌产生的絮凝剂MBF A9处理高浓度河水，技术指标优于PAM等常规絮凝剂，处理后河水絮团大、沉降快、上清液浊度低，而且处理后COD值最小。
其次，微生物絮凝剂为微生物菌体或菌体外分泌的生物高分子物质，属于天然有机高分子絮凝剂，安全无毒，可放心应用在给水及饮用水处理方面。邓述波等对MBF A9进行急毒试验，结果表明，小白鼠一次性吞食1g/kg的絮凝剂MBFA9后，无一死亡，体态、饮食、运动均无异常反应，初步表明絮凝剂MBFA9无急毒反应。而无机和有机高分子絮凝剂的残留物危害很大，尤其是丙烯酰胺单体，据报道是很强的致癌物。
再次，微生物产生的絮凝物质多为糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和DNA等高分子物质，可被生物降解，可消除像其他无机及有机高分子絮凝剂在处理污泥中引起的二次污染。
最后，微生物絮凝剂的应用范围很广。大多数微生物絮凝剂可通过桥连作用将被絮凝物质聚集在一起，为广谱絮凝作用，不易受微生物个体和颗粒物表面特性的影响。
但是，微生物絮凝剂同样存在着没有被推广应用的缺点，普遍存在用量大、成本高、对处理水的毒性适应力差等问题，基于这些问题，我们应该在微生物絮凝剂的开发方面注意以下几个问题：
(1)降低微生物絮凝剂的生产成本，尽可能的寻找廉价的培养基。可以利用高浓度含氮有机废水或某些廉价原料进行培养基的配制。如在NOC-1的培养基中，作为N源的酵母浸膏价格较贵，占生产成本的80%，若用豆饼，水产废水和牛血代替酵母浸膏，培养基价格下降65%以上，关键是实际操作时应因地制宜，找出最适合的而且低廉的培养基。
(2)通过菌株诱变或是应用现代分子生物学手段来改造微生物絮凝剂的遗传基因，比如在微生物絮凝剂产生菌的选育中，可以把控制高活性絮凝剂产生的基因导入便于培养的特定的微生物细胞内，使其大量表达，以提高产量、降低成本；还可以将高效微生物絮凝基因导入具有特殊功能如淀粉酶产生、污染物降解等的细胞中组成工程菌，以降低生产成本或增加处理功能。
(3)注重研发复合型微生物絮凝剂，不仅包括微生物和无机絮凝剂之间的复合，还可以进行微生物之间的复合，来产生絮凝和降解双重作用的絮凝剂。一方面可以提高絮凝效率，降低投加量，另一方面，还可以缩短处理流程。
(4)实现絮凝剂和生化处理的有机结合，将微生物絮凝剂扩展到概念更广的生物絮凝剂研究范畴。例如由Haruhiko Yokoi等分离出的BY-29菌可以同时产生氢气和微生物絮凝剂，我们可以从更广的角度来看待微生物絮凝剂产业。
当今，微生物絮凝剂需要重点解决的是用量大，成本高，而由邓述波等人分离出的絮凝剂MBFA9的产品价格约为800元/t，用其处理河水的成本约为0.04元/t。可见此种絮凝剂应用于给水方面在经济上是可行的，从这里我们可以看到微生物絮凝剂在给水以及饮用水处理方面的应用前景。总之，从现代社会维护人体健康、保持生态平衡的角度来讲，微生物絮凝剂是最具有发展潜力的新型高效环保型水处理剂，从某种意义上说，微生物絮凝剂的研究开发使一个以人为本的产业。
微生物絮凝剂的开发和应用方兴未艾，其特性和优势决定了微生物絮凝剂将有可能在未来取代或部分取代传统的无机高分子和合成有机高分子絮凝剂，但存在的问题仍需要我们的进一步努力去解决。