韓明眸，郭 娜，董耀華，董麗華，周游麒，嚴竹菁

（1.上海海事大學 物流工程學院，上海 201306；2.上海海事大學 海洋科學與工程學院，上海 201306）

絮凝劑是將液體中的懸浮顆粒群聚在一起并增大，轉變成絮狀結構的物質。它能加快粒子的凝聚和沉降，達到固液分離的效果，廣泛引入到化學、礦業(yè)等行業(yè)的水處理[1]。絮凝劑細分為傳統(tǒng)化學絮凝劑和新型微生物絮凝劑，主要用于化學絮凝劑的有鋁鹽、鐵鹽及其聚合物和聚丙烯酰胺等其他有機聚合物[2]?；瘜W絮凝劑雖然生產(chǎn)工藝成熟，但因其用量大且易產(chǎn)生二次污染，長期使用會造成環(huán)境危害和人體健康風險，因此亟需尋找新型環(huán)保絮凝劑取代。微生物絮凝劑是微生物產(chǎn)生的特殊代謝產(chǎn)物，可以凝聚液體中的固體懸浮物和膠體顆粒。與傳統(tǒng)的化學絮凝劑相比較，微生物凝聚劑具有來源廣泛、安全性高、易分解、無二次污染的優(yōu)點[3]。因此，已是現(xiàn)在新型絮凝劑研究的熱點和重點。近年來，我國對微生物絮凝劑的研究也越來越多。很多學者在微生物絮凝劑的制備、機理分析、廉價培養(yǎng)基的研發(fā)和基因工程菌的開發(fā)等方面進行了深入的探索和研究。本文基于近年來微生物絮凝劑的研究現(xiàn)狀，聚焦于微生物絮凝劑的研究機理，全面總結和分析了現(xiàn)有微生物絮凝劑的種類和應用方向，并對未來微生物絮凝劑的發(fā)展趨勢進行展望。

1 絮凝劑產(chǎn)生菌的分類及研究進展

微生物絮凝劑的研究可以追溯到1876年。法國學者首先發(fā)現(xiàn)酵母及其代謝產(chǎn)物可以絮凝固體顆粒，然后人們開始進行相關研究。1899年，BORDET J等研究發(fā)現(xiàn)，除了酵母菌，其他種類的細菌也有類似的絮凝作用[4]。1935年，BUTTERFIELD C T等從活性污泥中篩選出新型絮凝劑產(chǎn)生菌，但受當時科研條件的影響，微生物絮凝劑得不到充分的重視和發(fā)展[5-6]。直到1976年，NAKAMURA J等[7]通過在培養(yǎng)基中加入鏈霉蛋白酶和足量鈣離子，從霉菌、細菌、放線菌、酵母菌等214種菌株中篩選出19種具有絮凝能力的細菌菌種，自此才真正拉開深入研究微生物絮凝劑的序幕。1985年，TAKAGI H等[8]使用工業(yè)蛋白水解酶處理活性污泥，從擬青霉屬（Paecilomycessp.）中生產(chǎn)出微生物絮凝劑PF101，測試結果發(fā)現(xiàn)有良好的絮凝效果。1986年，KURANE R等在微生物培養(yǎng)過程中添加酵母提取物和酪蛋白氨基酸，促進紅平紅球菌（Rhodococcus erythropolis）產(chǎn)生具有絮凝作用的微生物絮凝劑NOC-1，研究結果發(fā)現(xiàn)90%的絮凝物質存在于培養(yǎng)液中，10%的絮凝物質在微生物細胞內(nèi)。微生物絮凝劑NOC-1對大腸桿菌（Escherichia coli）、酵母、泥水和河水具有良好的絮凝脫色效果[9]，它是目前發(fā)現(xiàn)的最好的生物絮凝劑。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，藍藻（blue-green algae）、產(chǎn)堿桿菌屬（Alcaligenessp.）、腸桿菌（Enterobactersp.）、假單胞菌（Pseudomonassp.）和芽孢桿菌（Bacillussp.）可產(chǎn)生絮凝代謝物，這些代謝物是微生物絮凝劑的來源。

與國外相比，我國對微生物絮凝劑的研究和應用起步較晚，但近幾年來取得了飛躍性的發(fā)展。張平[10]從活性污泥中經(jīng)過分離純化篩選出絮凝劑的產(chǎn)生菌，經(jīng)鑒定為大腸桿菌（Escherichia coli），這是首次確認大腸桿菌屬作為絮凝劑產(chǎn)生菌。鄧德豐[11]從污水處理廠廢水中分離的細菌菌株C-62能夠產(chǎn)生微生物絮凝劑，該絮凝劑對豬糞尿廢水和紅豆加工場廢水具有良好的絮凝作用。張本蘭[12]從活性污泥中篩選出的菌株，在處理造紙黑液、氯霉素等有機廢水時，脫色效果很好。

由此可見，微生物絮凝劑產(chǎn)生菌來源廣泛，種屬各異，產(chǎn)生的絮凝劑結構性質也各不相同。目前國內(nèi)外已發(fā)現(xiàn)60多種微生物絮凝劑產(chǎn)生菌，按種屬分類主要有細菌、放線菌、藻類、酵母菌和霉菌等[13]，如表1所示。微生物絮凝劑的種類根據(jù)構成可分為三類：第一類是菌株的菌體本身，普遍存在于各種土壤、活性污泥和沉積物中。第二類為細菌的合成物，如菌體胞壁的胞外物等物質；第三類為細菌的胞外分泌物，主要包括莢膜多糖、粘液質、胞外多糖以及微量的多肽、蛋白質等，在這些物質中，多糖類物質具有更加優(yōu)異的絮凝功能[14]。

表1 微生物絮凝劑產(chǎn)生菌種類Table 1 Species of microbial flocculant-producing strains

續(xù)表

2 微生物絮凝劑的絮凝機理及影響因素

2.1 絮凝機理

由于絮凝劑產(chǎn)生菌的種屬各異，絮凝劑的功能成分各不相同，絮凝體的形成是一個非常復雜的過程，往往是多種機制共同作用的結果。很多學者進行了大量的研究，但目前對微生物絮凝劑絮凝機制的認識還沒有統(tǒng)一。根據(jù)已有研究結果，微生物絮凝理論主要包括電荷中和、化學反應、卷掃作用和吸附架橋。

電荷中和機理是指溶液中的膠體粒子表面一般呈負電性，加入具有正電荷的絮凝劑后，能中和膠粒表面的負電荷，減少同種電荷的斥力作用，讓膠粒間更易于產(chǎn)生吸附作用。如圖1a所示，這種吸附作用不但能壓縮雙電層，還能夠降低Zeta電位，減少膠粒間的靜電引力，從而發(fā)生膠粒凝聚現(xiàn)象。根據(jù)電荷中和機理，在實際操作中通過加入不同的金屬陽離子或調節(jié)pH值來促使膠體反應起到絮凝作用。VARSHA B等[15]篩選出由芽孢桿菌產(chǎn)生的微生物絮凝劑BF-VB2，在對高嶺土等合成污染物水處理過程中，通過親水作用和疏水作用共同形成絮凝物，其中胺和羥基與帶負電荷的膠體粒子表面相互作用，因此BF-VB2的絮凝機理主要就是電荷中和作用。

圖1 微生物絮凝機理：電荷中和（a）、化學反應（b）、卷掃作用（c）及吸附架橋（d）Fig.1 Mechanism of microbial flocculation:charge neutralization (a),chemical reaction (b),rolling and sweeping action (c) and adsorption bridging (d)

化學反應是指微生物絮凝劑的活性基團與膠體顆粒的基團發(fā)生化學反應，形成較大的顆粒沉降，達到團聚的效果。如圖1b所示，在實際操作中，可以改變微生物絮凝劑大分子的一些活性基團，判別變化后對絮凝效果的影響，判斷絮凝機理是否是化學反應作用。如陳婷[16]篩選出一種多糖型微生物絮凝劑，通過改變其組成物質、官能團、吸附重金屬后各元素變化，驗證了該微生物絮凝劑的絮凝機理是化學反應。LI A等[17]篩選出的微生物絮凝劑（MFX）對四環(huán)素的絮凝作用主要是由化學吸附引起的。通過調整pH值改變MFX部分官能團的質子化狀態(tài)，結合其線性長鏈分子結構的特征分析以及Zeta電位測試，發(fā)現(xiàn)在吸附過程中幾乎不發(fā)生電荷中和作用，再通過四環(huán)素吸附等溫線的分析和熱力學分析綜合驗證其絮凝機理為化學吸附。

卷掃作用的絮凝機理主要是機械作用，微生物絮凝劑在達到一定的投加量時形成類似網(wǎng)膜狀結構，再依靠重力對液體中的膠體顆粒進行卷掃、網(wǎng)捕，隨著重量增加形成大顆粒而沉降。如圖1c所示，一般液體中的膠體機械運動形成為主要絮凝物，懸浮物少的情況下，大量的絮凝劑卷掃成為沉淀物[18]。李寧杰等[19]研究黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）BKMF-1767產(chǎn)生的胞外多糖絮凝劑時，用高嶺土懸濁液進行絮凝活性測定，并結合Zeta電位變化與絮體顯微圖像分析表明其絮凝是卷掃作用和吸附架橋共同作用的結果。王莫茜[20]將殼聚糖（chitosan，CTS）作為基體，與丙烯酰胺等通過接枝共聚形成新型殼聚糖基絮凝劑CTS-g-P，在脫色方面絮凝效果顯著。實驗發(fā)現(xiàn)該絮凝劑表面具有凸起和多孔等表面復雜結構，增大了絮凝劑的比表面積，從而證實絮凝機理為網(wǎng)捕卷掃作用。同時，分析其電性特征發(fā)現(xiàn)在酸性條件下機理為電荷中和，通過測試不同pH值下反應溶液的Zeta電位，發(fā)現(xiàn)在中性條件下絮凝過程轉變?yōu)殡姾芍泻汀⑽郊軜蚝途W(wǎng)捕卷掃的共同作用。

吸附架橋作用是指微生物絮凝劑借助于離子鍵、范德華力、氫鍵等的作用，同時吸附多個膠體顆粒，在顆粒間形成“架橋”現(xiàn)象，從而形成鏈狀組網(wǎng)結構將膠體顆粒沉淀下來。如圖1d所示，吸附架橋作用是目前認為在絮凝作用中最重要的機理，可以解釋大多數(shù)微生物絮凝劑引起的絮凝現(xiàn)象。在吸附架橋作用中，絮凝劑起到紐帶和橋梁的作用，膠粒和懸浮物不需要直接接觸就能夠絮凝成團。但是，一些反應需要嚴格控制絮凝劑的劑量和攪拌的時間和強度。XING J等[21]從肺炎克雷伯菌（Klebsiella Pneumoniae）中提取到微生物絮凝劑MFX處理生活污水，研究發(fā)現(xiàn)當MFX濃度較低時不能提供足夠的吸附位點，導致絮凝效率低且穩(wěn)定時間過短；當MFX濃度較高時會增加靜電斥力，也無法達到良好的絮凝效果。MFX在絮凝高嶺土懸濁液的過程中也會出現(xiàn)類似的現(xiàn)象，其機理也是由吸附架橋效應引起的。ZHANG J等[22]從桃樹栽培的土壤中分離篩選出類芽孢桿菌（Paenibacillus ash）MBFA9，該菌表面帶負電荷的官能團與金屬離子形成配位化合物，通過橋聯(lián)作用達到絮凝的效果。LANANAN F等[23]研究了纖維藻屬產(chǎn)生的微生物絮凝劑對微藻絮凝的作用，該絮凝劑具有正的Zeta電位，與微藻表面的負電荷發(fā)生靜電作用，另外，纖維藻呈線性結構，可以在膠粒之間實現(xiàn)架橋作用，從而起到絮凝作用。房亞玲[24]從煤化工廢水中篩選出的菌株能夠產(chǎn)生多結合位點的糖蛋白類陰離子絮凝劑MBFS1，其大分子鏈條在離子鍵、氫鍵和范德華力的共同作用下吸附膠體顆粒。紅外光譜表明，羥基、羧基等基團之間的中和反應形成吸附橋，通過測量Zeta電位，系統(tǒng)的吸引力大于排斥力。在沉降期間，絮凝劑捕獲顆粒物并加速顆粒之間的凝集過程。由此可見，微生物凝集劑MBFS1的絮凝過程是吸附架橋、電中和、雙電層壓縮、卷掃等共同作用的結果。

微生物絮凝劑的絮凝機理較為復雜，需要同時借助Zeta電位、紅外光譜、掃描電鏡、透射電鏡、X射線光電子能譜（X-photoelectron spectroscopy，XPS）等分析檢測來提供直接的參考證據(jù)。并且在絮凝過程中，四種絮凝機理可能同時存在，很難嚴格區(qū)分，其中一種或多種絮凝方式起著主要作用。因此獲得一種新型微生物絮凝劑時，需要通過深入的研究來判斷其絮凝機理的類型。

2.2 影響絮凝效果的因素

不同種屬的細菌產(chǎn)生絮凝劑的絮凝效果具有顯著的差異，因此篩選具有高效絮凝效果的微生物一直是該領域的研究重點。微生物絮凝劑的分子質量和性質結構會顯著影響絮凝活性。另外，絮凝反應體系中的各種物化因素都會影響到絮凝效果，包括環(huán)境的pH值、溫度、各種電荷甚至反應條件。

微生物的分子質量的大小對于絮凝活性非常重要。一般來說，相對分子質量越大，吸附位點以及攜帶的電荷越多，則中和能力越強，能夠促進橋聯(lián)作用和卷掃作用的進行，從而使得絮凝效果越顯著。目前已分離純化的微生物絮凝劑大多是多聚糖和蛋白質類的生物大分子，其相對分子質量在幾十萬到幾百萬之間。如果使用蛋白酶處理絮凝劑，由于蛋白質的水解作用分子質量下降，絮凝活性變差，絮凝活性會進一步消失。絮凝劑的分子結構也會顯著影響絮凝效果。當大分子具有線性結構時，絮凝效果更好。當分子結構顯示交聯(lián)或支鏈結構時，凝集效果較差。

不同的微生物絮凝劑對pH值的變化敏感程度不同，相同的絮凝劑對于不同的膠體系統(tǒng)具有不同的最佳pH值。pH值對膠體粒子的表面電荷、Zeta電位、絮凝劑的水溶液的性質及絮凝作用等有很大的影響。武曉暢等[25]在研究中比較不同pH值下絮凝效率的變化，發(fā)現(xiàn)隨pH值升高，絮凝效率先由低升高，又在pH＞8時緩慢下降。影響其變化的原因推測有：pH影響表面電荷、帶電狀態(tài)及中和電荷能力，pH值高時膠體粒子的表面電荷減少，粒子間排斥作用減弱，促進架橋形成和粒子沉淀。

溫度對微生物絮凝劑的活性也有一定的影響。主要影響的是蛋白質類絮凝劑，而由多聚糖組成的凝聚劑不受溫度的影響。蛋白質的分子結構在高溫下變質的話，會失去部分凝集能力。如大豆曲霉（Aspergillus sojae）產(chǎn)生的絮凝劑在30～80 ℃的溫度下，絮凝活性最大，溫度過高或過低，活性會急劇下降。紅平紅球菌（Rhodococcus erythropolis）產(chǎn)生的絮凝劑在100 ℃的水中加熱15 min后，其絮凝活性下降50%；而擬青霉屬（Paecilomycessp.）產(chǎn)生的聚半乳糖胺絮凝劑在0～100 ℃之間，絮凝活性幾乎不變。

金屬陽離子可以增強微生物絮凝劑的架橋和電荷中和作用。很多學者研究表明，Ca2+在絮凝微生物細胞之間連接細胞表面的蛋白質和多糖，顯著提高絮凝效果。LEVY N等[26]在研究環(huán)圈項圈藻產(chǎn)生的絮凝劑吸附膨潤土懸濁液時，發(fā)現(xiàn)Ca2+能夠減少微生物絮凝劑與膨潤土之間的靜電斥力，增加絮凝劑在膨潤土表面的初始吸附，即加強了架橋作用，從而增強了絮凝作用。以往的研究結果顯示二價陽離子，尤其是Ca2+起到良好助凝作用的原因不僅僅是壓縮雙電層作用，還能夠起到架橋作用。Fe3+和Al3+會產(chǎn)生二次污染問題，所以不適合作為絮凝劑使用。

絮凝劑的用量也會對絮凝效果產(chǎn)生一定的影響，一般來說，絮凝效果隨著絮凝劑用量的增加而顯著提高，達到峰值后如果添加絮凝劑，效果反而會下降。如在研究絮凝劑MFX對卡馬西平的去除過程中，也得到了類似的研究結果，這是因為當MFX投加量較低時，即使MFX達到吸附飽和，MFX的投加量也不足以去除卡馬西平；但當投加量過高時，過量的MFX會影響整個系統(tǒng)的電荷特性，破壞電荷平衡，從而降低卡馬西平的去除率。

3 微生物絮凝劑的應用

隨著微生物絮凝劑的深入研究和不斷發(fā)展，已在印染廢水、含油廢水、食品工業(yè)廢水、污泥脫水和重金屬廢水等諸多領域推廣應用。

3.1 印染廢水脫色

印染廢水是我國工業(yè)系統(tǒng)中重點污染源之一，水質變化大，色度高，含有大量難降解表面活性劑，是目前較難處理的工業(yè)廢水之一。

中國作為最大的紡織品生產(chǎn)國和出口國，工業(yè)廢水產(chǎn)生的印染量很大，必須經(jīng)過分解和凈化才能排放，否則此類廢水會造成嚴重的環(huán)境污染問題，影響人們的健康[27]。WANG T等[28]研究發(fā)現(xiàn)，通過微生物絮凝劑與丙烯酰氧基乙基三甲基氯化銨（acryloyloxyethyltrimethylammoniumchloride，DAC）和丙烯酰胺（acrylamide，AM）發(fā)生接枝共聚反應，將氨基、銨基和酰氧基引入絮凝劑的分子鏈中，使該復合絮凝劑具有高穩(wěn)定性和溶解性以及較大的比表面積，在絮凝過程中能夠同時以物理吸附和化學吸附起作用，極大促進了對印染廢水的絮凝處理性能。

3.2 含油廢水的處理

含油廢水是指在工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的含有有天然石油及其制品、焦油及其分餾物和脂肪等物質的廢水。石油化工、油田開采、機械制造等行業(yè)都會產(chǎn)生含油廢水，這類廢水成分復雜、來源廣泛、難以降解[29]，其中石油和焦油對水體的污染較大。微生物絮凝劑在含油廢水中經(jīng)常被用于一級處理，除去在廢水中通過自然沉淀法難以去除的微小懸浮粒子、乳化原油、膠體微粒等物質[30]。高藝文等[31]從油田采出水中分離篩選出芽孢桿菌（Bacillus）GL-6，該絮凝劑產(chǎn)生菌在最佳發(fā)酵條件下所產(chǎn)微生物絮凝劑對含油廢水中濁度的去除率可高達92.4%，對石油類的廢水的去除率可達到62.1%。實驗證實，相同濃度的微生物絮凝劑對含油排水的絮凝效果優(yōu)于傳統(tǒng)的化學絮凝劑。

在工程應用中，為了提高油水分離效率和懸浮物質的去除效果，減輕后續(xù)工藝處理的負荷，將浮選和混凝作為處理工藝的前端預處理，該方法成本低、操作簡單且效果明顯，不會涉及膜分離方法帶來的膜污染問題，是一種有前景的經(jīng)濟環(huán)保處理方法[32-33]。ZHAO C等[34]分析了電混凝、混凝-膜過濾、混凝/絮凝-浮選等混凝/絮凝組合工藝在含油廢水中的應用，在含油污染物的處理等某些應用中，仍保留了將混凝/絮凝技術與吸附、曝氣等傳統(tǒng)生物處理法相結合的工藝[35]。

3.3 食品工業(yè)廢水的處理

食品工業(yè)廢水包括制糖廢水、釀造廢水、肉類及乳制品加工廢水等，這些廢水中所含的有機物含量較高，同時好氧性較強，懸浮物含量較多。從煤炭工業(yè)廢水中篩選出絮凝劑產(chǎn)生菌，通過單因素優(yōu)化和響應面分析法發(fā)現(xiàn)。用豆腐廢水培育菌株，在處理煤炭工業(yè)廢水過程中絮凝率可達到98.08%，色度去除率高達97.25%。將微生物絮凝劑與聚丙烯酰胺復配之后處理蔗糖混合廢液，澄清效果要明顯優(yōu)于單獨使用聚丙烯酰胺的效果[35]。此外，微生物絮凝劑還廣泛應用于發(fā)酵產(chǎn)品的固液分離、發(fā)酵液中去除培養(yǎng)基殘余菌體等領域[36]。FU X等[37]研究發(fā)現(xiàn)，魚加工副產(chǎn)品中的魚精蛋白是一種聚合物陽離子肽，可以作為絮凝劑處理微藻細胞，在質量濃度為20 mg/L時，魚精蛋白對微藻細胞表面負電荷有靜電親和性，絮凝率達到85%，可用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)微藻細胞的捕獲。

3.4 污泥脫水處理

污泥水含有較多的細小顆粒及灰分，這些顆粒在水溶液中呈分散狀態(tài)，形成膠體。通過用化學絮凝法進行污泥脫水，成本高且后續(xù)處理難度大[38]。在活性污泥中加入微生物絮凝劑，其容積指數(shù)會很快下降，消除污泥沉降狀態(tài)，從而恢復活性污泥沉降能力[39]。YANG Q等[40]從活性污泥中篩選出由克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）產(chǎn)生的微生物絮凝劑N-10，將其與硫酸鋁復配，提高了電荷中和和架橋作用，污泥脫水性能極大提高，每小時污泥干固體量從13.1%增加至21.3%。李會東等[41]研究了過氧化鈣與微生物絮凝劑復配對污泥脫水性能的改善，通過改變初始pH值、絮凝劑投加量以及投加順序，發(fā)現(xiàn)污泥層結構在氧化作用下發(fā)生分解破碎，形成不規(guī)則的小絮體，污泥顆粒和Zeta電位都減小，從而使污泥降解處理的得更加徹底。

3.5 重金屬廢水的處理

電鍍、冶礦、化工等工業(yè)每年都會產(chǎn)生大量的含有重金屬的廢水，這類廢水會對自然生態(tài)系統(tǒng)造成污染，并且威脅人類的健康?；瘜W沉淀法是目前應用最為廣泛的重金屬水處理方法，加入的化學絮凝劑與污染物發(fā)生化學反應，并通過沉降過濾或離心使重金屬與水體實現(xiàn)分離。但加入大量的化學藥劑不僅成本較高，還會造成嚴重的二次污染問題，具有一定的局限性。相反，微生物絮凝劑在處理重金屬離子方面有獨特的優(yōu)勢。細菌菌體表面上存在以負電性為主的多種活性官能團（氨基、羥基、羧基等），它們和帶有正電性的金屬離子更易結合，從而將其從廢水中去除[42]。NHARINGO T等[43]在仙人掌的水溶液中發(fā)現(xiàn)一種可以有效去除重金屬，尤其是廢水中鉛元素的微生物絮凝劑，在pH值為5，絮凝劑添加量8 mg/L，粒徑＜75 μm，35 ℃絮凝180 min的最佳條件下，鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）和銅（Cu）等元素的去除率分別可達到100%、5.74%、84.16%和93.02%。HUANG J等[44]從土壤中分離出多粘菌產(chǎn)生的微生物絮凝劑MBFGA1在弱酸環(huán)境下對重金屬廢水中鉛的去除率達98%以上，當MBFGA1質量濃度45.54 mg/L，慢攪拌時間為95 min時，絮凝劑的生物吸附與生物絮凝協(xié)同作用共同促進了對重金屬原色的去除作用。

目前，對重金屬元素有絮凝沉淀作用的細菌種類進行了很多研究，包括克雷伯氏菌（Klebsiella）、地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）、曲霉菌（Aspergillus）等。微生物絮凝劑的重金屬吸附機制的動力學特征取決于金屬元素的初始濃度、pH值、溫度、絮凝劑的用量等因素[45]。

4 微生物絮凝劑的發(fā)展趨勢

隨著新技術和新工藝的加入，微生物絮凝劑進入新的發(fā)展階段。高效凝劑產(chǎn)生菌的選育與基因工程菌的構建，新型培養(yǎng)基的研究和復配，智能化絮凝設備工藝的迭代，都將極大的促進微生物絮凝劑的應用與發(fā)展。

4.1 絮凝劑產(chǎn)生菌的誘變育種與基因工程菌的構建

自然界中能產(chǎn)生絮凝劑的微生物種類很多，但篩選過程非常繁瑣，指導原則也不明確。如果發(fā)現(xiàn)篩選菌株的指導原則，則篩選效率將大幅提高。除了在自然界尋找菌株外，還需考慮誘變育種與工程菌的構建。王博等[46]對分離得到的絮凝劑產(chǎn)生菌進行30 s的紫外誘變，同時在5 ℃的低溫環(huán)境下培養(yǎng)，得到具有穩(wěn)定遺傳性的優(yōu)勢菌株。微生物絮凝劑的研發(fā)應考慮現(xiàn)代生物基因工程技術，利用先進技術培養(yǎng)高效、特定的工程菌株，優(yōu)化篩選出培養(yǎng)成本低，適用范圍廣，絮凝效果好的微生物絮凝劑。HAMMOND R P[47]探討了巴西固氮螺菌（Azospirillam brasilense）的絮凝基因及調控機理。PROMBUTARA P等[48]通過全基因組測序，獲得索氏菌（Sonne's bacillus）的絮凝相關基因。通過大量的研究，許多微生物可以在特定的生長階段產(chǎn)生絮凝劑，推測微生物絮凝劑的形成機制主要受細菌遺傳物質脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）的控制作用，正因為如此，使用基因工程手段有可能構建新型絮凝劑產(chǎn)生菌。通過現(xiàn)代微生物學技術、遺傳學技術和基因工程技術相結合構建的絮凝劑產(chǎn)生菌，具有較強靶向特性和處理效率，不僅大幅提高了絮凝劑的產(chǎn)值，還提高了絮凝性能的穩(wěn)定性。哈爾濱工業(yè)大學國家重點實驗室利用細胞融合技術，試圖改善絮凝微生物的活性絮凝作用，這項工作為深入研究絮凝功能基因，建立基因組文庫奠定了堅實的研究基礎[49]。在新型絮凝微生物研究過程中，需要建立多元化混合絮凝劑產(chǎn)生菌群和智能化菌種資源庫，并開展其遺傳特性和繁殖特性的安全評估與鑒定，以便后續(xù)可以針對不同的處理對象和目的選取不同的微生物菌種。

4.2 綠色廉價培養(yǎng)基

在絮凝劑產(chǎn)生菌的篩選和培養(yǎng)過程中，特定微生物培養(yǎng)基起到重要的作用，能夠大大提高選育菌種的存活率。這種培養(yǎng)基可以提供生產(chǎn)絮凝劑所需的碳、氮、硫和磷等主要物質，營養(yǎng)成分較高，其中氮源如酵母提取物、蛋白胨和碳源如葡萄糖、果糖和蔗糖等培養(yǎng)基成分占據(jù)成本的很大比重[50]，為實際生產(chǎn)帶來一定的負擔，同時也限制了微生物絮凝劑的發(fā)展?jié)摿Α榱送黄七@一限制，并根據(jù)其營養(yǎng)成分組成和應用場合，許多研究者做了大量工作，試圖尋找營養(yǎng)源的替代品，比如使用廢水、動物廢物成分或工業(yè)廢物的廉價可再生資源等成分進行微生物的發(fā)酵培養(yǎng)，達到以廢治廢的目的。同時基于生態(tài)環(huán)境友好和資源可持續(xù)發(fā)展方面的考慮，需要從非食用資源中尋找可再生的營養(yǎng)物質。其中，秸稈外殼、麩皮和糖蜜等植物性農(nóng)業(yè)廢料可用于微生物絮凝劑生產(chǎn)的主要碳源，家禽內(nèi)臟和魚內(nèi)臟等動物性生物產(chǎn)品是蛋白質、氨基酸等氮源的良好來源[51]。在實際應用中，如果直接利用未加工或簡單預處理的廢物，效果并不明顯，LIU C等[52]研究發(fā)現(xiàn)的嗜堿細菌芽胞桿菌沉香桿菌（Agaricus）C9能有效地發(fā)酵未經(jīng)處理的米糠以產(chǎn)生生物絮凝劑，該菌能分泌木聚糖酶和纖維素酶直接分解利用未處理的麩皮。因此在研究中需要考慮從分子水平上回收有價值的有機化合物來作為培養(yǎng)基的碳氮源等重要物質[53]。還有大量研究顯示，絮凝劑產(chǎn)生菌可以很好的利用廢物或廢水中的營養(yǎng)物質。KLAI N等[54]從廢水污泥中篩選的諾曼氏桿菌發(fā)酵液中獲得25 g/L的絮凝劑，產(chǎn)量高的原因是廢水中存在大量葡萄糖和蛋白質營養(yǎng)成分，且這種絮凝劑對高嶺土懸濁液和重金屬廢液的絮凝率分別可達到95.3%和85%。JOSHI N等[55]研究發(fā)現(xiàn)，以淀粉廢水中的糖和蛋白質為營養(yǎng)源培養(yǎng)肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）NJ7，可獲得0.111 mg/100 mL的微生物絮凝劑，并且該絮凝劑對同一淀粉廢水的絮凝效率可達到85.79%。從目前研究來看，利用廢水和廢物資源開發(fā)新型絮凝微生物培養(yǎng)基，不但可以減低生產(chǎn)成本，提高處理效率，還可以進一步實現(xiàn)資源的綠色循環(huán)利用。

4.3 微生物絮凝劑制備和應用的智能化控制

目前針對微生物絮凝劑的生產(chǎn)和制備需要考慮在最適發(fā)酵環(huán)境下進行。在絮凝微生物的培養(yǎng)過程中，重點研究微生物濃度、產(chǎn)物濃度及底物濃度隨時間變化的規(guī)則及溫度、pH值等與控制變量的關系，其核心是研究微生物生長動力學、基質消耗、產(chǎn)物生成的動力平衡和內(nèi)在規(guī)律。因此深入分析絮凝劑最佳發(fā)酵條件與發(fā)酵動力學的相關內(nèi)容，對提高微生物的產(chǎn)絮能力具有重要意義[56]。通過產(chǎn)物合成動力學模型，開發(fā)出自動化發(fā)酵檢測裝置，定時定量改變菌株生長時間、基質濃度、pH值、溶解氧等參數(shù)，可使生產(chǎn)控制達到最優(yōu)化，大大提高絮凝劑生產(chǎn)效率。

在絮凝過程中，需要對絮體的沉降性能、微生物量和生物活性3個方面進行表征，并綜合考慮3個指標。如果只考慮絮體的沉降性能而忽略代謝活性的話，絮凝劑會抑制微生物活性，微生物可能會死亡。若只考慮絮體代謝活性而忽略沉降性能，絮凝劑可能導致絮體因為沉降性能差而流失。因此，在反應器中，通過加入控制系統(tǒng)設計出自動化投加-絮凝-表征的一體化裝置，實現(xiàn)絮凝劑的定時定量加入、控制絮凝過程中的溫度、pH值等環(huán)境因素以及智能化表征絮凝結果，可以提高絮凝效率，為微生物絮凝劑走向產(chǎn)業(yè)化奠定基礎。

4.4 微生物絮凝劑與切削廢液的關系

在機械加工行業(yè)中，切削液對降低切削溫度、減少刀具磨損等有重要意義，而隨之帶來的是切削液的大量更換帶來的環(huán)境污染問題。切削廢液中的油脂等有機物含有較豐富的碳氮源，可以將其作為新型培養(yǎng)基培養(yǎng)微生物，進而微生物產(chǎn)生的絮凝劑用于處理切削廢液。因此微生物處理切削液的研究應結合切削廢液的成分性質的特點，從廉價培養(yǎng)基培養(yǎng)微生物菌種切入，或許是降低成本、高效處理切削廢液中重金屬物、含油物等有害物質的重要方式。

5 結語

近年來，隨著社會對環(huán)境的要求不斷提高，微生物絮凝劑因綠色無污染的特性體現(xiàn)出極佳的應用前景，越來越多的學者開展了微生物絮凝劑的篩選及機理方面的研究，并在廢水處理中應用，有很好的絮凝效果。但目前微生物絮凝劑的規(guī)?；瘧萌允芎Y選條件、代謝途徑、發(fā)酵培養(yǎng)等因素的制約。因此，研究人員不但需要從培養(yǎng)基的選用與創(chuàng)新、工藝條件及設備的優(yōu)化方面考慮，還應結合生產(chǎn)成本等因素與基因工程結合構建工程菌株，并在此基礎上建立對絮凝劑的生產(chǎn)和評估體系，將智能化設備運用到生產(chǎn)中來提高微生物絮凝劑的生產(chǎn)效率，擴大生產(chǎn)規(guī)模，這將有助于微生物絮凝劑走向產(chǎn)業(yè)化應用道路。