絮凝剂是能够降低或消除水中分散微粒的沉淀 稳定性和聚合稳定性，使分散微粒凝聚、絮凝成聚 集体而除去的一类物质。主要分为 2 大类：化学絮 凝剂和生物絮凝剂。 化学絮凝剂包括无机絮凝剂（如 硫酸铝、聚合氯化铝等）和有机絮凝剂（如聚丙烯 酰胺、聚乙烯亚胺等）。生物絮凝剂包括微生物絮凝 剂、动植物来源的天然高分子絮凝剂（如甲壳素、 凝胶和瓜尔豆胶等^[1]）。化学絮凝剂大多被证实对人 类健康产生影响，如神经毒性、癌症和阿尔茨海默 氏症 ^[2]。与传统的化学絮凝剂相比，生物絮凝剂是 可生物降解的天然高分子材料，对人体无害，不存 在二次污染，具有广阔的应用前景 ^[3]。尤其是微生 物絮凝剂，具有来源稳定，可通过大规模工业生产 得到。目前，微生物絮凝剂的研究重点主要集中在 优良菌种的筛选、廉价培养基的选择、絮凝机理、 絮凝活性成分的结构以及复合型微生物絮凝 剂 ^[4](Compound Bioflocculants,CBF)的常规特性方 面，是生物絮凝剂研究领域最具有吸引力的研究方 向之一。 1 微生物絮凝剂的定义与分类

微生物絮凝剂(Microbial Flocculant,MBF)是由 微生物产生的可使液体中不易沉降的悬浮颗粒、菌 体细胞及胶体颗粒等凝聚沉淀的特殊高分子物 质^[5]。 1.1 按化学成分不同分类

微生物絮凝剂因其产生菌不同，其化学组成也 不尽相同，一般由多糖^[2]、蛋白质^[6]、糖蛋白 ^[1]、聚氨基酸 ^[3]、 DNA^[7]、纤维素等高分子物质构成，具 有蛋白质和糖类等特征基团 ^[8]。 1.2 按来源不同分类 ^{[9, 10]}

（ 1）直接利用微生物菌体作为絮凝剂，如某些 细菌、霉菌、放线菌、酵母菌等，此类物质的获取 途径较为广泛，如土壤、活性污泥中都含有较多的 该类微生物。

（ 2）直接利用微生物细胞壁的成分，微生物细 胞是天然有机高分子絮凝剂的重要来源，以藻类和 真菌类细胞壁的絮凝剂为多，如褐藻细胞壁，丝状 真菌的细胞壁的几丁质，酵母细胞壁的葡聚糖、甘 露聚糖、蛋白质及 N-乙酰葡萄糖胺等。

（ 3）由微生物细胞分泌的代谢物，主要包括细 菌的荚膜和黏液，其主要成分为多糖和少量的多肽、 蛋白质、脂类及其复合物。 1.3 按产絮凝剂菌株分类 ^{[1, 2, 3, 4, 11]}

（ 1）自然界分离筛选的菌株（包括单种菌株及 复合菌株）所产的絮凝剂，目前研究的多属于此类。

（ 2） 利用基因工程技术改建后的基因工程菌所 产的絮凝剂，通过把高性絮凝基因转移到便于发酵 的菌体中，形成能够稳定遗传产絮凝剂的新菌株。 2 微生物絮凝剂的研究现状 2.1 微生物絮凝剂产生菌株的选育 2.1.1 从自然界直接筛选

微生物絮凝剂的研究始于 20 世纪 50 年代，日 本学者首先发现微生物培养液具有絮凝作用 ^[8]。产 微生物絮凝剂的菌株来源很广，如污水、活性污泥、 土壤及植物内生菌等 ^{[12, 13]}。一般而言，活性污泥和 土壤样品是分离生物絮凝产生菌的最佳来源^[14]。迄 今为止，已经报道的微生物絮凝剂产生菌就有超过 60 多种，包括藻类，细菌，放线菌，真菌^[15]。 2.1.2 传统诱变选育

诱变育种可以改善菌种特性、提高产品质量。 传统诱变育种方法主要有物理诱变、化学诱变和两 者复合诱变等。吴焕利 ^[16]等利用紫外线诱变絮凝剂 产生菌 XL-18 得到絮凝活性高的菌株 YB-1，絮凝率 由 80%提高到 95.0%。 Xu^[17]等采用 He+注入法诱变 絮凝剂产生菌 C8，得到 11 株突变株，RAPD 分子 标记表明絮凝活性提高 80%的突变株 DNA 产生变 异。张姝等 ^[18]以产 γ-聚谷氨酸的纳豆芽孢杆菌 (Bacillus natto S003)为出发菌，经紫外(UV)-硫酸二 乙酯(DES)复合诱变，分离筛选得到 1 株高产稳定突 变株 Bacillus natto S003-D16，经摇瓶实验验证，γ- 聚谷氨酸的含量较出发菌株提高 40.38%。 2.1.3 基因工程选育

从自然环境中分离筛选絮凝微生物产量低，成 本高，难以实现大规模生产和应用。利用基因工程 技术，将高效絮凝基因通过转基因技术转移到易于 发酵生产的菌株中，构建高产絮凝剂的基因工程菌， 以实现微生物絮凝剂的产业化生产。或者通过原生 质体融合技术将具有所需性状的两亲本进行遗传物 质重组，获得兼具两亲本优良性状的新菌株。蔡车 国等 ^[19]以发酵度较高的非絮凝性的啤酒酵母菌株 X6 和发酵度较低、絮凝性较强的啤酒酵母菌株 N1 为亲本进行原生质体融合，得到一株较优良的融合 株 GR5，具有双亲的优点，发酵的啤酒风味较好， 是一株具有工业应用前景的啤酒酿造酵母菌株。 2.2 微生物絮凝剂的发酵

一直以来，高生产成本制约着微生物絮凝剂的 发展。微生物絮凝剂产生菌的培养通常以葡萄糖、 半乳糖、淀粉等作为有机碳源，以酵母浸出汁、牛 肉膏、蛋白胨等作为有机氮源，导致生产成本偏高。 因此，采用廉价原料甘蔗渣^[20]、桔杆^[21]等或有机废 水如糖蜜 ^[22]、 酱油废水 ^[23]、 制酒废水^[24]、 味精废水^[25] 等作为廉价培养基，在降低生产成本的同时，又能 变废为宝减少对环境的污染。

有研究表明微生物在混合培养过程中，可以通 过合作促进絮凝剂的产生。国内马放 ^[4]等对混合菌 产絮凝剂进行了较为系统的研究，并首次提出复合 型微生物絮凝剂这一概念。他们将筛选得到的 2 株 芽孢杆菌混合培养后，发现混合菌产絮凝剂的能力 强于单个菌株。张帆^[24]等将混合菌株 HXJ-1 利用制 酒废水作为替代培养基产生复合型微生物絮凝剂 XJBF-1，比单一菌产生的絮凝剂的絮凝效果更好， 并且缩短了絮凝剂的产生周期，对鱼苗基本没有急 性毒性，可以作为无毒水处理剂使用。

固定化技术运用在微生物絮凝剂产生菌的报道 目前还较少。对絮凝剂产生菌进行固定化，可以连 续化操作、简化工艺、缩短发酵周期、提高菌种利 用率、增加产量。赵璇^[26]等以多孔聚氨酯泡沫为载 体，对固定化絮凝剂产生菌 XN1 进行摇瓶及发酵罐 连续培养试验研究。结果表明：摇瓶中可连续生产 12 批次高活性絮凝剂，絮凝活性均在 78%以上；采 用 2 L 发酵罐优化工艺连续生产 12 批次絮凝剂仅需6.5 d，且所得絮凝剂的絮凝活性均在 85%以上，与 游离菌生产絮凝剂相比，生产效率提高了 453.8%。 2.3 微生物絮凝剂的分离与纯化

微生物絮凝剂的分离方法有多种。一般采用抽 滤或离心方式除去菌体，然后根据发酵液的组成成 分及絮凝物质的种类和性质采用乙醇沉淀、硫酸盐 析、丙酮沉淀、盐酸胍沉淀等不同方法，最后真空 干燥得到粗品。 对于结构较为复杂的絮凝剂的提取， 则需用酸、碱或有机溶剂反复溶解、沉淀以得到粗 品。絮凝剂的纯化是将提取到的絮凝剂粗品溶于水 或缓冲溶液中，通过离子交换、凝胶色谱纯化，再 透析去除小分子物质，真空干燥得到精制品 ^{[27, 28]}。 已报道的大部分生物絮凝剂成分是多糖和蛋白 质^[29]。以絮凝成分为多糖为例 ^[30]，离心去除发酵液 中菌体，在上清液中加入无水乙醇（或丙酮）混匀， 将沉淀物用 70%的乙醇洗涤后获得粗产品。再将沉 淀物溶于水后加入氯仿和正丁醇混合液，经振荡、 离心去除游离蛋白，最后将上清液透析并用聚乙二 醇浓缩、乙醇沉淀，经真空冷冻干燥即得到纯品。 以有效成分为多糖和蛋白质为例 ^[31]，将发酵液离心 去菌体，在上清液中加入预冷的无水乙醇，得到的 沉淀为絮凝剂粗制品。将沉淀物溶于蒸馏水加入西 吡氯铵溶液 (CPC)搅拌，离心收集沉淀物并溶于 NaCI 溶液中，加入无水乙醇得到的沉淀，并用无水 乙醇洗涤后真空干燥，得到絮凝剂纯化物。 3 微生物絮凝剂的应用

微生物絮凝剂因其高效、可生物降解、对人体 无害、 具有良好的的絮凝性能而广泛用于环境工程、 食品行业、发酵行业及重金属富集等领域。 3.1 环境工程 3.1.1 高浓度有机废水

畜产废水、啤酒废水、酱油废水等是 BOD 值 较高难处理的一类有机废水。相比合成高分子絮凝 剂，微生物絮凝剂能有效降低 TOC、 COD 含量的同 时，对环境没有二次污染。付保荣等^[32]筛选出一株 针对屠宰废水有高效絮凝活性的微生物絮凝剂产生 菌并优化了其所产絮凝剂 D6 的絮凝条件，用优化 后的絮凝条件处理屠宰废水，絮凝率、浊度和 SS 的去除率均在 90%以上。 徐放等^[33]用 MBF-1 微生物 絮凝剂处理啤酒生产废水，结果表明 COD 去除率为 90.8%，COD 去除能力为 55.3 mg/mL，适宜的絮凝 时间为 10 h，MBF-l 微生物絮凝剂适宜投加量为 1.5 mL（ 100 mL 废水）。 3.1.2 染料废水

印染废水成分复杂，色度高，并有一定的毒性， 是一种较难处理的纺织工业废水。周本军等^[34]从污 泥中筛选出一株具有絮凝活性的微生物絮凝剂产生 菌，其所产的絮凝剂（代号 MNb-1）对印染公司的 靛蓝废水进行处理具有很好的絮凝作用，通过考察 絮凝剂投加量、靛蓝废水原始 pH 值、助凝剂 CaCl₂(1%)的量 3 个因素对处理效果的影响，得出了 靛蓝废水的最佳脱色工艺，脱色率达到 88.5%。刘 亚秋等 ^[35]考察了少动鞘氨醇单胞茵 (Sphingomonas paucimobilis)的微生物絮凝剂对酸性媒介黑 T 染料 的最佳脱色条件，结果表明在最佳工艺条件下，酸 性媒介黑 T 染料废水的絮凝脱色率可达到 95%。 3.1.3 生活污水

随着我国人口的持续增长、地表水和地下水的 污染、经济发展和城市化进程的加快，城市缺水问 题越来越突出。因此，为了解决我国逐渐加剧的水 资源缺乏问题，回用生活污水是必要的。张超等^[36] 考察了节杆菌(Arthrobacter sp.)产絮凝剂 LF-Tou2 对 比硫酸铝溶液、 PAC、 PFS、 PAM、壳聚糖对生活污 水的处理效果。结果表明：絮凝剂 LF-Tou2 的絮凝 率明显高于其他 5 种絮凝剂，其 COD 去除率达到 89.8%，浊度去除率为 98.2%，在 LF-Tou2 的最佳絮 凝条件下 COD 去除率达到 92.9%。同时还考察了对 不同来源生活污水的处理，结果表明： LF-Tou2 不 仅对 COD 和 SS 有很好的去除效果，而且原水中重 金属 Fe³⁺、 Cu²⁺和 Hg²⁺经絮凝处理后去除率全部超 过 90%。张侠等^[37]用絮凝剂 BF SVI-SD 对黄河兰州 段生活污水进行处理，浊度去除率达到 94%以上， 且在絮凝剂样品投加量为 1.5 mL 时，处理效果最好， 仅沉降 10 min，浊度和 COD 的去除率就分别高达 97.6%和 63.4%。 3.2 食品行业

制糖行业中澄清工序是制糖工艺的重点，对提高 产品质量和糖分收回都有很重要的作用，直接影响到 工厂的经济效益。为了改善蔗汁沉降过程，糖厂通常 使用高分子有机絮凝剂如聚丙烯酰胺PAM。伴随人们 环保意识的增强和行业管理越来越规范化，特别在食 品行业对絮凝剂的安全性和环保性提出了更高的要 求，开发安全无毒、无二次污染的糖用絮凝剂对食糖 的安全具有重要的现实意义。吴春兰等^[38]选用3种不同的具有絮凝活性的菌体发酵液对亚硫酸法糖厂的榨 季后期混合汁进行澄清絮凝试验。结果表明微生物絮 凝剂可有效提高混合汁的沉降速度，压缩滤泥体积并 有脱色效果，与目前糖厂广泛使用的高分子有机物絮 凝剂聚丙烯酰胺(PAM)具有可比性。李楠等^[39]从活性 污泥中分离出一株富产絮凝剂并适用于甘蔗蔗汁絮凝 澄清的菌株，该菌株发酵液在蔗汁沉降试验中的絮凝 率为69.2%。 ZHUANG X L等^[22]选用一株地衣芽孢杆 菌产生的絮凝剂在糖厂进行小规模应用研究，在中和 汁中分别加入生物絮凝剂和糖用絮凝剂进行澄清工艺 研究，结果表明在最佳工艺条件下，蔗汁沉降速度、 除浊率、脱色率及纯度差与传统糖用絮凝剂PAM效果 相当。广州甘蔗糖业研究所与厦门大学、广西农垦糖 业集团良圻制糖有限公司合作生物絮凝剂的试验研究 工作，并于2012/13年榨季在良圻制糖有限公司生产线 进行试验，结果表明生物絮凝剂对蔗汁的澄清、脱色 以及糖纯度的提高效果与PAM具有可比性。可以预 见，生物絮凝剂替代PAM在制糖行业应用具有极大的 潜力。 3.3 发酵工业

在燃料乙醇生产中，酵母细胞的絮凝性能是一 种重要的特性，可以在发酵结束时高效、环境友好、 简单且低能耗地分离细胞，有利于下游加工。王付 转等^[11]把 S. cerevisiae W303-1A 的絮凝基因 FLO1 接入质粒 pYX212，构建重组质粒 pYX-FLO-kan 并 转化 S. cerevisiae ZWA46，得到了较强絮凝能力且 传代稳定的重组菌 ZWA46-F2。考察其絮凝能力， 结果表明重组菌 ZWA46-F2 具有良好的絮凝性能， 有利于从发酵液中分离细胞和细胞回用。 3.4 重金属的富集

Bacillus cereus 被成功地用于黄金、 白钨矿以及 其他矿物质等贵重稀有金属类化合物的富集提 取 ^[7]。毛霉素目霉菌对金属吸附能力的范围较广， 有望成为优良的生物絮凝剂。美国新泽西州提尔哈 特矿物和化学制品有限公司用真菌从废液中回收微 量金属 Au、 Ag、 Pt，回收率 94%～98%，这项技术 现已申请专利^[40]。顾美英等^[41]筛选到一株欧文氏菌 属(Erwinia)新种 W36-1，其所产絮凝剂对 5 种重金 属均有一定去除效果，其中对 Pb²⁺(浓度为 1 000 mg/L)、 Cu²⁺(浓度为 100 mg /L)的去除率达到 100%， 对 Zn²⁺（浓度为 700 mg/L）的去除率为 68.25 %。 3.5 安全性评价

微生物絮凝剂可广泛应用于给水处理、食品和 发酵工业等领域，与人类健康与生态环境密切相关， 因此有必要对其安全性进行评价，以决定其是否可 以投放市场。

安全性评价主要包括 3 方面的内容^[42]：①絮凝 剂本身毒理学评价；②技术安全性评价；③商品保 质的安全性。毒理学实验是检测微生物絮凝剂是否 有三致作用，为微生物絮凝剂在水处理中的应用奠 定基础。技术安全性评价主要指对絮凝剂进行菌体 灭活实验，防止絮凝剂再生产出来以后，别人从中 分离出菌种，所选出的方法既要把菌体灭活，还要 保证不影响絮凝效果。商品保质的安全性实验，是 测定长期的保存会不会影响絮凝剂的絮凝效果。 4 展望

微生物絮凝剂因其易生物降解、高效、无毒， 可广泛应用于水处理、食品与发酵等行业，备受各 国科学家重视。目前，绝大多数微生物絮凝剂研究 还停留在实验室研究阶段，面临的主要问题是微生 物絮凝剂絮凝能力低、用量大且生产成本高，有效 成分的分离纯化技术不够成熟，絮凝机理研究不充 分，评价絮凝活性指标单一，安生性评价体系不完 善。因此，未来微生物絮凝的研究方向主要是微生 物絮凝剂的物化性能和絮凝机理的研究、高产微生 物絮凝剂菌种的选育（传统选育及生物技术改造选 育）、复合型微生物絮凝剂的开发及复配、利用廉价 培养基降低微生物絮凝剂成本等方面，其目的都是 为了得到高活性、低成本的微生物絮凝剂应用于工 业化生产。微生物絮凝剂的化学本质为多糖、蛋白 等无毒无害物质，安全性高，且由于生物技术的不 断进步，微生物絮凝剂的活性、适用性迅速增加， 成本大幅度降低，在食品加工领域必将取代目前毒 性较高的化学絮凝剂，具有广阔的应用前景。