点击图片查看原图
1．微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的发展
1.1微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的研究背景
长期以来，给水和污(废)水处理中使用的聚丙烯酰胺絮凝剂主要有两大类：以铝系和铁系混凝剂为代表的无机高分子类和以聚丙烯酰胺为代表的合成有机高分子聚丙烯酰胺絮凝剂。有关研究表明，饮用水摄入过多的铝离子的人群中，老年性痴呆症的患者比例较高。随着全球性人口老龄化的出现和加剧，人们对铝系混凝剂的使用安全性提出了质疑。而丙烯酰胺单体更是具有强烈的神经毒性和致癌作用。
此外，天然有机高分子聚丙烯酰胺絮凝剂作为一类较新的水处理剂，是利用蛋白质、多聚糖、木质素、几丁质等生物体分泌的天然有机高分子，通过化学改性制成。由于天然有机高分子具有无毒且能完全降解的特点，所以曾一度引起各科研机构的重视，但多年来在此领域能真正应用于工业生产的品牌产品并不多。
随着生物科学基因工程领域许多重大突破的取得，环境科学工作者开始将生物技术与絮凝技术结合起来，微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的研制迅速发展起来，研究开发出微生物聚丙烯酰胺絮凝剂，开创了聚丙烯酰胺絮凝剂研究工作的新领域。
1.2微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的发展
研究者早就发现，一些微生物如酵母、细菌等有细胞絮凝现象，但一直未对其产生重视，仅是作为细胞富集的一种方法。近十几年来，细胞絮凝技术才作为一种简单、经济的生物产品分离技术在连续发酵及产品分离中得到广泛的应用。
微生物聚丙烯酰胺絮凝剂是一类由微生物产生的具有絮凝功能的高分子有机物。主要有糖蛋白、粘多糖、纤维素和核酸等。从其来源看，也属于天然有机高分子聚丙烯酰胺絮凝剂，因此它具有天然有机高分子聚丙烯酰胺絮凝剂的一切优点。同时，微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的研究工作已由提纯、改性进入到利用生物技术培育、筛选优良的菌种，以较低的成本获得高效的聚丙烯酰胺絮凝剂的研究，因此其研究范围已超越了传统的天然有机高分子聚丙烯酰胺絮凝剂的研究范畴。
具有分泌聚丙烯酰胺絮凝剂能力的微生物称为聚丙烯酰胺絮凝剂产生菌。最早的聚丙烯酰胺絮凝剂产生菌是Butter field从活性污泥中筛选得到。1976年，Nakamura J.等人从霉菌、细菌、放线菌、酵母菌等菌种中，筛选出19种具有絮凝能力的微生物，其中以酱油曲霉(Aspergillussouae)AJ7002产生的聚丙烯酰胺絮凝剂效果最好。1985年，Takagi H.等人研究了拟青霉属(Paecilomycessp.Ⅰ-1)微生物产生的聚丙烯酰胺絮凝剂PF101。PF101对枯草杆菌、大肠杆菌、啤酒酵母、血红细胞、活性污泥、纤维素粉、活性炭、硅藻土、氧化铝等有良好的絮凝效果。1986年，Kurane等人利用红平红球菌(Rhodococcuserythropolis)研制成功微生物聚丙烯酰胺絮凝剂NOC-1，对大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、粉煤灰水、活性碳粉水、膨胀污泥、纸浆废水等均有极好的絮凝和脱色效果，是目前发现的最好的微生物聚丙烯酰胺絮凝剂。
美国也研制出一些高絮凝性菌株，能与其它微生物一起制成生物活液，用以快速消除下水道淤塞、水体富营养化和污泥膨胀等现象。
1.3微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的种类
至今发现的具有絮凝性的微生物达17个种以上，有霉菌、细菌、放线菌和酵母。 由它们生产的微生物聚丙烯酰胺絮凝剂有许多，其中最具代表性的为以下三个：Nakamura J.用酱油曲霉(Aspergillussouae)生产的聚丙烯酰胺絮凝剂AJ7002； Takagi H.用拟青霉属((Paecilomycessp.Ⅰ-1)微生物生产的聚丙烯酰胺絮凝剂PF101； Kurane等人利用红平红球菌(Rhodococcuserythropolis)研制成功微生物聚丙烯酰胺絮凝剂NOC-1。
1.4微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的特性
微生物聚丙烯酰胺絮凝剂由阴离子型的生物高分子组成。因此，在性质上与阴离子有机高分子聚丙烯酰胺絮凝剂相类似，它的絮凝性质、机理、作用都与阴离子有机高分子聚丙烯酰胺絮凝剂相类似，但它又有自己的特性。
微生物聚丙烯酰胺絮凝剂是一种天然无毒的有机高分子化合物，包括机能性蛋白质和机能性多糖类物质，因此微生物聚丙烯酰胺絮凝剂具有生物可分解性的独特性质，而且对环境和人类均无毒无害。微生物聚丙烯酰胺絮凝剂具有较高的热稳定性，将C-62菌株产生的聚丙烯酰胺絮凝剂煮沸10分钟后其活性仍有88%。微生物聚丙烯酰胺絮凝剂对多种絮凝颗粒以及合成高分子聚丙烯酰胺絮凝剂的可溶性色素物质都具有优良的凝聚能力。
2微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的研究和应用现状
2.1聚丙烯酰胺絮凝剂产生菌的培养及微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的提取和纯化
（1）聚丙烯酰胺絮凝剂产生菌的培养 聚丙烯酰胺絮凝剂产生菌的培养同其它好氧微生物的培养过程相同，主要影响因素为培养基的C源、N源；培养温度；初始pH值；通气速度等。值得注意的是，对于某一特定菌种，聚丙烯酰胺絮凝剂生产的最佳条件往往不同于细胞生长的最佳条件。 培养基成分对絮剂的生产和絮凝活性有较大影响。富含单糖或营养丰富的培养基有利于聚丙烯酰胺絮凝剂产生而用高氮低糖的培养基培养，会使聚丙烯酰胺絮凝剂的产量降低。 合适的培养温度一般为25～30℃。温度太低会使菌体活性降低，生长速度慢；温度太高会使菌体产生的聚丙烯酰胺絮凝剂活性较低。
初始ｐＨ值为6.0～8.5。对于不同的菌种，最适pH值稍有不同。培养基初始pH值过高或过低均不利于聚丙烯酰胺絮凝剂的产生。 培养初期大量通气一方面满足生物生长的需求，另一方面也能防止菌体絮凝成较大颗粒。使用摇床培养时可采用100～200r/min。培养中后期可适当降低通气量。
（2）微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的提取和纯化 微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的提取首先用过滤或离心的方法去除菌体，可视发酵液的组成成份及絮凝物质的种类性质不同而采用乙醇，硫酸铵盐析，丙酮、盐酸胍等沉淀获得。对于结构较复杂的聚丙烯酰胺絮凝剂的提取，则需要用酸、碱或有机溶剂反复溶解、沉淀以得到粗品。将粗品溶于水或缓冲溶液，可能通过离子交换、凝胶色谱等方法使其纯化获得产品。
以PF101为例，其精制过程为http://www.lcyxhbkj.com：取一定量培养液，边搅拌边加入2倍体积的乙醇，然后离心分离，取沉淀物重新溶于水，经渗析后冻干即得到粗品；将粗品溶于热水，离心去除不溶性物质，把用琼脂糖6B(Sepharose 6B)做的凝胶柱先用0.04mol/L的三甲醇氨基甲烷 盐酸(Tris HCl)缓冲溶液(pH=6.7)平衡，然后通入离心分离后的上清液，再用三甲醇氨基甲烷 盐酸缓冲溶液洗净，最后用三甲醇氨基甲烷 马来酸酯(Tris-maleate)缓冲溶液(pH=6.5)洗脱，活性洗出液加入2倍体积的乙醇沉淀，接下来用95%的乙醇洗涤、冻干，就得到提纯的成品PF101。
2.2 聚丙烯酰胺絮凝剂产生菌的基因控制
微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的产生是受基因控制的，到目前为止人们已发现了十几个絮凝基因。如位于Saccharomycescerevisiae第一条染色体上距ade138厘摩处的FOL1具有显性表达絮凝性的功能。现代的克隆技术可以将FOL1絮凝基因切下，插入其它染色体质粒中，经大量复制后，转入受体细胞内，使本无絮凝性的细胞获得絮凝性能，或者使有絮凝性细胞的絮凝性能发生改变。
2.3 微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的作用机理及影响因素
（1）架桥絮凝机理这一机理认为，聚丙烯酰胺絮凝剂借助离子键、氢键、同时结合了多个颗粒上的分子，在颗粒间起了“中间桥梁”的作用，从而使悬浮物形成网状结构的絮凝物而沉淀下来。通常认为合成的高分子聚丙烯酰胺絮凝剂都是通过这种机理产生絮凝作用，微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的絮凝机理与合成的高分子聚丙烯酰胺絮凝剂的作用机理是一致的。这种机理最为人们所认可。
（2）电性中和机理 这一机理认为胶体粒子的表面一般带有负电荷，当带有一定正电荷的链状生物大分子聚丙烯酰胺絮凝剂或其水解产物靠近这种胶粒时，会中和胶体表面上的部分电荷， 使静电斥力减少，从而使胶粒间发生磁力碰撞而凝聚，向溶液中加入金属离子或调节pH值可影响其絮凝效果。
（3）化学反应机理 这一机理认为生物大分子中某些活性基团与被絮凝物质相应基团反应，进而聚集成较大的分子而沉淀下来。通过对生物大分子进行改性处理，使其添加或丧失某些活性基团，絮凝活性发生变化而起作用。某些学者指出聚丙烯酰胺絮凝剂的活性主要是依赖于活性基团，即活性基团决定了聚丙烯酰胺絮凝剂的活性。
（4）卷扫作用机理 这一机理认为，当微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的投加量一定且形成小颗粒絮体时，可以在重力作用下，迅速网捕，卷扫水中一些胶粒，从而产生沉淀。这种作用可看成是一种机械作用，实践证明，所需聚丙烯酰胺絮凝剂的量与原水中杂质悬浮体含量成正比。
聚丙烯酰胺絮凝剂的分子量、分子结构与形状及其所带基团对聚丙烯酰胺絮凝剂的活性都有影响。一般来讲，分子量越大，絮凝活性越高；线性分子絮凝活性高，分子带支链或交联越多，絮凝性越差；聚丙烯酰胺絮凝剂产生菌处于培养后期，细胞表面疏水性增强，产生的聚丙烯酰胺絮凝剂活性也越高。处理水体中胶体离子的表面结构与电荷对絮凝效果也有影响。一些报道指出，水体中阳离子，特别是Ca2+、Mg2+的存在能有效降低胶体表面负电荷，促进“架桥”形成。另外，高浓度Ca2+的存在还能保护聚丙烯酰胺絮凝剂不受降解酶的作用。
2.4 微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的工业应用
微生物聚丙烯酰胺絮凝剂絮凝范围广、絮凝活性高，而且作用条件粗放，大多不受离子强度、pH值及温度的影响，因此可以广泛应用于污水和工业废水处理中。 畜产废水畜产废水BOD高，难处理，采用合成高分子聚丙烯酰胺絮凝剂效果不好，而用NOC-1处理猪粪尿废水则效果很好，处理10min后，上清液接近透明，其TDC由8200mg/L降为2980mg/L，OD值由157降为85。 废水脱色? 在墨水、造纸黑液、糖蜜废水，颜料为水等有色废水中加入NOC-1，絮凝沉淀后进行固液分离，可使废水脱色，效果显。膨胀污泥? 膨胀污泥难以沉降，故处理困难，如处理甘草废水时，就会产生膨胀污泥，加入NOC-1后，污泥的SVI很快从290下降到50，消除了污泥膨胀，恢复了活性污泥的沉降能力。 鞣革工业? 废水在鞣革工业废水中加入C-62菌株产生的聚丙烯酰胺絮凝剂，其浊度去除率可达96%。陶瓷厂废水? 该废水主要有坯体废水和釉药废水两种，加入NOC-1，5min后二废水的浊度去除率分别为96.65%和97.9%，可得到几乎透明的上清液。
2.5 我国微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的研究现状
我国微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的研制起步较晚。见诸报道的只有台湾邓德丰等人众废水处理场的废水中分离到C-62菌株产生的聚丙烯酰胺絮凝剂；王镇、王孔星等人制备的MF3、MF6、MF8、HF24聚丙烯酰胺絮凝剂，及张本兰利用Palcaligenes 8724菌株生产的聚丙烯酰胺絮凝剂。数量、品种都很少，在实现工业化生产和应用前还有很多研究工作要作。
3 微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的发展趋势
综合分析微生物聚丙烯酰胺絮凝剂的研究和应用，我们认为今后微生物聚丙烯酰胺絮凝剂领域的研究将出三个重要的趋势；一、随着微生物聚丙烯酰胺絮凝剂工业化生产和应用的研究和推广，降低微生物凝剂生产成本已显得十分重要。例如在NOC-1的培养基中，作为N源的酵母浸膏价比较贵，占NOC-1生产成本的80%。人们研制出用豆饼、水产废水和牛血取代酵母浸后，培养基的价格下降了2/3以上[14]。另外，有些聚丙烯酰胺絮凝剂产生菌还能以自然界中或人工成的高分子物质作为培养基C源。如Corynebacteriumhydrocaboclastus可以利用煤油生并产生聚丙烯酰胺絮凝剂；而Nocardiaerythropolis可以在降解塑料生产中的酞酸酯的同时，生产凝剂。
