CN103130317A - 一种提高微生物絮凝剂活性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种提高微生物絮凝剂絮凝活性的方法。通过添加四氢嘧啶或羟基四氢嘧啶,保护微生物絮凝剂的空间构象稳定,提高其絮凝活性。本发明解决了当微生物絮凝剂用于处理高离子浓度、高浓度重金属、极端pH、高/低温等污/废水时,微生物絮凝剂絮凝活性显著降低的问题。在给水、污/废水处理、发酵及食品后处理加工等方面有应用前景。

Description

一种提高微生物絮凝剂活性的方法
技术领域
本发明属于微生物絮凝剂技术领域,具体涉及一种提高微生物絮凝剂絮凝活性的方法。
背景技术
微生物絮凝剂(Microbial Flocculants,MBF)是由微生物产生的具有絮凝活性的大分子物质。与目前广泛使用的无机絮凝剂和人工合成的有机高分子絮凝剂相比,微生物絮凝剂高效、无毒、无环境污染,易生物降解、无二次污染,具有絮凝、脱色、络合重金属等多种功能,是用途广泛的新一代絮凝剂。微生物絮凝剂在给水、污/废水处理、发酵及食品后处理加工等领域显示了极大的应用价值和市场前景。
微生物絮凝剂按其化学组成分为不同类型,主要为各种多聚糖类、纤维素类、核酸、糖脂、蛋白质(包括糖蛋白类)和脂类高分子化合物。近年来,γ-聚谷氨酸作为微生物絮凝剂也受到关注。微生物絮凝剂在胶体溶液中通过吸附架桥、电性中和及卷扫作用等方式,絮凝沉淀微粒和胶粒【郑怀礼.生物絮凝剂与絮凝技术[M].北京:化学工业出版社,2004.】。微生物絮凝剂的絮凝活性与其空间构象(空间结构、活性基团、电荷等)关系密切,而各种絮凝环境因素如pH、温度、金属离子、渗透压等,会通过改变其空间构象而影响到微生物絮凝剂的絮凝活性。如絮凝环境pH的变化会影响微生物絮凝剂、悬浮颗粒及胶体颗粒表面电荷的性质、数量及中和电荷的能力。温度对絮凝活性影响较大,一方面温度升高会加快悬浮颗粒和胶体颗粒的运动速度从而提高絮凝率;另一方面高温会使微生物絮凝剂变性,使生物絮凝剂的空间结构改变,从而降低絮凝活性。多糖具有络合多种金属离子的能力,络合后构象大多发生变化【王强,刘红芝,钟葵。多糖分子链构象变化与生物活性关系研究进展。生物技术进展2011年第1卷第5期318-326。】。当微生物絮凝剂用于处理高离子浓度、高浓度重金属、极端pH、高/低温等污/废水时,其絮凝活性显著降低。
目前,解决上述问题的方法有增加投放量、添加金属离子(如钙离子)【岳艳利,周林成,王耀龙,郑伟,谢刚,李彦锋。微生物絮凝剂的制备及其应用研究进展。水处理技术。第38卷第1期,2012年1月】、或者多菌株混合发酵生成复合微生物絮凝剂【李政,吴伟林,张云波,刘其友,赵东风。复合型微生物絮凝剂产生菌的培养及对炼化废水处理的研究。环境污染与防治。第33卷第3期2011年3月】等。这些技术导致成本高、造成二次污染、微生物絮凝剂生产技术不稳定等。保护微生物絮凝剂在絮凝环境中空间构象稳定,避免各种逆环境对其絮凝活性的影响,对于促进和推广微生物絮凝剂的工业化生产和使用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高微生物絮凝剂絮凝活性的方法,其在多种领域有广泛应用前景,例如可应用于污/废水净化处理中。
本发明的技术方案是通过添加四氢嘧啶类物质,保护微生物絮凝剂的空间构象稳定,提高其絮凝活性。四氢嘧啶类物质是指四氢嘧啶(1,4,5,6-四氢-2-甲基-4-嘧啶羧酸;
1,4,5,6-tetrahydro-2-methyl-4-pyrimidine carboxylic acid)和羟基四氢嘧啶(1,4,5,6-四氢-2-甲基-5-羟基-4-嘧啶羧酸;1,4,5,6-tetrahydro-2-methyl-5-hydroxy-4-pyrimidinecarboxylic acid)。
四氢嘧啶和羟基四氢嘧啶的结构式分别为:
Figure BDA00002881197700021
Figure BDA00002881197700022
已有大量的研究表明渗透压补偿性溶质四氢嘧啶类物质能够减轻热胁迫、冷冻、干燥、高盐、氧自由基、辐射、尿素和其他变性剂对蛋白质、核酸、生物膜、甚至整个细胞的有害影响[Pastor JM,Salvador M,
Figure BDA00002881197700023
 M,et al.Ectoines in cell stress protection:uses andbiotechnological production.Biotechnol Adv.2010Nov-Dec;28(6):782-801]。本发明首次证明四氢嘧啶类物质能够显著提高微生物絮凝剂的絮凝活性,特别是在复杂絮凝条件下微生物絮凝剂的絮凝活性。据此提出用四氢嘧啶类物质对微生物絮凝剂进行抗逆增强性预处理,提高微生物絮凝剂的絮凝活性。具体发明内容如下:
本发明的一方面在于:公开四氢嘧啶或羟基四氢嘧啶在制备絮凝剂中的应用。
另一方面在于提高微生物絮凝剂絮凝活性的方法,其包括以下步骤:向微生物絮凝剂中添加四氢嘧啶或羟基四氢嘧啶。
对于上述技术方案中,优选的微生物絮凝剂为多糖类微生物絮凝剂或蛋白类微生物絮凝剂。进一步优选的微生物絮凝剂为短芽孢杆菌絮凝剂或红串红球菌絮凝剂。最优选的短芽孢杆菌絮凝剂为短芽孢杆菌(Brevibacillus brevis)CGMCC1.931絮凝剂;最优选的红串红球菌絮凝剂为红串红球菌(Rhodococcus erythropolis)CGMCC1.2362絮凝剂。
其中所述微生物絮凝剂包括多糖类微生物絮凝剂(主要成分为一种或多种单糖的聚合物)或蛋白类微生物絮凝剂(主要成分为蛋白质或糖蛋白)。所述的短芽孢杆菌絮凝剂是指利用短芽孢杆菌制备的絮凝剂,所述的红串红球菌絮凝剂是指利用红串红球菌制备的絮凝剂,一般的微生物絮凝剂的制备方法均为发酵法制得,包括后文所述的短芽孢杆菌(Brevibacillusbrevis)CGMCC1.931絮凝剂和红串红球菌(Rhodococcus erythropolis)CGMCC1.2362絮凝剂也是通过发酵法制得的絮凝剂。
对于上述技术方案中,优选的四氢嘧啶或羟基四氢嘧啶在微生物絮凝剂中的使用浓度为0.1~10g/L,更优选的情况下,四氢嘧啶或羟基四氢嘧啶在微生物絮凝剂中的使用浓度为1g/L。
对于上述技术方案中,优选的微生物絮凝剂的使用浓度为0.1g/mL。
本发明实施例中列举了70℃条件下,四氢嘧啶或羟基四氢嘧啶在微生物絮凝剂中起到了提高微生物絮凝剂絮凝活性的作用(使絮凝率由38.5%提高到67.3%),从而证明本发明所述方法不仅适用于普通室温环境,还能在室温~70℃条件下使用,因此本发明所述技术方案,即向微生物絮凝剂中添加四氢嘧啶或羟基四氢嘧啶的温度范围是室温~70℃。
本发明的创新特征是:
1)利用四氢嘧啶或羟基四氢嘧啶有效地保护微生物絮凝剂的絮凝活性。
2)操作简便,效果显著。
3)可广泛用于给水、污/废水处理、发酵及食品后处理加工等领域。具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明,但不以任何方式限制本发明。下面简述本发明的具体实施方法。
本发明实施例中所用的实验材料,如无特殊说明,均由商业途径获得,或者由常规方法制备,其中:
菌株:短芽孢杆菌(Brevibacillus brevis)CGMCC1.931,红串红球菌(Rhodococcuserythropolis)CGMCC1.2362,购自中国普通微生物菌种保藏管理中心。
培养基A(g/L):葡萄糖60,(NH42SO410,K2HPO43,KH2PO41,NaC11,酵母粉1,硫酸镁0.2。pH7.2。用于短芽孢杆菌CGMCC1.931微生物絮凝剂发酵。
培养基B(g/L):葡萄糖10,K2HPO45,KH2PO42,MgSO40.7,H2O0.2,NaC10.1,尿素0.5,酵母膏0.5。pH7.5。用于红串红球菌CGMCC1.2362微生物絮凝剂发酵。
待处理样品:高岭土0.5g,CuSO41g,NaCl5g,去离子水定容至100mL。
四氢嘧啶:购自Sigma-Aldrich公司,CAS:96702-03-3。
羟基四氢嘧啶:购自Sigma-Aldrich公司,CAS:165542-15-4
实施例1微生物絮凝剂的制备
1.微生物絮凝剂发酵方法
短芽孢杆菌(Brevibacillus brevis)CGMCC1.931活化与发酵使用培养基A,红串红球菌(Rhodococcus erythropolis)CGMCC1.2362活化与发酵使用培养基B。菌株活化后,分别按照1%接菌量转接至(30mL/300mL)相应发酵培养基的三角瓶中,进行絮凝剂发酵,30℃,120rpm,发酵96h。
2.微生物絮凝剂制备
短芽孢杆菌CGMCC1.931多糖类絮凝剂制备:发酵液100mL,10000×g,4℃,15min离心,取上清液。该上清液真空浓缩机浓缩体积至原体积的1/4。加入3倍体积的无水乙醇,-20℃静置过夜。10000×g,4℃,15min离心,弃上清液,沉淀低温真空干燥,获得絮凝剂干粉。
红串红球菌CGMCC1.2362蛋白质类絮凝剂制备方法:发酵液100mL,10000×g,4℃,15min离心,取上清液。该上清液真空浓缩机浓缩体积至原体积的1/4。加入3倍体积的丙酮,-20℃静置过夜。10000×g,4℃,15min离心,弃上清液,沉淀低温真空干燥,获得絮凝剂干粉。
实施例2四氢嘧啶类物质对微生物絮凝剂的抗逆增强性预处理
1.絮凝剂样品制备:
样品a:实施例1所述方法制备的短芽孢杆菌CGMCC1.931絮凝剂干粉1g,溶于10mL去离子水中制备浓度为0.1g/mL。
样品b1~b3:经四氢嘧啶抗逆增强性处理的絮凝剂(配制样品a中分别含0.1、1、10g/L的四氢嘧啶,室温放置30min后使用)。
样品c1~c3:经羟基四氢嘧啶抗逆增强性处理的絮凝剂(配制样品a中含0.1、1、10g/L的羟基四氢嘧啶,室温放置30min后使用)。絮凝剂样品制备如表1。
表1絮凝剂样品制备
2.絮凝率测定方法:
在120rpm的搅拌状态下,向100mL待处理样品中,分别加入0.5mL的步骤1制备的絮凝剂。300rpm搅拌1min,180rpm搅拌4min,转入100mL量筒中,静置10min。在量筒90mL刻度处取一定量的上清液,用分光光度计在550nm处测定吸光值。以不加絮凝剂的待处理样品为对照。
絮凝率=[(A-B)/A]×100%
A:对照上清液吸光度值;B:样品上清液吸光度值。
上述方法参考文献:薛冬,黄向东,靳朝喜。简单芽孢杆菌产高效微生物絮凝剂。环境工程学报,第6卷第8期,2012年8月,2897-2902。
3.测定结果:
取待处理样品7份,分别添加样品a、b1~b3和c1~c3,即四氢嘧啶或羟基四氢嘧啶添加浓度范围为0.1-10g/L。按照上述步骤2絮凝率测定方法检测。
测定结果见表1。由表1可见:对于多糖类絮凝剂短芽孢杆菌CGMCC1.931絮凝剂,即未经抗逆增强性处理的样品a的絮凝率是56.9%,经过四氢嘧啶抗逆增强性处理的样品b2絮凝率是83.2%,证明四氢嘧啶显著地提高了絮凝率。经过羟基四氢嘧啶抗逆增强性处理的样品c2絮凝率是86.4%。证明羟基四氢嘧啶显著提高了絮凝率,而且,羟基四氢嘧啶的助絮凝效果好于四氢嘧啶。因为添加10g/L的四氢嘧啶或羟基四氢嘧啶,与1g/L的添加量相比,没有显著的提高,所以后续试验选择1g/L的添加量。
实施例3四氢嘧啶提高微生物絮凝剂在高温下的絮凝活性
红串红球菌CGMCC1.2362产生蛋白质类絮凝剂【王兰,唐静,赵璇,微生物絮凝剂絮凝机理的研究方法,期环境工程学报Vo l.5,No.3,2011年3月】。蛋白质类絮凝剂高温下结构不稳定,絮凝活性显著降低。本实施例用于证明:利用四氢嘧啶类物质,能够保护蛋白质类絮凝剂在高温下的絮凝活性,具体方法如下:
制备2份高岭土悬浮液(0.5g高岭土加入100mL蒸馏水),其中一份添加0.5mL红串红球菌CGMCC1.2362絮凝剂(利用实施例1所述方法制备的红串红球菌CGMCC1.2362絮凝剂干粉1g,溶于10mL去离子水中制备浓度为0.1g/mL的溶液,室温放置30min后使用。简称为样品d),另一份添加经四氢嘧啶抗逆增强性处理的絮凝剂红串红球菌CGMCC1.2362絮凝剂(即样品d中含1g/L的四氢嘧啶,简称为样品f)。
按实施例2中的絮凝率测定方法操作,在70℃下测定絮凝率。
结果显示,未经抗逆增强性处理的样品d絮凝率是38.5%,经过四氢嘧啶抗逆增强性处理的样品f絮凝率是67.3%。证明了四氢嘧啶显著提高了微生物絮凝剂在高温环境下的絮凝率。表明四氢嘧啶对蛋白质类絮凝剂具有抗逆性增强作用。
结论:四氢嘧啶类物质对微生物絮凝剂具有抗逆增强性作用。特别是微生物絮凝剂用于高悬浮物、高浓度离子、高浓度重金属、高温等絮凝条件时,四氢嘧啶类物质提高了絮凝活性。因为微生物絮凝剂带有电荷,四氢嘧啶或羟基四氢嘧啶结构中带有氨基、羧基和羟基基团。四氢嘧啶或羟基四氢嘧啶结合(如氢键结合)在微生物絮凝剂大分子表面,维护了其在高盐等环境下的结构稳定。另外这种结合避免了微生物絮凝剂大分子因与某些物质(如重金属)的结合而导致的构型变化。四氢嘧啶或羟基四氢嘧啶维护了微生物絮凝剂的结构稳定,从而提高了絮凝活性。本发明方法适用于多糖类絮凝剂和蛋白质类絮凝剂。操作简单、效果显著。四氢嘧啶类物质无毒无害、可生物降解,不造成二次污染,从而具有广泛的应用前景。

Claims (8)

1.一种提高微生物絮凝剂絮凝活性的方法,其特征在于:向微生物絮凝剂中添加四氢嘧啶或羟基四氢嘧啶。
2.根据权利要求1所述的提高微生物絮凝剂絮凝活性的方法,其特征在于:所述微生物絮凝剂为多糖类微生物絮凝剂或蛋白类微生物絮凝剂。
3.根据权利要求1所述的提高微生物絮凝剂絮凝活性的方法,其特征在于:所述微生物絮凝剂为短芽孢杆菌絮凝剂或红串红球菌絮凝剂。
4.根据权利要求1所述的提高微生物絮凝剂絮凝活性的方法,其特征在于:所述短芽孢杆菌絮凝剂为短芽孢杆菌(Brevibacillus brevis)CGMCC1.931絮凝剂,所述红串红球菌絮凝剂为红串红球菌(Rhodococcus erythropolis)CGMCC1.2362絮凝剂。
5.根据权利要求1所述的提高微生物絮凝剂絮凝活性的方法,其特征在于:所述四氢嘧啶或羟基四氢嘧啶在微生物絮凝剂中的使用浓度为0.1~10g/L。
6.根据权利要求1所述的提高微生物絮凝剂絮凝活性的方法,其特征在于:所述四氢嘧啶或羟基四氢嘧啶在微生物絮凝剂中的使用浓度为1g/L。
7.根据权利要求5所述的提高微生物絮凝剂絮凝活性的方法,其特征在于:所述微生物絮凝剂的使用浓度为0.1g/mL。
8.根据权利要求1所述的提高微生物絮凝剂絮凝活性的方法,其特征在于:向微生物絮凝剂中添加四氢嘧啶或羟基四氢嘧啶的温度为室温~70℃。
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