微生物絮凝劑組成與結構研究進展

劉 敏

內江師范學院化學化工學院 641112

引言

微生物絮凝劑 (Microbial Flocculant，簡稱MBF)是通過生物技術，采用生物發酵、抽提、精制得到的一類具有絮凝活性的天然高分子聚合物。20世紀70年代，日本學者在研究肽酸酯生物降解過程中，發現其微生物培養液具有絮凝作用，其后蒼根隆一分離出NOC-1絮凝劑，國外微生物絮凝劑開始逐步進入商業化生產，由于其使用方便，安全無毒，并具有生物可降解的獨特性質，微生物絮凝劑現已逐步占據絮凝劑部分市場份額。我國對微生物絮凝劑的研究始于20世紀90年代初期，雖然起步較晚，但由于微生物絮凝劑的巨大潛力，已有越來越多的科研工作者到這方面的研究中，并取得了一定的成績。研究微生物絮凝劑的組成及化學結構將有利于闡明絮凝劑機理，從而為改造和修飾絮凝劑、提高絮凝活性提供理論依據。

1 微生物絮凝劑的種類及制備方法

1.1 微生物絮凝劑的種類

根據微生物絮凝劑的組成結構，主要分為四大類[1,2]：第一類是由微生物細胞分泌的代謝物，此類物質吸附在細胞外層，主要包括細菌的莢膜和黏液，其主要成分為多糖和少量的多肽、蛋白質等，其中多糖在某種程度上可以作為絮凝劑；第二類是微生物菌體作為絮凝劑，如某些真菌、酵母菌等，此類物質的獲取途徑較為廣泛，如土壤、活性污泥中都含有較多的該類微生物；第三類是直接利用微生物的細胞壁的成分，微生物細胞是天然有機高分子絮凝劑的重要來源，如酵母細胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白質等；第四大類是通過基因工程改建后的基因工程菌，此類技術通過把高絮凝性能的基因轉移到便于發酵的菌體中，形成能夠穩定遺傳的新菌株。

1.2 微生物絮凝劑的制備方法

微生物絮凝劑的制備一般可以利用生物技術，通過細菌、真菌等微生物發酵、抽提、精煉而成，同時配以廉價的營養物質或廢棄物來替代價格較高的培養基成分，以達到降低生產成本的目的。重慶大學余榮升[3]將處理后的黃豆豆汁用于替代價格較高的酵母膏及蛋白胨，作為微生物活性菌MBF-1生長的主要碳源和氮源，從而降低絮凝劑的成本。李劍等[4]利用乳品廢水培養GL-3菌產生的生物絮凝劑對多種實際廢水也有良好的凈化效果。

2 微生物絮凝劑的結構特征

2.1 微生物絮凝劑的物質組成

微生物絮凝劑作為一類高分子聚合物，主要包括多糖、糖蛋白、纖維素、DNA、蛋白質及脂肪等復雜物質，因此其結構和組成的表征一直是國內外研究者的重點內容。

從組成上看是屬于生物分子系列結構的復雜物質，主要含多糖、糖蛋白、纖維素、DNA、蛋白質及脂肪等。近年來，國內外的研究者借助各種技術和手段對多鐘絮凝劑的組成和結構進行了表征。1985年，H.Takagi等人[5]研究了擬青霉素(Paecilomyces sp.l-1)微生物產生的絮凝劑PF101，發現其主要成份為半乳糖胺。Kurane分離出的脂類絮凝劑[6]中主要含有葡萄糖單霉菌酸酯(GM)、海藻糖單霉菌酸酯(TM)、海藻糖二霉菌酸酯(TDM)三種組分。成文、胡勇有[7]研究微生物絮凝劑MBF7、MBF8、MBF21、MBF26的主要成份為多糖，并且MBF8，MBF21和MBF26的相對分子量分別為10.47×105，14.79×105，10.54×105。胡筱敏[8]報道MBF9主要分子量超過200萬，是線性高分子，含19.1%糖醛酸、2.74%氨基酸和47.4%中性糖。

2.2 微生物絮凝劑的空間結構及化學本質

微生物絮凝劑的空間結構主要有兩大類，即纖維狀和球狀。纖維狀結構主要是在絮凝體過程中形成的一類聯結物[9]，如從Nocardia amarae提取的絮凝劑就可以形成像絲綢一樣的絮凝纖維。而從曲霉Aspergillus sojac 中獲得的絮凝劑則具有球狀的形態。由此可以看出，絮凝劑的微觀立體結構根據其化學成分的不同表現出不同的形態，也就具有不同的絮凝模式。

微生物絮凝劑主要是微生物代謝產生的各種多糖，這類多聚糖中有些是由單一糖單體組成，有些是由多種糖單體構成的雜多聚糖，還有些是蛋白質（或多肽）[11]，但并非細菌合成的多糖均具有絮凝活性。另外，一些絮凝劑中還含有無機金屬離子，如Ca2+，Mg2+，Al3+，和Fe3+等，水體中陽離子，尤其是Ca2+能降低膠體的表面電荷，增加其吸附和架橋的能力，并且高濃度的Ca2+還能保護絮凝劑不受降解酶的作用。因此，從化學本質上來說，微生物的絮凝性也許是一種伴生性狀。

2.3 微生物絮凝劑化學結構的研究方法

微生物絮凝劑的化學結構的研究方法主要有以下三種：

（1）破壞微生物絮凝能力的“因子破壞法”，該方法是通過加熱處理和測定蛋白酶、金屬陽離子螯合劑等來識別微生物絮凝劑的化學組成。

（2）化學分析法，較于因子破壞法，此類方法能夠具體分析出微生物絮凝劑的生化組成，如蛋白質的氨基酸組成結構以及多糖的成分等。

（3）第三種方法是將微生物中具有絮凝活性的物質提取出來加入在一起形成絮凝物。

2.4 化學結構與絮凝能力的關系

一般來說，具有線性結構的絮凝劑比非線性分子絮凝性高。同時，絮凝劑的相對分子量也對絮凝活性具有重要的影響，分子量越大，其絮凝活性就越高，主要源于其可以攜帶更多的點和，增加了中和能力，因此具有明顯的架橋和卷掃作用。故目前分離純化的微生物絮凝劑多是機能性蛋白和多糖的高分子聚合物，相對分子量一般都在105以上。

同時，絮凝劑攜帶不同的基團，表現出的親水性、電荷的中和能力等都有不同，一些特殊的基團甚至可以幫助絮凝劑維持空間結構，充當其吸附部位等。

3 微生物絮凝劑的絮凝作用機理

由于對微生物絮凝機理的研究對微生物的開發應用有著重要的意義，因此國內外對絮凝劑機理提出了很多假說：電中和作用、架橋學說、Butterfidld粘質假說、friedman菌體纖維素行為學說、離散細胞和伸展橋鍵之間的三維基質模型假說、病毒學假說等。目前，研究較多是由菌體自身引起的絮凝，即所謂胞壁絮凝，尤其是對酵母菌的絮凝機理的研究。此種絮凝方式主要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而成。酵母菌產生絮凝的解釋主要有三種模型：LLA(lectinlike adhesion)模型、陰離子基團架橋模型(calcium-bridging)、表面電荷中和模型。現今較于其他兩種模型，LLA模型得到比較普遍的認同。

4 結語與展望

微生物絮凝劑有諸多優點，各項研究表明，微生物絮凝劑在微生物發酵工業、醫藥工業和廢水處理中具有廣闊的應用前景。但目前對其研究仍停留在產生菌的分離、篩選和培養上，尚未有完善的培養和制備方法，由于成本較高，還未進行大規模的生產和推廣，今后微生物絮凝劑的研究領域將出現以下幾個重要的發展方向：

（1）繼續加強對微生物絮凝劑物質結構、絮凝特性等方面的研究，深入研究微生物絮凝劑的絮凝機理及其在處理不同水質廢水時的共性與特性。

（2）人工構建新菌株，通過誘變育種、原生質體融合、基因工程技術等方式，構造既能降解污染物質，又具有絮凝作用的特殊性狀的新菌株。

（3）對培養基的開發和利用，通過成本的減低等方式，開發新技術新工藝。

（4）復合型微生物絮凝劑的研究，將微生物絮凝劑與其他傳統絮凝劑聯合使用，探討起復配的效果。

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[11]有馬咎,田村學造著;郭麗華,任玉齡譯. 生物技術凈化環境[M]. 北京：化學工業出版社,1990