微生物絮凝劑研究進展與展望

郝建安，楊波，張曉青，司曉光，姜天翔，杜瑾，張愛君，任華峰，謝寶龍，馬曉蕾，張雨山，王靜

國家海洋局 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192

微生物絮凝劑研究進展與展望

郝建安，楊波，張曉青，司曉光，姜天翔，杜瑾，張愛君，任華峰，謝寶龍，馬曉蕾，張雨山，王靜

國家海洋局 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192

微生物絮凝劑是近30年來逐漸發(fā)展起來的新型水處理藥劑，是近年來絮凝劑研究的熱點。本文從絮凝活性微生物的來源開始，依次闡述微生物絮凝劑的活性成分、微生物絮凝基因，并介紹了微生物絮凝劑的應(yīng)用情況，對微生物絮凝劑的未來發(fā)展進行了展望。

微生物絮凝劑；研究；應(yīng)用

近年來，環(huán)境污染尤其是水污染成為社會關(guān)注的焦點，水質(zhì)凈化成為一個重要課題，水質(zhì)凈化相關(guān)的藥劑、工藝隨之成為研究熱點。絮凝劑是一種常用的水處理藥劑，可以顯著降低水的濁度，從而達到凈水的目的。常用的絮凝劑多為化學(xué)合成藥劑，存在二次污染的問題。微生物絮凝劑（microbial flocculant）是一類由微生物產(chǎn)生的，可使液體中固體懸浮顆粒、菌體細胞及膠體凝集、沉淀的特殊代謝物。因其來源于微生物，多數(shù)成分為生物合成的分子，易于降解，滿足綠色藥劑的要求，因此，逐漸吸引了研究者的關(guān)注。

1 絮凝活性微生物的來源

微生物的絮凝現(xiàn)象早在1876年便被報道，最初對于微生物絮凝現(xiàn)象的認識集中于啤酒釀造過程中釀酒酵母的絮凝[1]。上世紀70年代至90年代初，日本科學(xué)家在微生物絮凝研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。1976年，味之素有限公司的Nakamura等分離到一株具有絮凝活性的醬油曲霉（Aspergillus sojae）AJ7002[2]；1985年，下田醬油有限公司的Takagi等分離到具有絮凝活性的淡紫擬青霉（Paecilomycessp.）I-1[3]；1992年，通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院的Kurane等從自然界分離出的具有絮凝活性的紅平紅球菌（Rhodococcus erythropolis），首次制成微生物絮凝劑NOC-1，該絮凝劑用于畜產(chǎn)廢水處理、膨脹污泥處理、磚場生產(chǎn)廢水處理以及廢水的脫色處理，都取得了很好的效果[4]。上世紀末開始，其他國家的科學(xué)家開始逐漸涉足這一研究領(lǐng)域。2002年，伊朗塔比阿特莫達勒斯大學(xué)的Salehizadeh等發(fā)現(xiàn)一株具有絮凝活性的堅強芽孢桿菌（Bacillus firmus）[5]；2004年，韓國仁荷大學(xué)的Kumar等從仁川市周邊灘涂的海水樣品中分離到具有絮凝活性的嗜鹽嗜堿芽孢桿菌（Bacillussp.）I-471[6]；2010年，印度北馬哈拉施特拉大學(xué)的Patil等研究了固氮菌（Azotobacter indicus）ATCC9540菌株胞外絮凝劑的生產(chǎn)[7]；2015年，南非福特海爾大學(xué)的Okaiyeto等從海洋沉積物中分離到一株具有絮凝活性的芽孢桿菌Bacillus toyonensisAEMREG6[8]。迄今，研究者已經(jīng)陸續(xù)從陸地、海洋與其他環(huán)境中分離出多種絮凝活性微生物，種類已涵蓋細菌、真菌與放線菌，達到數(shù)十個種屬，其中芽孢桿菌屬分離到的絮凝活性菌種最為豐富。

2 微生物絮凝劑活性成分的鑒定

微生物絮凝劑種類繁多，來源多樣，不同微生物絮凝劑的組成也不同。隨著紫外光譜、紅外光譜、高壓液相色譜與質(zhì)譜技術(shù)的應(yīng)用，微生物絮凝劑的活性成分正在被人們探知。按其來源，微生物產(chǎn)生的絮凝活性物質(zhì)可分為3類：一是微生物細胞本身即具備絮凝活性，如活性污泥和沉積物中大量存在的各種細菌、霉菌、放線菌和酵母菌；第二類是微生物細胞提取物具有絮凝活性，如酵母細胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白質(zhì)和N-乙酰葡萄糖胺等成分；第三類是微生物細胞代謝產(chǎn)物具有絮凝活性，微生物細胞分泌到細胞外的代謝產(chǎn)物主要是多糖、少量多肽、蛋白質(zhì)、脂類及其復(fù)合物，此類微生物絮凝活性物質(zhì)最具代表性。1986年，Kurane開發(fā)的微生物絮凝劑NOC-1的主要成分是蛋白質(zhì)，且其中含有諸多疏水氨基酸[4]。1991年，Toeda等發(fā)現(xiàn)了一株絮凝活性協(xié)腹產(chǎn)堿桿菌（Alcaligenes cupidus）KT201，其產(chǎn)生的絮凝劑的主要成分是酸性聚多糖[9]。2002年，Salehizadeh等發(fā)現(xiàn)一株堅強芽孢桿菌可以產(chǎn)生糖類微生物絮凝劑，該絮凝劑含葡萄糖、果糖、甘露糖和半乳糖[5]。2010年，黎忠等采用透析、乙醇沉淀、凝膠過濾層析等方法獲得一種微生物絮凝劑ZS-7，并證實其為一種新型的糖蛋白[10]。2012年，李淑芳等經(jīng)離心、乙醇沉淀、透析等過程純化微生物絮凝劑MBFA1，并利用紫外、紅外、凝膠滲透色譜等確定活性成分為多糖[11]。2013年，張媛媛等通過丙酮沉淀法提取絮凝劑MBFGAl粗產(chǎn)品，經(jīng)Sevage試劑純化后得到MBFGAl精產(chǎn)品，采用全波長掃描、苯酚硫酸法及考馬斯亮藍法鑒定精產(chǎn)品為多糖類物質(zhì)[12]。

3 微生物絮凝基因

近年來，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，微生物絮凝劑的研究也進入基因領(lǐng)域。酵母菌中與絮凝有關(guān)的基因研究較為系統(tǒng)，在釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）染色體的基因組中至少已發(fā)現(xiàn)FLO1、FLO2、FLO4等絮凝相關(guān)基因。1974年，蘇格蘭斯特拉斯克萊德大學(xué)的Lewis等自Allied Breweries公司的一株發(fā)酵用釀酒酵母中定位了顯性絮凝基因FLO1，隨后在實驗室培養(yǎng)的單倍體與二倍體菌株中發(fā)現(xiàn)了顯性絮凝基因FLO2與隱形基因flo3[13]。1977年，蘇格蘭赫爾瓦特大學(xué)的Stewart等在釀酒酵母中發(fā)現(xiàn)了另一個絮凝基因FLO4[14]。1983年，日本廣島大學(xué)的Yamashita等自糖化酵母（Saccharomyces diastaticus）中發(fā)現(xiàn)了新的絮凝基因FLO8[15]。1993年，西班牙圣地亞哥德孔波斯特拉大學(xué)的Sieiro等發(fā)現(xiàn)了一個絮凝抑制基因fsu3[16]。2002年，何秀萍等完成了酵母菌絮凝基因（FLO1G）的序列測定及分析[17]。相比于酵母菌絮凝基因研究的廣度與深度，對細菌絮凝基因的研究還很少。2007年，常玉廣等對具有強絮凝特性的芽孢桿菌（Bacillussp）F2采用傳統(tǒng)酶切的分子生物學(xué)方法，構(gòu)建絮凝基因組文庫，并對絮凝基因進行探索[18]。2009年，張濱等用PCR方法擴增出紅平紅球菌產(chǎn)絮凝基因NOC-1的16S rRNA，測定并分析了產(chǎn)絮凝基因片段的l400 bp堿基組成[19]。2011年，熊裕焱等以一株具有強絮凝活性的地衣芽孢桿菌為實驗菌，通過構(gòu)建基因組文庫，嘗試篩選絮凝基因陽性克隆子[20]。2013年，岳峰等研究了FLO1基因靠近3'端重復(fù)序列對酵母菌絮凝蛋白功能的調(diào)控[21]。2014年，美國田納西大學(xué)的Hammond博士在畢業(yè)論文中探討了巴西固氮螺菌（Azospirillum brasilense）的絮凝基因及調(diào)控機理[22]。2016年，美國北德克薩斯大學(xué)的Prombutara通過全基因組測序，獲得索氏菌Thauera aminoaromatica的絮凝相關(guān)基因[23]。

4 微生物絮凝劑的應(yīng)用

微生物絮凝劑具有極佳的應(yīng)用前景。在水處理行業(yè)中，微生物絮凝劑可以替代無機和有機類絮凝劑，在保證處理效果的同時，降低投加藥劑對環(huán)境的二次污染。在使用中，微生物絮凝劑不僅具有除濁的功能，還具有脫色、除臭、除重金屬等附加功效。吳東東等發(fā)現(xiàn)，絮凝微生物QM-1制備的高效微生物絮凝劑對染料廢水具有極佳的脫色性能[24]。Zhao Haijuan等發(fā)現(xiàn)，一種新型的生物絮凝劑MBF-79可去除廢水中的砷元素[25]。在養(yǎng)殖業(yè)中，投加微生物絮凝劑形成的生物絮凝體可以作為魚類、蝦類等適口的餌料，在凈水的同時促進魚、蝦的生長。陳顏鋒在應(yīng)用生物絮凝技術(shù)養(yǎng)殖南美白對蝦時，取得了較好的效果[26]。Ndikubwimana等發(fā)現(xiàn)，可以通過使用微生物絮凝劑，大規(guī)模收集淡水藻類[27]。在食品工業(yè)中，啤酒、葡萄酒和酒精生產(chǎn)中使用釀酒酵母，合適的絮凝行為在酒精釀造過程中至關(guān)重要，在酒精釀造過程中，單個酵母細胞聚集成細胞團，沉降至發(fā)酵桶的底部，留下清澈的發(fā)酵產(chǎn)品[28]。此外，Zaki等還發(fā)現(xiàn)，利用絮凝細菌摩加夫芽孢桿菌（Bacillus mojavensis）32A以及微生物絮凝劑，可以合成納米銀粒子[29]。

5 結(jié)語

微生物絮凝劑作為生物制品，具有環(huán)境友好性等特點，是未來絮凝劑的發(fā)展方向。然而，當前還存在兩個瓶頸須突破：一是通過不斷改進制備技術(shù)，降低成本，力爭在應(yīng)用成本上與無機、有機絮凝劑持平；二是擴大應(yīng)用規(guī)模，在實際工程應(yīng)用中充分使用，完成對現(xiàn)有絮凝劑的升級換代。

[1]Pasteurl.Etudes sur la Biere[M].Paris:Gauthier villars,1876.

[2]Nakamura J,Miyashiro S,Hirose Y.Purification and chemical-analysis of microbial cell flocculant produced by Aspergillus Sojae AJ7002[J].Agric Biol Chem,1976,40(3):619-624.

[3]Takagi H,Kadowaki K.Purification and chemical-properties of a flocculant produced by Paecilomyces[J].Agric Biol Chem,1985,49(11):3159-3164.

[4]Kurane R,Tomizuka N.Towards new-biomaterial produced by microorganism-bioflocculant and bioabsorbent [J].Nippon Kagaku Kaishi,1992,(5):453-463.

[5]Salehizadeh H,Shojaosadati S A.Isolation and characterisation of a bioflocculant produced by Bacillus firmus[J].Biotechnol Lett,2002,24(1):35-40.

[6]Kumar C G,Joo H S,Kavali R,et al.Characterization of an extracellular biopolymer flocculant from a haloalkalophilic Bacillus isolate[J].World J Microbiol Biotechnol,2004,20(8):837-843.

[7]Patil S V,Salunkhe R B,Patil C H D,et al.Bioflocculant exopolysaccharide production by Azotobacter indicus using flower extract of Madhuca latifolia L[J]. Appl Biochem Biotechnol,2010,162(4):1095-1108.

[8]Okaiyeto K,Nwodo U U,Mabinya L V,et al.Bacillus toyonensis strain AEMREG6,a bacterium isolated from South African marine environment sediment samples produces a glycoprotein bioflocculant[J].Molecules,2015,20(3):5239-5259.

[9]Toeda K,Kurane R.Microbial flocculant from Alcaligenes Cupidus KT201[J].Agric Biol Chem,1991,55(11): 2793-2799.

[10]黎忠,張修玉,秦建橋,等.微生物絮凝劑ZS-7的純化及其結(jié)構(gòu)特征研究[J].環(huán)境科學(xué),2010,31(9):2184-2190.

[11]李淑芳,尹華,秦華明,等.醬油曲霉產(chǎn)微生物絮凝劑MBFA1的純化及成分分析[J].化工進展,2012,31(2): 453-457.

[12]張媛媛,楊朝暉,曾光明,等.微生物絮凝劑MBFGA1的結(jié)構(gòu)鑒定及絮凝機理研究[J].中國環(huán)境科學(xué),2013, 33(2):278-285.

[13]Lewis C W,Johnston J R.Genes controlling flocculation in yeast[J].Proc Soc Gen Microbiol,1974,1:73.

[14]Stewart G G,Russell I.The identification,characterization,and mapping of a gene for flocculation in Saccharomyces sp[J].Can J Microbiol,1977,23(4):441-447.

[15]Yamashitaa I,Fukuia S.Mating signals control expression of both starch fermentation genes and a novel flocculation gene FLO8 in the Yeast Saccharomyces [J].Agric Biol Chem,1983,47(12):2889-2896.

[16]Sieiro C,Longo E,Cansado J,et al.Genetic evidence of a new flocculation suppressor gene in Saccharomyces cerevisiae[J].FEMS Microbiol Lett,1993,112(1):25-30.

[17]何秀萍,郭文潔,張博潤,等.絮凝基因(FLO1G)的序列測定及分析[J].微生物學(xué)報,2002,42(2):242-245.

[18]常玉廣,馬放,郭靜波,等.絮凝基因的克隆及其絮凝形態(tài)表征[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報,2007,28(9):1685-1689.

[19]張濱,馬美湖,楊華.紅平紅球菌絮凝基因提取及絮凝劑對血紅素肽一鐵絮凝特性[J].微生物學(xué)雜志,2009, 29(4):24-31.

[20]熊裕焱,彭雅娟,盧瑞,等.地衣芽孢桿菌基因文庫的構(gòu)建及分析[J].廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,50(3): 593-597.

[21]岳峰,杜昭勵,郭雪娜,等.FLO1基因靠近3'端重復(fù)序列對酵母菌絮凝蛋白功能的調(diào)控[J].微生物學(xué)報, 2013,53(12):1276-1284.

[22]Hammond R P.Regulation of gene expression during flocculation in Azospirillum brasilense[D].USA:University of Tennessee,2014.

[23]Prombutara P,Allen M S.Flocculation-related gene identification by whole-genome sequencing of Thauera aminoaromatica MZ1T floc-defective mutants[J].Appl Environ Microbiol,2015,82(6):1646-1652.

[24]吳東東,汪航,樓韞璟,等.微生物絮凝劑QM-1的染料廢水脫色性能研究[J].浙江樹人大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,15(4):21-25.

[25]Zhao H,Zhong C,Chen H,et al.Production of bioflocculants prepared from formaldehyde wastewater for the potential removal of arsenic[J].J Environ Manag, 2016,172:71-76.

[26]陳顏鋒.應(yīng)用生物絮凝技術(shù)養(yǎng)殖南美白對蝦[J].福建農(nóng)業(yè),2012,(1):30.

[27]Ndikubwimana T,Zeng X H,Murwanashyaka T,et al. Harvesting of freshwater microalgae with microbial bioflocculant:a pilot-scale study[J].Biotechnol Biofuels, 2016,9(1):47.

[28]Verstrepen K J,Derdelinckx G,Verachtert H,et al. Yeast flocculation:what brewers should know[J].Appl Microbiol Biotechnol,2003,61(3):197-205.

[29]Zaki S,Etarahony M,Elkady M,et al.The Use of Bioflocculant and Bioflocculant-Producing Bacillus mojavensis Strain 32A to Synthesize Silver Nanoparticles [J].J Nanomaterials,2014,2014:431089.

Research Progress and Prospect of Microbial Flocculant

HAO Jian-An,YANG Bo,ZHANG Xiao-Qing,SI Xiao-Guang, JIANG Tian-Xiang,DU Jin,ZHANG Ai-Jun,REN Hua-Feng, XIE Bao-Long,MA Xiao-Lei,ZHANG Yu-Shan,WANG Jing*

Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization,State Oceanic Administration,Tianjin 300192,China

*Corresponding author,E-mail:Wang_nana@163.com

Microbial flocculant has been found as a new biological agent in water treatment in recent 30 years,and it also has been the hot topics in the study of flocculant.We started from the source of flocculating active bacteria,then stated the active substance of microbial flocculant,flocculating active genes and the application of microbial flocculant,finally we explored the prospect of microbial flocculant.

microbial flocculant;research;application

Q939.9

A

1009-0002（2017）03-0388-04

10.3969/j.issn.1009-0002.2017.03.029

2016-11-21

海洋公益性行業(yè)科研專項（201405017-04）；中央級科研院所基本科研業(yè)務(wù)費團隊項目（K-JBYWF-2015-T11）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項（K-JBYWF-2016-T9，K-JBYWF-2016-G10）

郝建安（1981-），男，博士，（E-mail）phoenix328@163.com

王靜，（E-mail）Wang_nana@163.com