微生物絮凝劑組成與結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

劉 敏

內(nèi)江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 641112

引言

微生物絮凝劑 (Microbial Flocculant，簡稱MBF)是通過生物技術(shù)，采用生物發(fā)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(jì)70年代，日本學(xué)者在研究肽酸酯生物降解過程中，發(fā)現(xiàn)其微生物培養(yǎng)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(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，由于其使用方便，安全無毒，并具有生物可降解的獨(dú)特性質(zhì)，微生物絮凝劑現(xiàn)已逐步占據(jù)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(jì)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(xué)結(jié)構(gòu)將有利于闡明絮凝劑機(jī)理，從而為改造和修飾絮凝劑、提高絮凝活性提供理論依據(jù)。

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(jù)微生物絮凝劑的組成結(jié)構(gòu)，主要分為四大類[1,2]：第一類是由微生物細(xì)胞分泌的代謝物，此類物質(zhì)吸附在細(xì)胞外層，主要包括細(xì)菌的莢膜和黏液，其主要成分為多糖和少量的多肽、蛋白質(zhì)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(zhì)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(xì)胞壁的成分，微生物細(xì)胞是天然有機(jī)高分子絮凝劑的重要來源，如酵母細(xì)胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白質(zhì)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(shù)通過把高絮凝性能的基因轉(zhuǎn)移到便于發(fā)酵的菌體中，形成能夠穩(wěn)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(shù)，通過細(xì)菌、真菌等微生物發(fā)酵、抽提、精煉而成，同時配以廉價的營養(yǎng)物質(zhì)或廢棄物來替代價格較高的培養(yǎng)基成分，以達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。重慶大學(xué)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(yǎng)GL-3菌產(chǎn)生的生物絮凝劑對多種實(shí)際廢水也有良好的凈化效果。

2 微生物絮凝劑的結(jié)構(gòu)特征

2.1 微生物絮凝劑的物質(zhì)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(zhì)及脂肪等復(fù)雜物質(zhì)，因此其結(jié)構(gòu)和組成的表征一直是國內(nèi)外研究者的重點(diǎn)內(nèi)容。

從組成上看是屬于生物分子系列結(jié)構(gòu)的復(fù)雜物質(zhì)，主要含多糖、糖蛋白、纖維素、DNA、蛋白質(zhì)及脂肪等。近年來，國內(nèi)外的研究者借助各種技術(shù)和手段對多鐘絮凝劑的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)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(chǎn)生的絮凝劑PF101，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)及化學(xué)本質(zhì)

微生物絮凝劑的空間結(jié)構(gòu)主要有兩大類，即纖維狀和球狀。纖維狀結(jié)構(gòu)主要是在絮凝體過程中形成的一類聯(lián)結(jié)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(tài)。由此可以看出，絮凝劑的微觀立體結(jié)構(gòu)根據(jù)其化學(xué)成分的不同表現(xiàn)出不同的形態(tài)，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(chǎn)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(gòu)成的雜多聚糖，還有些是蛋白質(zhì)（或多肽）[11]，但并非細(xì)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(jī)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(hù)絮凝劑不受降解酶的作用。因此，從化學(xué)本質(zhì)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(xué)結(jié)構(gòu)的研究方法

微生物絮凝劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)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(xué)組成。

（2）化學(xué)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(zhì)的氨基酸組成結(jié)構(gòu)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(zhì)提取出來加入在一起形成絮凝物。

2.4 化學(xué)結(jié)構(gòu)與絮凝能力的關(guān)系

一般來說，具有線性結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(jī)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(tuán)，表現(xiàn)出的親水性、電荷的中和能力等都有不同，一些特殊的基團(tuán)甚至可以幫助絮凝劑維持空間結(jié)構(gòu)，充當(dāng)其吸附部位等。

3 微生物絮凝劑的絮凝作用機(jī)理

由于對微生物絮凝機(jī)理的研究對微生物的開發(fā)應(yīng)用有著重要的意義，因此國內(nèi)外對絮凝劑機(jī)理提出了很多假說：電中和作用、架橋?qū)W說、Butterfidld粘質(zhì)假說、friedman菌體纖維素行為學(xué)說、離散細(xì)胞和伸展橋鍵之間的三維基質(zhì)模型假說、病毒學(xué)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(jī)理的研究。此種絮凝方式主要是由細(xì)胞壁上的特定表面蛋白與其他酵母細(xì)胞表面的甘露糖殘基之間的專一性結(jié)合而成。酵母菌產(chǎn)生絮凝的解釋主要有三種模型：LLA(lectinlike adhesion)模型、陰離子基團(tuán)架橋模型(calcium-bridging)、表面電荷中和模型?，F(xiàn)今較于其他兩種模型，LLA模型得到比較普遍的認(rèn)同。

4 結(jié)語與展望

微生物絮凝劑有諸多優(yōu)點(diǎn)，各項研究表明，微生物絮凝劑在微生物發(fā)酵工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)和廢水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前對其研究仍停留在產(chǎn)生菌的分離、篩選和培養(yǎng)上，尚未有完善的培養(yǎng)和制備方法，由于成本較高，還未進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)和推廣，今后微生物絮凝劑的研究領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)以下幾個重要的發(fā)展方向：

（1）繼續(xù)加強(qiáng)對微生物絮凝劑物質(zhì)結(jié)構(gòu)、絮凝特性等方面的研究，深入研究微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理及其在處理不同水質(zhì)廢水時的共性與特性。

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

（3）對培養(yǎng)基的開發(fā)和利用，通過成本的減低等方式，開發(fā)新技術(shù)新工藝。

（4）復(fù)合型微生物絮凝劑的研究，將微生物絮凝劑與其他傳統(tǒng)絮凝劑聯(lián)合使用，探討起復(fù)配的效果。

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