全 文 ：生物絮凝剂!!聚谷氨酸絮凝性能研究
姚 俊，徐 虹!
（南京工业大学 制药与生命科学学院，南京 !"###$）
摘 要：研究了枯草芽孢杆菌 %&’!制备的生物絮凝剂!’聚谷氨酸（!’()*）的絮凝活性。!’()*对高岭土、活性炭
等悬浮液具有较高的絮凝活性，絮凝活性稳定，热稳定性好，用量高于 "# +,-.时适用 /0范围宽，最适投加浓度为
!# +,-.，加入 12! 3、4,! 3、567 3、*87 3、56! 3、%23等金属离子能不同程度增强!’()*的絮凝活性，其中 12! 3 助凝效果
最高。使用 12! 3作助凝离子可降低!’()*用量，但 12! 3浓度过高会明显降低!’()*的絮凝活性。还研究了!’()*
对电镀废水的处理效果，实验证明!’()*能有效降低电镀废水中 193 7、%:3 !等离子的浓度。
关键词：生物絮凝剂；絮凝条件；!’聚谷氨酸；枯草芽孢杆菌
中图分类号：&";：<$7’7 文献标识码：* 文章编号："=;! > 7=;?（!##@）#" > ##7A > #A
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2KR:P:RN 2FL KHE8L 8HU69 RM6 KHQR TN L9H//:F, RM6 LHQ2,6 HI!’()*，UM:86 RM6 6ZK6QQ:P6 12! 3 K2F 96QR92:F RM6
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絮凝剂广泛应用于给水、污水处理、水质净化等
领域，包括无机絮凝剂（铝盐和铁盐为主）、有机高分
子絮凝剂（聚丙烯酰胺）和天然高分子絮凝剂。铝盐
具有毒性，可通过食物链和饮用水危害人类健康；铁
盐对金属具有腐蚀性，且使水带色；聚丙烯酰胺不易
被生物降解，且单体具有神经毒性和三致效应［"］，应
用亦大受限制。因此，研究开发絮凝活性高、易生物
降解、无二次污染、对环境友好的新型絮凝剂是必要
的，应运而生的生物絮凝剂是一种极具发展潜力的
新型绿色絮凝剂。
!’()*是一种水溶性的可生物降解的生物高分
子（结构式如图 "），该絮凝剂具有无毒、环境友好、
! 收稿日期：!##@’#"’"!
基金项目：江苏省高技术基金（[)V!##"#@7）和国家”?=7”项目（!##!**7!;#7#）开放课题资助
作者简介：姚 俊（"$;$’），男，硕士研究生，研究方向：生物高分子。
联系人：徐 虹，女，教授，\’+2:8：ZEM]FOERV 6LEV KF
第 !卷第 "期
!##@年 !月
生 物 加 工 过 程
1M:F6Q6 DHE9F28 HI [:H/9HK6QQ \F,:F669:F,
56T^ !##@
·7A·
万方数据
高效的特点，国外已开展!!"#$用作绿色絮凝剂的
研究［% & ’］，国内尚未见报导。本实验室筛选了一株
!!"#$高产菌株 !"#$%%&’ ’&()$%$’ ()!%，并对 ()!% 发
酵制备的!!"#$的絮凝条件进行了研究。
图 * !!"#$的结构式
+,-.* /01230214 56!!"#$
! 材料和方法
*.* 试验材料
菌种：!"#$%%&’ ’&()$%$’ ()!%，本实验室筛选。
种子培养基（质量分数，下同）：葡萄糖 %7，酵
母膏 8.97，:%;"<’·=;%< 8.%7，>-/<’ 8.8%97，谷
氨酸钠 *7，?;@.8。
发酵培养基：葡萄糖 =7，酵母膏 8.A7，:%;"<’
·=;%< 8.%7，>-/<’ 8.8%97，谷氨酸钠 *7，?; @.9。
*.% 培养条件
*.%.* 种子培养
取一环菌体接种于种子培养基（988 BC三角瓶
装液量 98 BC），在摇床上振荡培养 *9 D，温度 =% E，
转速 %%8 1FB,G。
*.%.% 摇瓶培养
%98 BC三角瓶装入 A8 BC发酵培养基，按 *7
的接种量接入种子液，在摇床上振荡培养 %8 D，温度
=% E，转速 %%8 1FB,G。
*.= 产物的提取
取 ()!%发酵液于 H 888 1FB,G下离心 %8 B,G，上
清液用 =倍体积的乙醇进行沉淀，得粘性沉淀物，干
燥得粗品，将粗品溶于蒸馏水后过夜透析，透析液经
冷冻干燥得产品。
*.’ 分析方法
*.’.* !!"#$含量的测定
凝胶渗透色谱仪，色谱柱为 /2?415I4J> H（"DK1!
BK3,K L5.），流动相为 98"B5M ?; H.9 的磷酸缓冲
液，流速 8.’ BCFB,G，!!"#$标准品为自制。
*.’.% 絮凝活性的评定
絮凝活性测定方法为：将 8.9 -高岭土（平均粒
度 ’"B）置于 *88 BC烧杯中，加入 *88 BC蒸馏水，
搅拌均匀后加入一定量发酵液或!!"#$溶液，搅匀
后静置 = B,G，即刻用 @%*型分光光度计在 998 GB处
测定其上清液的光密度。同时以不加絮凝剂的高岭
土悬浮液作为对照。通过絮凝率来表示絮凝活性，
公式如下：
絮凝率（*+）N［（, O !）F,］P *887
式中，$为对照上清液的光密度值；Q为样品上
清液的光密度值。
*.’.= 絮凝活性分布实验
取不同发酵时间的发酵液 *8 BC，H 888 1FB,G离
心 *8 B,G，取上清液备用，菌体细胞以蒸馏水洗涤两
次，制成细胞悬浮液。分别测定发酵原液、上清液和
细胞悬浮液的絮凝活性。
*.’.’ !!"#$的热稳定性实验
配制一定浓度!!"#$ 溶液分别置于不同温度
的水浴中处理 =8 B,G，待恢复室温后测其絮凝活性。
*.’.9 电镀废水处理试验
研究!!"#$对电镀废水中重金属离子的去除效
果。分析比较原样与投加!!"#$的水体中的重金属
离子浓度。重金属离子浓度的测定采用电感耦合等
离子发射光谱（"41R,G SMB41 " 结果和讨论
%.* 絮凝活性的分布
()!%培养液的絮凝活性分布如图 %所示，整个
发酵过程中，发酵原液（含菌体）、上清液的絮凝活性
一直处于较高水平，而菌体细胞的絮凝活性一直很
低，当发酵液的絮凝活性达到最高时，大约 V87以
上的絮凝活性存在于上清液中。*8 & %* D随着胞外
!!"#$ 的积累，絮凝活性在此期间增加最为迅速，
%* D时发酵液的絮凝率达最高值，此时对应的!!
"#$产量最高（见图 =），说明发酵液的絮凝活性主
要来自!!"#$。%* D后絮凝活性略有下降，可能因
为生长期后期营养物质基本耗尽，!!"#$作为一种
有机大分子被菌体利用吸收。
%.% 投加量对絮凝活性的影响
!!"#$投加量与絮凝活性关系曲线如图 ’ 所
示，絮凝体系 ?; N @时，!!"#$在较低浓度范围内（8
& %8 B-FC）随着浓度的增加絮凝活性提高，达到最
高点（%8 B-FC）后，再增加!!"#$的浓度，絮凝活性
反而降低，这和相关文献报导类似［%，=］。根据絮凝
机理，絮凝剂过量时，吸附在胶体颗粒上的聚合物阻
隔了微粒间的架桥，使絮凝体系处于稳定状态。
·=H· 生物加工过程 第 %卷第 *期
万方数据
图 ! "#$!培养液絮凝活性分布
%&’(! )*+ ,&-./&01.&23 24 0&2452661573. 8/2,16+, 09 "#$!
图 : 发酵过程中!$;<=含量与培养液絮凝活性的关系
%&’(: )*+ 62//+57.&23 24!$;<= 6236+3./7.&23 73, 45266157.&3’
76.&>&.9 24 615.1/+
根据微观动力学的研究，絮凝作用达最佳状态
应当是絮凝物稳定，生成絮凝物的速度与解离絮凝
物的速度相等，即,!, " ? @
,!
, "；假定胶体离子在絮凝
过程中的减少速度类似于双分子反应，@ ,!, " ? #A !
·!（A @!）? #A !!!（A @!），
,!
, " ?
#!"
!（A @!）
，!：固体粒
子吸附所覆盖的分数，"：絮凝颗粒的半径，#A、#!：
与粒子细度和半径相关的常数，所以 #A !!!（A @!）
图 B !$;<=投加量与絮凝活性关系曲线
%&’(B C44+6. 24 /$;<= 6236+3./7.&23 23 45266157.&3’ 76.&>&.9
?
#!"
!（A @!）
，由此可得出絮凝物半径的计算公式："
?
#A
#!
!!!!（A @!）!；当!? D(E时"有最大值，絮凝物
的半径越大则絮凝越完全，即絮凝剂的最佳投加量约
是固体颗粒表面吸附大分子化合物达到饱和时的一半
吸附量，此时大分子在固体颗粒上的架桥几率最大［E］。
!(: 8F对絮凝活性的影响
—!—!$;<=：E G’HI —"—!$;<=：AD G’HI
—#—!$;<=：!D G’HI
图 E 8F对 /$;<=絮凝活性的影响
%&’(E C44+6. 24 8F 23 /$;<= 45266157.&3’ 76.&>&.9
酸碱度的变化可改变生物聚合物的带电状态和
电中和能力以及絮凝体系中颗粒表面的性质［J，K］，从
而影响絮凝性能的表达。调节絮凝体系在不同 8F，
分别投加不同用量的!$;<=溶液测其絮凝活性，结
果如图 E所示：!$;<=用量较低时（E G’HI），絮凝活
!DDB年 !月 姚 俊等：生物絮凝剂!$聚谷氨酸絮凝性能研究 ·:K·
万方数据
性对 !"变化较为敏感，在中性时絮凝率最高；当!#
$%&用量在 ’(、)( *+,-，絮凝活性对 !"变化敏感程
度降低，!"适用范围变宽，有利于实际应用。
)./ 温度对絮凝活性的影响
配制 ’( *+,-!#$%&溶液分别置于不同温度的
水浴中处理 0( *12，待恢复室温后测其絮凝活性，结
果如图 3所示。温度在 )( 4 5( 6!#$%&的絮凝活
性变化不大（! 7稳定在 8(9左右），温度高于 5( 6
絮凝活性明显下降，但在 ’(( 6处理 0( *12絮凝活
性仍高于 3(9。实验表明!#$%&具有良好的热稳
定性。
图 3 温度对!#$%&絮凝活性的影响
:1+.3 ;77<=> ?7 ><*!<@A>B@< ?2!#$%& 7C?==BCA>12+ A=>1D1>E
).F 絮凝体系中离子对絮凝活性的影响
蛋白质（多肽）型生物絮凝剂易受金属离子的影
响［G］，添加某些金属离子能够提高絮凝剂的絮凝活
性［8 4 ’’］。絮凝体系调 !" H 5，选取不同金属离子（浓
度均为 ’( **?C,-，!#$%&质量浓度 F、’( *+,-）进行
絮凝活性测定，以不添加金属离子、!#$%& 用量为
F、’( *+,-的絮凝体系进行对照，结果如图 5 所示：
添加金属离子后，!#$%&的絮凝活性均有不同程度
提升，其中 IA) J对!#$%&絮凝活性提升最高。这是
因为在带负电性的高岭土悬浮液中投加金属离子
后，中和了水中胶体颗粒表面的负电荷，使其克服之
间的静电斥力，脱稳形成微小絮凝体，并在!#$%&
的桥联作用下，形成大絮团，从而加速沉降。考虑成
本与其他因素（如 :<0 J会带入颜色），选取 IA) J作为
!#$%&的最适助凝离子。
使用 IA) J做助凝离子可降低!#$%&的用量，从
而降低使用成本，但絮凝体系中 IA) J浓度过高则会
使!#$%&的絮凝活性下降（如图 G所示），这是因为
图 5 离子对!#$%&絮凝活性的影响
:1+.5 ;77<=> ?7 AKK1>1?2 ?7 =A>1?2L ?2!#$%& 7C?==BCA>12+ A=>1D1>E
在高离子强度下，大量离子占据了絮凝剂分子的活
性位点，并把絮凝剂分子与固体悬浮颗粒隔离开而
抑制絮凝［’)］。!#$%& 投加浓度为 ’( *+,- 时，IA) J
最适投加浓度为 ’( **?C,-。
图 G IA) J浓度对!#$%&絮凝活性的影响
:1+.G ;77<=> ?7 IA) J =?2=<2>@A>1?2 ?2!#$%& 7C?==BCA>12+ A=>1D1>E
).3 电镀废水的处理实验
电镀废水取自广州某电镀厂，原水已经还原处
理，并投加石灰乳调 !"于 3.’，水样呈浅蓝色。经
分析水样主要含有 I@J 0、M2J )、N1J )、$OJ )和 IBJ )几
种离子。投加 ’ *-质量浓度为 ’ +,-的!#$%&水溶
液于 ’(( *-电镀废水中，搅匀静置 )/ P后，水样明
·0G· 生物加工过程 第 )卷第 ’期
万方数据
显褪色，废水烧杯底部出现絮状灰蓝色沉淀，测上清
液金属离子浓度，数据如表 !所示。实验数据表明
!"#$%能有效去除电镀废水中 &’( )和 *+( ,离子，
#-( ,和 &.( ,的浓度也有所降低。
表 ! 原水水质与实验结果
/0-12 ! /32 4052’ 6.01+57 89 532 8’+:+;01 <0=>12 0;? 532 5’205=2;5
’2<.15
水型
&’( )
@（=:@A）
B;( ,
@（=:@A）
*+( ,
@（=:@A）
#-( ,
@（=:@A）
&.( ,
@（=:@A）
原水 )CDEF DCDG !HCIG DCHHG DC,FH
处理水 DC!JG DCDDH DCD!F DC,FI DCDG!
! 结 论
!"#$%具有用量小，絮凝活性高，热稳定性好，
用量高于 !D =:@A时适用 >K范围宽，有利于投入实
际应用。!"#$%的最适助凝离子为 &0, (，在一定范
围内增加 &0, (用量可减少!"#$%的投加量，从而节
约成本。电镀废水的处理实验证明，!"#$%能有效
去除电镀废水中重金属离子，是一种优异的绿色水
处理试剂。
参考文献：
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［H］ Q0’TT8 K0;5.10，\2;;+< KN R0=98’?N /32 299+P+2;P7 89 532 >’852+;"?2"
>2;?2;5 918PP.105+8; 89 7%"8.("#)+/$&0 <>N +<<2;<+5+]2 58 532 P8=>8<+"
5+8; 89 :’8453 =2?+.=［Q］N %>>1 Y+P’+8-+81 R+852P3;81，!HH!，（)E）：
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［!D］L0^.T+ /82?0N Y+P’8918PP.10;5 9’8= %1P01+:2;2< P.>+?.< L/,D!［Q］N
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