微生物絮凝剂研究进展与展望

郝建安，杨波，张晓青，司晓光，姜天翔，杜瑾，张爱君，任华峰，谢宝龙，马晓蕾，张雨山，王静

国家海洋局 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192

微生物絮凝剂研究进展与展望

郝建安，杨波，张晓青，司晓光，姜天翔，杜瑾，张爱君，任华峰，谢宝龙，马晓蕾，张雨山，王静

国家海洋局 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192

微生物絮凝剂是近30年来逐渐发展起来的新型水处理药剂，是近年来絮凝剂研究的热点。本文从絮凝活性微生物的来源开始，依次阐述微生物絮凝剂的活性成分、微生物絮凝基因，并介绍了微生物絮凝剂的应用情况，对微生物絮凝剂的未来发展进行了展望。

微生物絮凝剂；研究；应用

近年来，环境污染尤其是水污染成为社会关注的焦点，水质净化成为一个重要课题，水质净化相关的药剂、工艺随之成为研究热点。絮凝剂是一种常用的水处理药剂，可以显著降低水的浊度，从而达到净水的目的。常用的絮凝剂多为化学合成药剂，存在二次污染的问题。微生物絮凝剂（microbial flocculant）是一类由微生物产生的，可使液体中固体悬浮颗粒、菌体细胞及胶体凝集、沉淀的特殊代谢物。因其来源于微生物，多数成分为生物合成的分子，易于降解，满足绿色药剂的要求，因此，逐渐吸引了研究者的关注。

1 絮凝活性微生物的来源

微生物的絮凝现象早在1876年便被报道，最初对于微生物絮凝现象的认识集中于啤酒酿造过程中酿酒酵母的絮凝[1]。上世纪70年代至90年代初，日本科学家在微生物絮凝研究领域处于领先地位。1976年，味之素有限公司的Nakamura等分离到一株具有絮凝活性的酱油曲霉（Aspergillus sojae）AJ7002[2]；1985年，下田酱油有限公司的Takagi等分离到具有絮凝活性的淡紫拟青霉（Paecilomycessp.）I-1[3]；1992年，通产省工业技术院的Kurane等从自然界分离出的具有絮凝活性的红平红球菌（Rhodococcus erythropolis），首次制成微生物絮凝剂NOC-1，该絮凝剂用于畜产废水处理、膨胀污泥处理、砖场生产废水处理以及废水的脱色处理，都取得了很好的效果[4]。上世纪末开始，其他国家的科学家开始逐渐涉足这一研究领域。2002年，伊朗塔比阿特莫达勒斯大学的Salehizadeh等发现一株具有絮凝活性的坚强芽孢杆菌（Bacillus firmus）[5]；2004年，韩国仁荷大学的Kumar等从仁川市周边滩涂的海水样品中分离到具有絮凝活性的嗜盐嗜碱芽孢杆菌（Bacillussp.）I-471[6]；2010年，印度北马哈拉施特拉大学的Patil等研究了固氮菌（Azotobacter indicus）ATCC9540菌株胞外絮凝剂的生产[7]；2015年，南非福特海尔大学的Okaiyeto等从海洋沉积物中分离到一株具有絮凝活性的芽孢杆菌Bacillus toyonensisAEMREG6[8]。迄今，研究者已经陆续从陆地、海洋与其他环境中分离出多种絮凝活性微生物，种类已涵盖细菌、真菌与放线菌，达到数十个种属，其中芽孢杆菌属分离到的絮凝活性菌种最为丰富。

2 微生物絮凝剂活性成分的鉴定

微生物絮凝剂种类繁多，来源多样，不同微生物絮凝剂的组成也不同。随着紫外光谱、红外光谱、高压液相色谱与质谱技术的应用，微生物絮凝剂的活性成分正在被人们探知。按其来源，微生物产生的絮凝活性物质可分为3类：一是微生物细胞本身即具备絮凝活性，如活性污泥和沉积物中大量存在的各种细菌、霉菌、放线菌和酵母菌；第二类是微生物细胞提取物具有絮凝活性，如酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和N-乙酰葡萄糖胺等成分；第三类是微生物细胞代谢产物具有絮凝活性，微生物细胞分泌到细胞外的代谢产物主要是多糖、少量多肽、蛋白质、脂类及其复合物，此类微生物絮凝活性物质最具代表性。1986年，Kurane开发的微生物絮凝剂NOC-1的主要成分是蛋白质，且其中含有诸多疏水氨基酸[4]。1991年，Toeda等发现了一株絮凝活性协腹产碱杆菌（Alcaligenes cupidus）KT201，其产生的絮凝剂的主要成分是酸性聚多糖[9]。2002年，Salehizadeh等发现一株坚强芽孢杆菌可以产生糖类微生物絮凝剂，该絮凝剂含葡萄糖、果糖、甘露糖和半乳糖[5]。2010年，黎忠等采用透析、乙醇沉淀、凝胶过滤层析等方法获得一种微生物絮凝剂ZS-7，并证实其为一种新型的糖蛋白[10]。2012年，李淑芳等经离心、乙醇沉淀、透析等过程纯化微生物絮凝剂MBFA1，并利用紫外、红外、凝胶渗透色谱等确定活性成分为多糖[11]。2013年，张媛媛等通过丙酮沉淀法提取絮凝剂MBFGAl粗产品，经Sevage试剂纯化后得到MBFGAl精产品，采用全波长扫描、苯酚硫酸法及考马斯亮蓝法鉴定精产品为多糖类物质[12]。

3 微生物絮凝基因

近年来，随着分子生物学的发展，微生物絮凝剂的研究也进入基因领域。酵母菌中与絮凝有关的基因研究较为系统，在酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）染色体的基因组中至少已发现FLO1、FLO2、FLO4等絮凝相关基因。1974年，苏格兰斯特拉斯克莱德大学的Lewis等自Allied Breweries公司的一株发酵用酿酒酵母中定位了显性絮凝基因FLO1，随后在实验室培养的单倍体与二倍体菌株中发现了显性絮凝基因FLO2与隐形基因flo3[13]。1977年，苏格兰赫尔瓦特大学的Stewart等在酿酒酵母中发现了另一个絮凝基因FLO4[14]。1983年，日本广岛大学的Yamashita等自糖化酵母（Saccharomyces diastaticus）中发现了新的絮凝基因FLO8[15]。1993年，西班牙圣地亚哥德孔波斯特拉大学的Sieiro等发现了一个絮凝抑制基因fsu3[16]。2002年，何秀萍等完成了酵母菌絮凝基因（FLO1G）的序列测定及分析[17]。相比于酵母菌絮凝基因研究的广度与深度，对细菌絮凝基因的研究还很少。2007年，常玉广等对具有强絮凝特性的芽孢杆菌（Bacillussp）F2采用传统酶切的分子生物学方法，构建絮凝基因组文库，并对絮凝基因进行探索[18]。2009年，张滨等用PCR方法扩增出红平红球菌产絮凝基因NOC-1的16S rRNA，测定并分析了产絮凝基因片段的l400 bp碱基组成[19]。2011年，熊裕焱等以一株具有强絮凝活性的地衣芽孢杆菌为实验菌，通过构建基因组文库，尝试筛选絮凝基因阳性克隆子[20]。2013年，岳峰等研究了FLO1基因靠近3'端重复序列对酵母菌絮凝蛋白功能的调控[21]。2014年，美国田纳西大学的Hammond博士在毕业论文中探讨了巴西固氮螺菌（Azospirillum brasilense）的絮凝基因及调控机理[22]。2016年，美国北德克萨斯大学的Prombutara通过全基因组测序，获得索氏菌Thauera aminoaromatica的絮凝相关基因[23]。

4 微生物絮凝剂的应用

微生物絮凝剂具有极佳的应用前景。在水处理行业中，微生物絮凝剂可以替代无机和有机类絮凝剂，在保证处理效果的同时，降低投加药剂对环境的二次污染。在使用中，微生物絮凝剂不仅具有除浊的功能，还具有脱色、除臭、除重金属等附加功效。吴东东等发现，絮凝微生物QM-1制备的高效微生物絮凝剂对染料废水具有极佳的脱色性能[24]。Zhao Haijuan等发现，一种新型的生物絮凝剂MBF-79可去除废水中的砷元素[25]。在养殖业中，投加微生物絮凝剂形成的生物絮凝体可以作为鱼类、虾类等适口的饵料，在净水的同时促进鱼、虾的生长。陈颜锋在应用生物絮凝技术养殖南美白对虾时，取得了较好的效果[26]。Ndikubwimana等发现，可以通过使用微生物絮凝剂，大规模收集淡水藻类[27]。在食品工业中，啤酒、葡萄酒和酒精生产中使用酿酒酵母，合适的絮凝行为在酒精酿造过程中至关重要，在酒精酿造过程中，单个酵母细胞聚集成细胞团，沉降至发酵桶的底部，留下清澈的发酵产品[28]。此外，Zaki等还发现，利用絮凝细菌摩加夫芽孢杆菌（Bacillus mojavensis）32A以及微生物絮凝剂，可以合成纳米银粒子[29]。

5 结语

微生物絮凝剂作为生物制品，具有环境友好性等特点，是未来絮凝剂的发展方向。然而，当前还存在两个瓶颈须突破：一是通过不断改进制备技术，降低成本，力争在应用成本上与无机、有机絮凝剂持平；二是扩大应用规模，在实际工程应用中充分使用，完成对现有絮凝剂的升级换代。

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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

海洋公益性行业科研专项（201405017-04）；中央级科研院所基本科研业务费团队项目（K-JBYWF-2015-T11）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（K-JBYWF-2016-T9，K-JBYWF-2016-G10）

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

王静，（E-mail）Wang_nana@163.com