趙詩琪，李康輝，陳猷鵬

（重慶大學環(huán)境與生態(tài)學院，重慶 400045）

隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)廢水的處理需求日益增加。目前工業(yè)廢水的處理方法主要有生物法、化學法和物理法3種，其中絮凝法因簡單、方便、高效的特點廣受青睞。絮凝劑主要分為以下3種：（1）無機絮凝劑，如明礬、聚氯化鋁；（2）合成有機絮凝劑，如聚丙烯酰胺衍生物、聚乙烯亞胺；（3）天然或自然產(chǎn)生的高分子絮凝劑，如生物絮凝劑、微生物絮凝劑。無機絮凝劑和合成有機絮凝劑絮凝性能良好穩(wěn)定、成本低廉，是目前工業(yè)廢水處理中最常用的絮凝劑。但是這2種絮凝劑的使用也存在一些問題，如無機絮凝劑的大量投加可能會造成活性污泥中金屬鹽（Fe、Al）的積累，增加后續(xù)污泥處理的難度〔1〕。同時無機絮凝劑對廢水pH要求較為苛刻，限制了其廣泛使用〔2〕。合成有機絮凝劑如聚丙烯酰胺，雖然本身無毒，但在特殊條件下會發(fā)生緩慢降解，降解后產(chǎn)生的丙烯酰胺單體毒性很大，對水環(huán)境乃至人體健康存在危害〔3〕。微生物絮凝劑一般是指由微生物本身或者從微生物中提取的多糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸等物質(zhì)通過純化加工得到的一類生物制劑〔4〕，其具有處理多種工業(yè)廢水的潛力，如重金屬廢水、染料廢水、食品加工廢水、石化廢水等〔5-8〕。微生物絮凝劑同無機絮凝劑及合成有機絮凝劑相比，具有適應性強、可生物降解、無二次污染的優(yōu)點，具有良好的應用前景。

筆者主要對微生物絮凝劑的研究動態(tài)及其在工業(yè)水處理中的應用探索進行總結(jié)，并對微生物絮凝劑的發(fā)展趨勢進行預測，以期為確定微生物絮凝劑后續(xù)研究方向提供一定參考。

1 微生物絮凝劑的制備與表征

1.1 來源與制備

與傳統(tǒng)絮凝方法相比，微生物絮凝劑安全性更高，來源更加廣泛。微生物絮凝劑的來源見表1。

表1 微生物絮凝劑的來源Table 1 Sources of microbial flocculants

由表1可看出，微生物絮凝劑主要包括細菌絮凝劑、真菌絮凝劑、復合菌種絮凝劑、微藻絮凝劑等，與微生物的代謝活動密切相關。微生物絮凝劑的主要成分為多糖、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等物質(zhì)，可用于絮凝沉淀工業(yè)污水中的重金屬離子、懸浮物（SS）、COD等污染物質(zhì)。

微生物絮凝劑的菌種來源一般為污染場地。Xiang XIA等〔13〕從土壤和活性污泥樣品中成功分離并鑒定了生產(chǎn)絮凝劑MBF-B16的克雷伯氏菌B16，P. SIVASANKAR等〔23〕從河口紅樹林沉積物中成功分離并鑒定了可用于微藻回收絮凝劑生產(chǎn)的放線菌Streptomycessp.，均體現(xiàn)了從污染場地分離目標菌種的高效性?；蚬こ碳夹g也被用于賦予或加強特定菌種的絮凝能力。S. MALIK等〔26〕闡述了將基因修飾應用于微藻絮凝劑生產(chǎn)和通過微藻細胞絮凝來實現(xiàn)高效捕獲的可能性。E. DíAZ-SANTOS等〔27〕通過研究發(fā)現(xiàn)，與非轉(zhuǎn)化體相比，貝酵母紫外變種（Saccharomyces bayanusvar.uvarum）對淡水微藻萊茵衣藻的絮凝效率提高了2～3倍，證實了以基因工程菌作為絮凝劑生產(chǎn)菌種來源的巨大潛力。

微生物絮凝劑的制作過程一般包括篩選、分離、培養(yǎng)、提取、純化。從污染場地獲得待篩選菌株后，需將菌株接種于特定的培養(yǎng)基中進行篩選。Jingqiu HUA等〔12〕在獲得Bacillussp.菌株后，將其置于M9培養(yǎng)基中培養(yǎng)，待菌株培養(yǎng)至預設OD值后，再通過離心和超聲處理的方法將絮凝物質(zhì)與菌株分離，最終通過離心、乙醇萃取以及透析和冷凍干燥收集純化后的生物絮凝劑。

1.2 表征

微生物絮凝劑的研究通常是按照由表及里的邏輯開展的。以此為基礎，微生物絮凝劑的表征方法可分為2類，一類用于絮凝劑表層結(jié)構(gòu)觀測及絮凝能力初步評估，如掃描電子顯微鏡（SEM）、場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）、環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）等；另一類用于深度研究絮凝劑的穩(wěn)定性及其組成、結(jié)構(gòu)和絮凝能力，如熱重分析（TG）、示差掃描量熱法（DSC）、Zeta電位、傅里葉變換紅外（FT-IR）光譜、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）、能量色散X射線光譜（EDX）、X射線光電子能譜（XPS）、三維熒光光譜（3D-EEM）等。常見表征方法及其作用見圖1。

圖1 常見表征方法及其作用Fig. 1 Common characterization methods and their functions

通過SEM及相關技術獲得的顯微圖像是研究絮凝劑表層結(jié)構(gòu)及評估其絮凝能力的重要工具。Junjun WANG等〔21〕采用SEM觀測了真菌絮凝捕獲微藻的過程，結(jié)果顯示真菌菌絲顆粒捕獲、固定了微藻，并與微藻發(fā)生了交聯(lián)，成功證實了微生物絮凝劑回收微藻的可能性。Yong NIE等〔20〕使用FE-SEM對真菌-高嶺土顆粒的表面形態(tài)進行了表征，真菌顆粒表面具有多孔褶皺，可作為絮凝劑有效聚集高嶺土顆粒，達到降低飲用水中濁度的目的。楊朝暉等〔28〕采用ESEM技術探究了十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）與Ca2+的作用過程及其結(jié)合微生物絮凝劑GA1去除廢水中羅丹明B的原理，ESEM圖譜顯示，隨著SDBS投入量的增加，絮體結(jié)構(gòu)愈發(fā)緊密且表面愈發(fā)粗糙，為絮凝顆粒不斷復溶致使絮體更加密實提供了有力證據(jù)。

除了對絮凝劑表觀結(jié)構(gòu)進行觀測外，為進一步研究其作用機制并發(fā)掘更大應用潛力，還需對絮凝劑結(jié)構(gòu)、組成和性能（絮凝能力和穩(wěn)定性）進行更深入的表征。

對絮凝劑穩(wěn)定性的表征方法有2類，即對其熱穩(wěn)定性進行表征的DSC、TG等技術和對其絮體穩(wěn)定性進行表征的Zeta電位等。母哲軒等〔29〕篩選出一種可高效產(chǎn)生絮凝劑的巨大芽孢桿菌菌株TF10并采用TG法對其熱穩(wěn)定性進行了表征，結(jié)果顯示，絮凝劑從210 ℃開始失重；在350 ℃時，失重率達到12%；在700 ℃時，質(zhì)量僅存1.2%。由此可見，在一般溫度條件下，該絮凝劑具有良好的熱穩(wěn)定性。D.K. KARTHIGA等〔30〕用DSC測定了芽孢桿菌生產(chǎn)的絮凝劑的耐熱性能，最終發(fā)現(xiàn)3種絮凝劑可耐受100～150 ℃的高溫。吳鵬等〔31〕通過分析Zeta電位的變化發(fā)現(xiàn)，同時投加Fe和微生物絮凝劑時廢水的Zeta電位絕對值最小，廢水中的膠體更易于脫穩(wěn)，進而促進沉降。

按照不同層次，對絮凝劑的組成、結(jié)構(gòu)和性能的表征可分為物質(zhì)組成、元素組成、官能團組成和帶電性質(zhì)等〔32〕。R. T. V. VIMALA等〔22〕用TG法測定了生物絮凝劑的熱解產(chǎn)物，結(jié)果顯示，多糖可能是生物絮凝劑的成分之一，其官能團可作為懸浮物的吸附點，從而提高絮凝效率。Yunxiao WANG等〔10〕采用3DEEM光譜對胞外聚合物（EPS）樣本進行了檢測，在不同EPS的光譜中均識別出3個峰，分別為色氨酸、芳香族氨基酸以及腐殖酸。G. RAJIVGANDHI等〔25〕采用XPS分析了生物絮凝劑的原子和元素成分，結(jié)果顯示，元素C、Na、O、N的摩爾分數(shù)分別為39.16%、41.22%、10.48%、1.97%。采用FT-IR等技術可對絮凝劑的官能團進行表征。穆軍等〔33〕對細菌Halomonassp. GHF11產(chǎn)生的絮凝劑進行了FTIR檢測，通過光譜圖推測出其中存在羰基、羥基、羧基等基團。Zeta電位可對絮凝劑的帶電性質(zhì)與絮凝機理進行判斷。Weihua LI等〔9〕分別測量了北京地區(qū)地表水菌群的Zeta電位和電導率，觀測到EPS中陰離子含量顯著下降，證明了EPS的絮凝機制并非電荷中和，而是架橋和吸附作用。楊志超等〔34〕在研究多糖型微生物絮凝劑對閃鋅礦與方解石的絮凝性能過程中進行了Zeta電位分析，絮凝劑在污水中呈負電性，但其對方解石的絮凝作用并非經(jīng)靜電作用實現(xiàn)，而是以化學鍵合作用為主導。

2 微生物絮凝劑的絮凝機制

目前公認的微生物絮凝劑的絮凝機制包括表面吸附、電荷中和、斑塊絮凝、架橋作用、卷掃網(wǎng)捕以及其他作用等。在微生物絮凝中起主要作用的機制是電荷中和和架橋作用，這可能與微生物絮凝劑存在眾多活性基團（羧基、羥基、氨基、亞甲基等）有很大關系。然而，實際過程中的絮凝往往是多種絮凝機制共同作用的結(jié)果。因為實際廢水的復雜性和特異性，絮凝劑的自身性質(zhì)（分子質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、電荷密度、用量）和污染物性質(zhì)（電性、pH、溫度、離子強度）都將對絮凝機制產(chǎn)生較大影響。

微生物絮凝劑的主要絮凝機制見圖2。

圖2 微生物絮凝劑的絮凝機制Fig. 2 Flocculation mechanism of microbial flocculants

2.1 表面吸附作用

在絮凝劑剛進入溶液時，絮凝劑會在污染物顆粒的表面活性位點發(fā)生吸附，這是絮凝得以發(fā)生的必要條件。常見的表面吸附包括靜電作用和氫鍵2種（圖2紫色箭頭①）。與污染物顆粒帶相反電荷的絮凝劑在靜電引力下能吸附在顆粒表面，有研究發(fā)現(xiàn)，帶正電的多糖改性絮凝劑對帶負電的高嶺土顆粒的吸附作用促進了絮凝劑對金屬離子的絮凝〔35〕。絮凝劑通常可以通過改性獲得更長的分子鏈和更高的分子質(zhì)量來提升其表面吸附效果，對絮凝劑進行化學改性以增加其表面的氨基、羥基等官能團數(shù)量是優(yōu)化絮凝劑的一種常用方法。以氫鍵為作用力的表面吸附通?？繗湓雍碗娯撔栽又g的吸引作用實現(xiàn)，絮凝劑上可能存在的酰胺基、醚氧基等容易與懸浮顆粒上的氫原子形成氫鍵，使得絮體增大〔36〕。表面吸附過程對膠體穩(wěn)定性有很大影響，當吸附量較大時，空間位阻穩(wěn)定現(xiàn)象開始發(fā)揮作用〔37〕；當只有部分表面被覆蓋時，顆?？梢宰兂刹环€(wěn)定的吸附聚合物，導致絮凝。

2.2 電荷中和作用

在表面吸附進行一段時間后，對于表面電荷分布均勻的污染物顆粒，電荷中和起主要作用（圖2藍色箭頭②）。該機制主要基于擴散雙電層模型和DLVO理論，廢水中大多數(shù)分散的污染物顆粒帶同種電荷，顆粒間的靜電斥力保證了系統(tǒng)長期穩(wěn)定。然而，向廢水中加入帶相反電荷的微生物絮凝劑時，污染物顆粒的雙電層被壓縮，Zeta電位降低，顆粒間斥力減小，顆粒碰撞時很容易發(fā)生絮凝。基于該機制，中和作用一般可通過Zeta電位的變化判斷，如果系統(tǒng)的最佳絮凝點處的Zeta電位接近于零，則絮凝主要由電荷中和作用引起〔38〕。但需要注意的是，絮凝劑并非越多越好，在最佳絮凝點往后，隨絮凝劑用量進一步增加，污染物顆粒的Zeta電位會逐漸偏離零，實現(xiàn)電荷反轉(zhuǎn)，污染物顆粒出現(xiàn)“再穩(wěn)定”的狀態(tài)（圖2紅色箭頭a）。因此，在以電荷中和作用為主的絮凝過程中，通常需要結(jié)合Zeta電位的變化曲線確定絮凝劑的最佳投加量。

2.3 斑塊絮凝作用

表面吸附發(fā)生后，當污染物顆粒表面電荷分布不均且相差較大時，由于絮凝劑在污染物表面的不均勻吸附，顆粒表面可能會出現(xiàn)帶相反電荷的不同“斑塊”。這些帶相反電荷的“斑塊”在運動碰撞的過程中相互吸引，從而實現(xiàn)污染物顆粒絮凝（圖2橙色箭頭③）。Zhen YANG等〔39〕制備的兩性復合絮凝劑在酸性條件下以扁平的結(jié)構(gòu)吸附到顆粒上，此時斑塊絮凝是絮凝的最主要機制。通?？筛鶕?jù)介質(zhì)的Zeta電位隨絮凝劑劑量的同步變化，大致區(qū)分電荷中和和斑塊絮凝。詳細地說，如果上清液在最佳劑量下的Zeta電位接近于零，電荷中和起主要作用；相反，當電荷密度遠離零時，斑塊絮凝起主要作用。

2.4 架橋作用

電荷中和和斑塊絮凝作用主要針對絮凝劑和污染物顆粒電性相反的情況。而對于中性或與污染物帶同種電荷的絮凝劑，除了向體系中投加金屬陽離子加強絮凝劑的吸附和中和作用以外〔40〕，最主要的作用機制是依靠架橋作用實現(xiàn)絮凝。在微生物絮凝劑上的有效附著位點吸附污染物后，鏈上未被吸附的部分會向外延伸，形同“架橋”，吸附并連接其他更多污染物（圖2綠色箭頭④）。架橋作用一般依靠范德華力、靜電、氫鍵作用，甚至是多糖分子的自由基與顆粒之間的化學反應實現(xiàn)。通常絮凝劑分子質(zhì)量越大，其絮凝效果越好，因此很多研究都通過接枝改性來提高絮凝劑的架橋絮凝效果〔41〕。但絮凝劑分子鏈過長時會產(chǎn)生絮凝劑自身折疊的情況，從而阻礙膠粒的靠近。絮凝劑的用量對架橋作用也很重要，絮凝劑過少，不足以形成架橋作用（圖2紅色箭頭c）；絮凝劑過多，顆粒表面被絮凝劑完全“包覆”，導致架橋作用受阻，影響絮凝的發(fā)生（圖2紅色箭頭b）。因此有研究對絮凝劑最佳用量進行了分析，V.RUNKANA等〔42〕建立了關于架橋絮凝的數(shù)學模型，發(fā)現(xiàn)絮凝劑用量約為飽和量的50%時，絮凝效果最好。

2.5 卷掃網(wǎng)捕作用

網(wǎng)捕作用一般發(fā)生在中和作用和架橋作用之后，較大的絮凝體逐漸形成，這些大的絮凝體在運動或者沉降時會卷入或者捕集一些較小的污染物顆粒，然后形成更大的絮凝體（圖2灰色箭頭⑤）。污染物濃度對該過程有較大影響，通常污染物顆粒濃度越高，卷掃網(wǎng)捕作用越強。

2.6 其他作用

由于微生物絮凝劑的鏈骨架通常含有許多活性官能團，它們能夠通過一些高度特異的力與污染物上相應的官能團發(fā)生化學反應或結(jié)合，如疏水鏈與疏水污染物之間的疏水相互作用〔43〕、重金屬和絮凝劑官能團的配位及螯合作用、芳香環(huán)基微生物絮凝劑和芳香族污染物的π-π疊加作用。

3 微生物絮凝劑生產(chǎn)使用的優(yōu)化

3.1 物化條件

物化條件的優(yōu)化對于絮凝劑的生產(chǎn)使用至關重要，目前的大部分研究從微生物的培養(yǎng)條件（碳氮源、C/N、溫度、pH、培養(yǎng)時間等）和絮凝劑使用條件（絮凝劑用量、陽離子、pH、溫度等）對多種物化因子進行了優(yōu)化，常用的優(yōu)化分析方法有單因素法、正交試驗法、響應曲面法等。

3.1.1 碳氮源

絮凝劑生產(chǎn)中常用的碳源包括葡萄糖、淀粉、蔗糖等，常用的氮源包括尿素、酵母粉、牛肉膏、蛋白胨等。微生物對利用底物存在特異親和性，不同微生物的最佳碳氮源往往不同，產(chǎn)生的絮凝劑結(jié)構(gòu)也有所差異。Changqing ZHAO等〔44〕通過單因素實驗證明20 g/L的葡萄糖是枯草芽孢桿菌CZ1003生產(chǎn)絮凝劑的最佳碳源；而在B. A.RASULOV等〔45〕的實驗中，相比葡萄糖，D-甘露糖更適合作為生產(chǎn)根瘤菌SZ4S7S14絮凝劑的碳源。Ou LI等〔46〕發(fā)現(xiàn)蛋白胨對埃吉類芽孢桿菌B69生產(chǎn)絮凝劑非常有利，而黃曲霉生產(chǎn)絮凝劑的最佳氮源是酵母膏和尿素〔47〕。某些研究表明，相比單一碳源，復合碳源更有助于提高絮凝劑的產(chǎn)量和質(zhì)量。V. AJAO等〔48〕以甘油和乙醇作為污水處理廠好氧污泥的碳源，相比單一碳源培養(yǎng)時，絮凝劑的產(chǎn)量和絮凝效率均有所提高。微生物絮凝劑的生產(chǎn)成本歷來是廣大研究者關注的問題，利用現(xiàn)有的廢棄物和廢水作為培養(yǎng)基質(zhì)不僅可以降低生產(chǎn)成本，還能實現(xiàn)廢棄物的資源化利用。玉米秸稈、花生殼、米糠等木質(zhì)纖維素類廢棄物是潛在的碳源，研究者們致力于尋找一種既能分解木制纖維素又能產(chǎn)生絮凝劑的雙功能菌株。Weijie LIU等〔49〕發(fā)現(xiàn)纖維素分解菌L804可以分泌纖維素酶和木聚糖酶，將秸稈等生物質(zhì)直接轉(zhuǎn)變成生物絮凝劑，該絮凝劑對微藻的絮凝效率達到99.04%。還有研究者發(fā)現(xiàn)硝基還原黃桿菌R9可分泌木質(zhì)素酶和纖維素酶，將苧麻生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為絮凝劑〔18〕。高濃度的有機廢水同樣是理想的替代碳源，如馬鈴薯廢水、啤酒廢水、乳制品廢水、畜禽廢水、淀粉加工廢水等〔14，50-53〕。近年來關于餐廚垃圾、剩余污泥等廢棄物用作培養(yǎng)基替代碳源的研究也越來越多〔49，54-55〕。相比碳源的優(yōu)化，目前關于低成本氮源的研究較少。據(jù)研究，以羽毛廢棄物為嗜堿瓊脂芽孢桿菌C9廉價替代氮源生產(chǎn)的生物絮凝劑可用于處理草漿洗滌廢水〔56〕。也有研究者嘗試將動物內(nèi)臟用作培養(yǎng)基的氮源〔57〕，這些研究都在一定程度上解決了絮凝劑的高成本問題。

3.1.2 C/N

C/N對絮凝劑的產(chǎn)量也有重要影響。有研究發(fā)現(xiàn)絮凝劑的生產(chǎn)和細胞生長存在底物競爭關系，低C/N有助于提高微生物的生物量，高C/N有助于提高絮凝劑的產(chǎn)量。這可能是在氮源受限時，碳源過剩，細菌可以通過自主調(diào)節(jié)碳和氮代謝流動的方向，使多余的能量轉(zhuǎn)化為EPS，特別是多糖，并將其作為細菌的碳源和儲能物質(zhì)〔48〕。所以某些情況下，改變C/N可以作為提高絮凝劑產(chǎn)量的一個手段。

3.1.3 溫度和pH

培養(yǎng)過程中的溫度主要是通過影響相關酶的活性來影響絮凝劑產(chǎn)量，大部分微生物的最佳培養(yǎng)溫度在30 ℃左右。絮凝溫度同樣影響絮凝效果，由于絮凝劑中一般多糖含量高，所以其對溫度耐受性較高，如巨型芽孢桿菌生產(chǎn)的絮凝劑在20～80 ℃均能保持90%的絮凝活性〔50〕。但是過高的溫度可能會影響生物絮凝劑中蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，造成絮凝劑損傷，降低絮凝效果。同樣地，培養(yǎng)基初始pH對絮凝劑產(chǎn)量的影響也不可忽略。pH主要通過影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和細胞酶活性影響絮凝活性。一般最適宜微生物生產(chǎn)絮凝劑的pH為中性或者弱堿性。例如，地衣芽孢桿菌生產(chǎn)的絮凝劑的絮凝活性在生產(chǎn)pH為5～12時始終保持在92%以上，在pH為8時達到最大值97%〔36〕。肺炎克雷伯菌NJ7菌株在pH=10.0時生物絮凝劑的產(chǎn)率有顯著提高，且是中性時的2倍〔53〕。絮凝過程中溶液的pH也會影響絮凝效果，很多微生物在較大pH范圍內(nèi)可保持較高的絮凝活性，如蠟樣芽孢桿菌在pH 2～10范圍內(nèi)均能保持70%以上的活性〔15〕，這也是微生物絮凝劑可以廣泛應用的原因之一。

3.1.4 陽離子

在陰離子微生物絮凝劑的絮凝過程中，陽離子往往發(fā)揮了不可取代的作用。當絮凝劑和膠體帶同種電荷時，金屬離子作為助凝劑投加到絮凝體系中時，可通過壓縮膠體顆粒的雙電層，減小絮凝劑和膠體之間的斥力，從而促進絮凝過程〔22〕。常用的陽離子有K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Al3+、Fe3+等，其最佳用量受電荷數(shù)、膠體濃度的影響，加入量過多也會抑制絮凝劑的作用效果〔58〕。

3.2 基因工程

近年來，隨著基因組學技術和基因編輯技術的不斷發(fā)展成熟，利用基因工程的方法優(yōu)化絮凝劑生產(chǎn)的研究也越來越多。Zhen CHEN等〔59〕通過對地衣芽孢桿菌CGMCC 2876的基因組進行測序，確定了參與細菌EPS合成的eps基因簇。黃單胞桿菌特有絮凝劑黃原膠的合成主要由黃原膠操縱子（包括13個基因）和xanAB基因（前體合成）控制〔60-61〕。琥珀酸是由根瘤菌、農(nóng)桿菌、假單胞菌等菌株合成的雜多糖，它的生物合成需要19個exo基因和2個exs基因調(diào)控〔62〕?；虮磉_在核苷糖的形成、糖重復單元的組裝和聚合以及多糖的轉(zhuǎn)運和出口等過程中發(fā)揮了重要作用，因此通過基因工程技術對微生物絮凝劑生產(chǎn)進行調(diào)控也成為近年來的熱點研究問題。通過基因工程對絮凝劑進行優(yōu)化的策略主要包括2種，分別是提高微生物絮凝劑的產(chǎn)量和改善微生物絮凝劑的結(jié)構(gòu)。

3.2.1 提高絮凝劑的產(chǎn)量

提高絮凝劑的產(chǎn)量的方法如圖3所示，主要有過表達絮凝劑前體合成基因、過表達參與重復單元組裝的基因、過表達絮凝劑轉(zhuǎn)運輸出的基因以及敲除與絮凝劑合成有競爭關系的基因等方法，最近也有新的研究發(fā)現(xiàn)能量或輔因子水平也可能是EPS生物合成的約束。

圖3 基因工程技術：增加絮凝劑產(chǎn)量Fig. 3 Genetic engineering technology to increase flocculant production

多糖合成相關基因的過度表達是一種常見方法（圖3，A路徑，黃色箭頭）。Zhen CHEN等〔59〕在地衣芽胞桿菌CGMCC2876中過表達編碼糖基轉(zhuǎn)移酶的epsDEF基因后，重組菌株的絮凝活性比原菌株提高了90%；同樣，多糖生物絮凝劑的產(chǎn)量提高了27.8%。D. SENGUPTA等〔63〕過度表達土壤根瘤菌F2中與葡萄糖和半乳糖單體增加有關的exoY基因后，絮凝劑產(chǎn)量提高了14.8%，對六價鉻的回收率提高了18%；絮凝劑中葡萄糖和半乳糖的比例增加，而甘露糖和鼠李糖的比例下降。鞘氨醇是一種由鞘氨醇菌屬產(chǎn)生的細胞外多糖，Haidong HUANG等〔64〕過度表達了S. sanxanigenens中的pgmG基因（編碼磷酸葡萄糖酶和磷酸甘露糖突變酶活性的雙功能蛋白），使得鞘氨醇產(chǎn)量增加（17±0.3）%。

除了相關基因的過度表達外，利用重組DNA技術異源合成微生物絮凝劑也不失為一種可行方法（圖3，C路徑，棕色箭頭），該技術可以結(jié)合不同微生物的優(yōu)點，使其絮凝效果進一步加強。研究表明，NADH氧化酶能將碳代謝途徑向有利于EPS生產(chǎn)的方向調(diào)整，將變形鏈球菌克隆的Nox基因（NADH氧化酶）在干酪乳桿菌LC2W中過度表達，得到的重組菌株與野生型菌株相比，EPS產(chǎn)量提高了46%〔65〕。將來自于黃單胞菌的有關黃原膠形成的12個基因在鞘氨醇單胞菌中表達，得到的絮凝劑與野生型菌株產(chǎn)生的絮凝劑十分接近〔66〕。

阻斷絮凝劑前體的競爭途徑也會增加絮凝劑的產(chǎn)量（圖3，B路徑，藍色箭頭）?；蚯贸翘岣逧PS產(chǎn)量和改變其化學結(jié)構(gòu)的一種方法。Na+-NQR復合物對藻酸鹽合成具有負調(diào)節(jié)作用，將突變體Tn5插入nqrE基因，抑制其活性，海藻酸鹽的產(chǎn)量提高了4倍〔67〕。PHB是鞘氨醇單胞菌NX02胞外多糖生產(chǎn)過程中的不良副產(chǎn)物，通過同源重組刪除了幾個關鍵的PHB生物合成基因，獲得PHB缺陷突變體，絮凝劑產(chǎn)量從原來的（14.88±0.83） g/L提升至（21.20±0.38） g/L〔68〕。

3.2.2 改善微生物絮凝劑的結(jié)構(gòu)

通過基因工程改變微生物生產(chǎn)絮凝劑的分子質(zhì)量、組成、結(jié)構(gòu)、取代基也是一種頗具前景的技術。黃單胞桿菌中GumB-GumC蛋白水平可調(diào)節(jié)黃原膠鏈長度，過表達GumB-GumC基因可以使黃原膠分子質(zhì)量增加，黏性增強〔69〕。在嗜熱鏈球菌05-34中，epsC基因編碼多糖共聚酶，它的過度表達使得EPS的分子質(zhì)量從4.62×105u增至9.17×105u〔70〕。耐鹽菌株Agrobacteriumsp.ZX09產(chǎn)生的可溶葡聚糖在其琥珀酰轉(zhuǎn)移酶基因（sleA）被破壞后，產(chǎn)生的葡聚糖黏度降低〔71〕。

隨著基因組學和克隆重組技術的發(fā)展，通過基因工程對生產(chǎn)絮凝劑特性進行設計的方法將會得到更多關注。

3.3 化學改性

化學改性是指通過化學反應來改變絮凝劑結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)化方法，根據(jù)化學反應類型分為接枝共聚反應、醚化反應、胺化反應、酯化反應、?；磻⒀趸磻?、交聯(lián)反應等〔41〕。在眾多改性方法中，接枝共聚因操作簡單、制備條件溫和、產(chǎn)品應用性能好等優(yōu)勢成為化學改性中最常用的方法。

接枝共聚是以絮凝劑為基質(zhì)，在引發(fā)劑作用下，在其分子鏈上引入具有活性基團的有機聚合物側(cè)鏈，以達到性能增強的一種技術。引發(fā)接枝的方式包括熱引發(fā)、光引發(fā)、輻射引發(fā)、微波引發(fā)和等離子體引發(fā)等〔72〕，常用的接枝單體可分為陰離子型、陽離子型、非離子型3種。在微生物絮凝劑接枝改性中使用較多的陽離子單體主要有（2-甲基丙烯酰氧乙基）三甲基氯化銨（DMC）〔73〕、二甲基二烯丙基氯化銨（DADMAC）〔74〕、2，3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨（ETA）〔75〕、甲 基 丙 烯 酰 胺 丙 基 三 甲 基 氯 化 銨（MAPTAC）〔76〕、酰氧季銨鹽丙烯酰氧乙基三甲基氯化 銨（DAC）〔77〕等。陰 離 子 單 體 主 要 有 丙 烯 酸（AA）〔78〕，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸（AMPS）等〔79〕。非離子單體主要有丙烯酰胺（AM）、苯乙烯、丙烯腈、環(huán)氧化物等。近來陰陽離子官能團同時存在的兩性接枝單體也引起了研究者們的關注，Lihua LIU等〔80〕采用紫外分光光度法分析了兩性螯合聚合物絮凝劑（ACPF），它不僅兼有陰陽離子接枝單體的特性，且適應pH范圍廣。

接枝共聚發(fā)生的部位一般是絮凝劑分子鏈上的—NH2和—OH，因此擁有豐富—NH2和—OH基團的殼聚糖在絮凝劑改性方面最為常用。Xiaomin TANG等〔79〕以硝酸鈰為引發(fā)劑，采用接枝共聚法制備了磺化殼聚糖基絮凝劑CS-g-P（AM-AMPS），顯著縮短了絮凝所需時間。Yongjun SUN等〔81〕采用紫外光引發(fā)接枝聚合法制備了一種新型雙功能殼聚糖絮凝劑CMCTS-g-P（AM-CA），該絮凝劑表現(xiàn)出十分優(yōu)異的絮凝性能。Tao ZENG等〔38〕用微波加熱引發(fā)接枝反應設計了一種新型葡聚糖基絮凝劑，與傳統(tǒng)絮凝劑相比，其架橋和吸附性能增強，絮凝效率得到提高。接枝共聚物的性質(zhì)主要由其結(jié)構(gòu)特征決定，如接枝比、電荷密度以及連接聚合物鏈的長度和數(shù)量，這些特性受合成條件的影響，特別是總輻照、引發(fā)劑劑量和進料單體的量等。因此，對這些條件的考察也是接枝共聚應該關注的問題。

3.4 復合絮凝劑

一些研究發(fā)現(xiàn)，將不同種類的絮凝劑進行復合可以顯著減少絮凝劑的用量和提升絮凝效果。相比單獨使用聚氯化亞鐵（PAFC），聯(lián)合使用微生物絮凝劑（MBF-B16）和PAFC可以降低飲用水中的濁度并去 除SS，可 節(jié) 約72%的 絮 凝 劑 用 量〔13〕。Chaofan ZHANG等〔82〕組合微生物絮凝劑聚γ-谷氨酸和氧化鈣來收獲普通小球藻，發(fā)現(xiàn)該復合絮凝劑主要通過影響微藻細胞的Zeta電位和懸浮液的pH來影響微藻絮凝，其絮凝效率最高達到95%。Z. FERASAT等〔83〕將明礬和酵母細胞壁（YCW）混合使用，可以很大程度緩解加入明礬引起出水pH較低的問題，出水無需再經(jīng)過pH調(diào)節(jié)。Jingshen DONG等〔84〕在硅藻土體系中加入殼聚糖，硅藻土的等電點（IEP）發(fā)生變化，其對煤漿水的絮凝效率達到84.3%。不同聚合程度的無機絮凝劑也會對復合使用的效果產(chǎn)生影響，Yuanxia LUO等〔85〕研究了不同種類聚合氯化鋁（PACl）和滸苔多糖的組合同時去除CuO納米顆粒、Cu2+和腐殖酸的效果，發(fā)現(xiàn)中等聚合度的PAClb對濁度和Cu2+的去除效率最高，高聚合度的PAClc對腐殖酸的去除效果最好，這可能是由污染物的種類不同導致的。還有研究發(fā)現(xiàn)，絮凝劑的復合作用可以解決無機絮凝劑過量引起的溶液“再穩(wěn)定”問題，將AlCl3和生物絮凝劑EPS-160結(jié)合使用不僅可以使絮凝效率提高30%，還可使AlCl3的最佳劑量范圍變得更廣（11～23 mg/L）〔17〕。

3.5 群感效應

群感效應作為一種微生物間常見的通訊機制，在微生物的生長代謝中發(fā)揮著重要作用，如外多糖產(chǎn)生、表面運動、種間競爭和生長等。因此，通過調(diào)節(jié)信號分子改善微生物絮凝劑的生產(chǎn)情況可作為優(yōu)化絮凝劑生產(chǎn)的有力方法。近年來，利用群感效應提高微生物絮凝劑產(chǎn)量的研究也越來越多，在利用根瘤農(nóng)桿菌F2生產(chǎn)絮凝劑時，加入外源3-oxo-C8HSL和C6-HSL后，微生物絮凝劑的外多糖濃度分別提高了1.4倍和1.6倍，絮凝效率分別提高了10.96%和10%〔86-87〕。

4 微生物絮凝劑在工業(yè)廢水處理中的應用

由于提純技術要求較高，且提純后的保存與再溶解均會對絮凝劑的絮凝能力產(chǎn)生較大影響，微生物絮凝劑的生產(chǎn)成本居高不下，尚未實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)應用。但微生物絮凝劑在重金屬廢水、印染廢水等工業(yè)廢水處理中表現(xiàn)出極大的應用潛力，“原位生產(chǎn)，原位使用”的高適應性優(yōu)勢仍吸引著諸多學者對其工業(yè)化應用進行探索。

4.1 重金屬廢水

重金屬（如鎘、鉛、砷、汞、鉻）廢水是一類常見的工業(yè)廢水，對環(huán)境及人體健康危害極大。微生物絮凝劑中的氨基、羧基等官能團具有良好的富集重金屬離子的潛力，引起了眾多學者對其進行應用探索。Jing FENG等〔88〕在研究中使用微生物菌劑GA1（MBFGA1）去除含鉛廢水中的Pb（Ⅱ），當MBFGA1分兩段添加時，Pb（Ⅱ）的去除率達到了99.85%。K.NOUHA等〔89〕從污泥中分離出一種利用自身合成EPS處理重金屬廢水的梭狀芽孢桿菌，該絮凝劑對鎳、鐵、鋅、鋁、銅的去除率分別可達85%、71%、65%、73%、36%。

4.2 印染廢水

印染廢水產(chǎn)量巨大，含有大量懸浮物、纖維素以及COD等，顏色多樣，成分復雜，難于處理。在諸多應用研究中，微生物絮凝劑顯示出高效去除水中懸浮物和COD的能力，并且有較好的脫色效果，安全且無二次污染。M. SOLíS等〔90〕在研究中發(fā)現(xiàn)嗜熱脂肪土芽孢桿菌、假黃色單胞菌等菌種在好氧系統(tǒng)中對偶氮染料的脫色率超過89%；在微需氧和好氧條件下，對多種色度的脫色率均超過97%。S. P.BUTHELEZI等〔91〕從污水處理廠分離出一種具有生產(chǎn)絮凝劑功能的細菌，該細菌生產(chǎn)的絮凝劑在溫度為35 ℃、pH=7的條件下對鯨魚藍和地中海藍等染料的去除率均高達97.04%。

4.3 其他類型工業(yè)廢水

微生物絮凝劑在其他類型工業(yè)廢水處理中也有著廣泛的應用前景。Jiawen HE等〔11〕從微藻污水培養(yǎng)系統(tǒng)中分離到檸檬酸桿菌W4，該菌株產(chǎn)生的蛋白質(zhì)EPS絮凝劑對蛋白核小球藻具有滅活活性，對藻類的回收率達到87.37%，該研究為污水中藻類的去除提供了一種新的技術方法。R. KAUR等〔92〕從堆肥廠滲濾液中分離出一種芽孢桿菌，利用該菌種生產(chǎn)的黏液EPS（S-EPS）和FeSO4混合絮凝處理滲濾液，其對COD、磷、氨氮的去除率分別高達92%、94%、96%。Chunying ZHONG等〔18〕從農(nóng)業(yè)苧麻生物脫膠廢水中分離出一種硝基還原黃桿菌R9，該菌可將苧麻生物質(zhì)轉(zhuǎn)換為絮凝劑MBF-9，在MBF-9用量為831.75 mg/L、pH=7.58以及溫度為26.2 ℃的條件下，其對廢水中濁度、木質(zhì)素和COD的最大去除率分別為96.2%、59.2%和79.5%。在微生物絮凝劑廣泛應用的過程中，絮凝劑生產(chǎn)菌的菌種來源也有了新的擴充。蟬花作為一種蟲生真菌，最初被關注到是因為其獨特的藥理活性，而Xiao ZOU等〔93〕發(fā)現(xiàn)蟬葉板藍根GZU6722產(chǎn)生的IC-1具有絮凝潛力，對洗煤廢水的絮凝效率可達91.84%。

此外，對原有微生物絮凝劑的改進研究也在不斷發(fā)展。Yizhuo ZHANG等〔94〕以硝酸鈰銨作為引發(fā)劑，將蠟樣芽孢桿菌生產(chǎn)的生物絮凝劑與兩性淀粉結(jié)合改性，改性絮凝劑的絮凝效率和總氮去除率分別可達98.17%和100.00%，相較于未改性的絮凝劑，絮凝效率和總氮去除率的提升率均超過30%。

表2總結(jié)了微生物絮凝劑在工業(yè)廢水處理中的應用。

表2 微生物絮凝劑在工業(yè)廢水處理中的應用Table 2 Application of microbial flocculants in industrial wastewater treatment

5 結(jié)語和展望

目前，雖然微生物絮凝劑具有安全無毒、無二次污染、應用范圍廣等多種優(yōu)勢，但也存在不可忽視的局限性，后續(xù)可以從以下幾個方面對其進行改善：

（1）目前微生物絮凝劑的使用大部分是“原位生產(chǎn)，原位使用”，產(chǎn)業(yè)化難度大。一方面是因為從膠狀微生物中提取絮凝劑的難度大、流程復雜，另一方面是因為提取純化、運輸儲存過程中絮凝能力的大幅下降影響產(chǎn)品效能。提取絮凝劑常用的有機試劑沉淀法對絮凝劑的活性影響極大，應探索更便宜、溫和的提取方法，例如利用溶菌酶對微生物進行酶解，同時結(jié)合微波法、超臨界萃取法、雙水相萃取法等技術實現(xiàn)高效溫和提取和提高收獲率；在改進用于絮凝劑工業(yè)化的機械設備和條件的同時，根據(jù)絮凝劑的組成結(jié)構(gòu)優(yōu)化生產(chǎn)方案，減少不必要的流程；選用廉價培養(yǎng)基（有機廢水、廢纖維、污泥等），通過基因工程“定制”微生物絮凝劑，合理利用改性、絮凝劑復配等技術降低生產(chǎn)成本，提高絮凝能力。

（2）當前微生物絮凝劑缺乏統(tǒng)一的評價體系和標準，不利于市場管理。因此應盡快建立對其質(zhì)量和安全性進行評價的體系，逐步制定微生物絮凝劑國家產(chǎn)品標準。

（3）微生物絮凝劑與新興技術的聯(lián)合使用也是不容忽視的一點，合成生物學有關技術的發(fā)展對推動絮凝劑的開發(fā)具有重要意義。通過基因編輯、通路改造、代謝通量優(yōu)化、酶工程、調(diào)控電路重連和宿主修飾等方式對基因模塊進行重新編程，無論是對絮凝劑修飾還是生產(chǎn)新型絮凝劑，都是一種可期的方法，這些技術的集成有助于理解復雜的基因調(diào)控和代謝網(wǎng)絡，實現(xiàn)對基因表達的高效調(diào)控。利用人工智能系統(tǒng)快速設計一些絮凝劑中間物合成路線，將其與基因工程技術結(jié)合，可實現(xiàn)對絮凝劑生產(chǎn)的準確高效優(yōu)化。同時，基于算法和現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)建立絮凝劑生產(chǎn)使用的模型，對絮凝劑的使用效果進行預測，可實現(xiàn)絮凝劑生產(chǎn)設計和使用工藝條件的優(yōu)化，從而極大提高時間效率和降低優(yōu)化成本。