一种索拉胶的制备方法及在水处理方面的应用.pdf

本发明公开了土壤杆菌ZX09利用无机盐培养液固态发酵生产水溶性生物絮凝剂索拉胶及其处理高浊、富养化江湖水的方法。它是利用土壤杆菌在无机盐合成培养液中固态发酵，获得粘稠的代谢产物，向发酵液中加入两倍体积的乙醇沉淀，沉淀真空干燥即可得生物絮凝剂索拉胶粗品。配制索拉胶溶液，投入高岭土、硅藻土、活性炭和酵母颗粒悬浊液颗粒废水中，索拉胶粗品与聚合硫酸铁复合使用处理高浊、富养化江湖水，能有效地降低江湖水的颗粒含量和COD含量，絮凝活性高、用量少、絮凝速度快，处理适用pH范围宽，有利于环境保护和大规模工业化生产。

1.  一种索拉胶的制备方法，其特征在于所述方法是利用土壤杆菌Agrobacteriumsp. ZX09生产生物絮凝剂索拉胶，其具体步骤如下：
a. 配置培养液：种子培养液：以质量浓度计，NaH₂PO₄ 0.25‰-2‰，KNO₃ 1.5‰-4.5‰，CaCl₂ 0.05‰-0.2‰，MgCl₂ 0.15‰-0.55‰，FeSO₄·7H₂O 0.004‰-0.013‰，MnSO₄ 0.001‰-0.004‰，ZnCl₂ 0.004‰-0.008‰，蔗糖 1%-5%，pH 5.5-11；发酵培养液是在上述种子培养液中再添加3-8%的NaCl ；
b.将种子培养液加热110-121℃灭菌15-30分钟；
c.向冷却至30-37℃的种子培养液内加入100-200μL平皿菌落液；
d.在28 ℃~30 ℃发酵18~30 h形成种子液；
e.将啤酒糟用水洗涤两次，加入10-25mL发酵培养液，再加入5%-15%的种子液；
f.在28 ℃~30 ℃发酵48~72 h；
g.向发酵瓶中加入20mL的蒸馏水清洗两次啤酒糟，收集上清液，向发上清液内注入超过两倍体积的乙醇、丙酮或异戊醇，得到生物絮凝剂索拉胶粗品。

2.  一种索拉胶在水处理方面的应用，其特征在于将索拉胶与聚合硫酸铁复合使用应用于处理高浊、富养化江湖水中，降低江湖水的颗粒含量和COD含量。

3.  根据权利要求2所述的索拉胶在水处理方面的应用，其特征在于所述索拉胶与聚合硫酸铁复合使用的质量比为1:10-10:1，处理水样的pH值控制在4-12之间，搅拌30min，静置30min。

4.  根据权利要求2所述的索拉胶在水处理方面的应用，其特征在于所述的索拉胶通过以下步骤制备：
a. 配置培养液：种子培养液：以质量浓度计，NaH₂PO₄ 0.25‰-2‰，KNO₃ 1.5‰-4.5‰，CaCl₂ 0.05‰-0.2‰，MgCl₂ 0.15‰-0.55‰，FeSO₄·7H₂O 0.004‰-0.013‰，MnSO₄ 0.001‰-0.004‰，ZnCl₂ 0.004‰-0.008‰，蔗糖 1%-5%，pH 5.5-11；发酵培养液是在上述种子培养液中再添加3-8%的NaCl ；
b.将种子培养液加热110-121℃灭菌15-30分钟；
c.向冷却至30-37℃的种子培养液内加入100-200μL平皿菌落液；
d.在28 ℃~30 ℃发酵18~30 h形成种子液；
e.将啤酒糟用水洗涤两次，加入10-25mL发酵培养液，再加入5%-15%的种子液；
f.在28 ℃~30 ℃发酵48~72 h；
g.向发酵瓶中加入20mL的蒸馏水清洗两次啤酒糟，收集上清液，向发上清液内注入超过两倍体积的乙醇、丙酮或异戊醇，得到生物絮凝剂索拉胶粗品。

一种索拉胶的制备方法及在水处理方面的应用
技术领域
本发明涉及土壤杆菌Agrobacteriumsp. ZX09的索拉胶固态发酵的制备方法及在水处理中的应用。
背景技术
当前我国水污染已从地表水污染延伸到地下水污染，从常规污染扩展到有毒化学品污染，形势严峻，已经成为制约我国经济、社会稳定发展的制约因素。絮凝是水处理中净化水质的常用手段和方法，尤其是各种污水处理的预处理。目前常用的传统絮凝剂有聚合三氯化铝和聚丙烯酰胺。聚合三氯化铝作为一种无机高分子絮凝剂，具有强烈的电中和及粘和架桥作用，但絮凝沉淀速度慢，停留时间长，且Al³⁺具有毒性，有引发老年痴呆症的风险。聚丙烯酰胺，其本身并没有毒性，但其难降解性却易造成二次污染，而且研究表明丙烯酰胺单体是一种强致癌物，具有强烈的神经毒性(H. Yokoi, T. Obita, J. Hirose, S. Hayashi, Y. Takasaki. Flocculation properties of pectin in various suspensions. Bioresource Technology. 84:287-290.)。因此开发高效、新型高分子絮凝剂是絮凝法处理废水的关键。
近年来微生物絮凝剂的研究已经引起人们的足够重视。微生物絮凝剂是一种安全、无毒、易降解、不产生二次污染的絮凝剂，由于微生物种类繁多，絮凝特性各异，具有很好的开发前景。按照来源不同，微生物絮凝剂主要可分为3类：(1)直接利用微生物细胞作絮凝剂。如某些细菌、放线菌、真菌和酵母；(2)利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂。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均可用作絮凝剂；(3)利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂。微生物细胞分泌到细胞外的代谢产物主要成分为多糖及少量多肽、蛋白质、脂类及其复合物。其中微生物胞外絮凝剂絮凝效果好、易于提取分离，是现在絮凝剂的主要研究方向(M. Fujita, M. Ike, S. Tachibana, G. Kitada, S. Kim, Z Inoue. Characteristics of a bioflocculant produced by Citrobacter sp. YKF04 from acetic and propionic acids. Journal of Bioscience and Bioengineering. 89: 40- 46.)。 
本发明提供了一种新型的生物絮凝剂索拉胶。它是一种由土壤杆菌Agrobacterium sp. ZX09分泌产生的胞外多糖，是一种新结构的β-葡聚糖并具有降血糖的作用（已申请中国专利，201010146371.2）（Xiu A., Kong Y., Zhou M., Zhu B. Wang S., Zhang J.. The chemical and digestive properties of a soluble glucan from Agrobacterium sp. ZX09. Carbohydrate Polymers, 82:623-628）。经过急性毒理学和慢性毒理学的评价，该生物絮凝剂无毒安全（Xiu A., Zhan Y., Zhou M., Zhu B., Wang S., Jia A., Dong W., Cai C., Zhang J.. Results of a 90-day safety assessment study in mice fed a glucan produced by Agrobacterium sp. ZX09. Food and Chemical Toxicology. 49:2377-2384）。索拉胶还能降低肝脂、血脂、体脂和体重（已申请中国专利201010198223.5）并具有预防和治疗便秘的作用（已申请中国专利201110028483.2）。
发明内容
本发明的目的(1)是在于提供土壤杆菌Agrobacteriumsp. ZX09的索拉胶固态发酵的制备方法。
本发明的另一个目的(2)是提供固态发酵生产的、可以絮凝颗粒性污水的生物絮凝剂索拉胶在处理高浊、富养化江湖水中的应用。
实现本发明目的(1)的技术解决方案是：利用土壤杆菌Agrobacteriumsp. ZX09生产生物絮凝剂索拉胶，其步骤如下：
a. 配置培养液：种子培养液：以质量浓度计，NaH₂PO₄ 0.25‰-2‰，KNO₃ 1.5‰-4.5‰，CaCl₂ 0.05‰-0.2‰，MgCl₂ 0.15‰-0.55‰，FeSO₄·7H₂O 0.004‰-0.013‰，MnSO₄ 0.001‰-0.004‰，ZnCl₂ 0.004‰-0.008‰，蔗糖 1%-5%， pH 5.5-11；发酵培养液是在上述种子培养液中再添加3-8%的NaCl ；
b.将种子培养液加热110-121℃灭菌15-30分钟；
c.向冷却至30-37℃的种子培养液内加入100-200μL平皿菌落液；
d.在28 ℃~30 ℃发酵18~30 h形成种子液；
e.将啤酒糟用水洗涤两次，加入10-25mL发酵培养液，再加入5%-15%的种子液；
f.在28 ℃~30 ℃发酵48~72 h；
g.向发酵瓶中加入20mL的蒸馏水清洗两次啤酒糟，收集上清液，向发上清液内注入超过两倍体积的乙醇、丙酮或异戊醇，得到生物絮凝剂索拉胶粗品。
实现本发明目的(2)的技术解决方案是：将上述索拉胶与聚合硫酸铁复合使用应用于处理高浊、富养化江湖水中，能有效降低江湖水的颗粒含量和COD含量。
作为优选，索拉胶与聚合硫酸铁复合使用的质量比为1:10-10:1之间，处理水样的pH值控制在4-12之间，搅拌30min，静置30min。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）菌种的培养操作简便，工艺简单，培养基为全合成培养基，成份明确，成本低，适宜于工业化生产；（2）发酵培养液中加入3%以上的氯化钠，发酵培养不需要灭菌，节约能耗；（3）索拉胶是生物絮凝剂，可生物降解，不会造成二次污染；（4）索拉胶能够有效地絮凝高浊、富养化江湖水，絮凝活性高、用量少、絮凝速度快，处理适用pH范围宽；（5）索拉胶安全无毒。
附图说明
图1本发明土壤杆菌发酵生产生物絮凝剂索拉胶的流程图。
图2本发明实施例1生物絮凝剂索拉胶对高岭土溶液的絮凝作用图。
图3本发明实施例2生物絮凝剂对南京段长江水溶液的絮凝作用图。
图4本发明实施例3生物絮凝剂对太湖含藻水溶液的絮凝作用图。
图5 本发明实施例1生物絮凝剂对高岭土溶液絮凝的显微图片（其中，a为不加絮凝剂的高岭土颗粒，b为加入聚合硫酸铁的絮凝颗粒,c为加入索拉胶的絮凝颗粒,d为加入索拉胶与聚合硫酸铁絮凝颗粒）。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
如图1所示，配置培养液。
种子培养液：NaH₂PO₄ 0.25g，KNO₃ 1.5g，CaCl₂ 0.05g，MgCl₂ 0.15g，FeSO₄·7H₂O 0.004g，MnSO₄ 0.001g，ZnCl₂ 0.004g，蔗糖 20g，H₂O 1000 mL，pH7.2，发酵培养液在种子培养液中添加30gNaCl，将种子培养液加热110℃灭菌30分钟，向冷却至30℃的种子培养液内加入100μL平皿菌落液，在28 ℃发酵18h形成种子液，将啤酒糟用水洗涤两次，加入15mL发酵培养液，再加入5%的种子液，在28 ℃发酵48h，向发酵瓶中加入20mL的蒸馏水清洗两次啤酒糟，收集上清液，向发上清液内注入超过两倍体积的乙醇，50℃抽真空干燥即得生物絮凝剂索拉胶粗品。
检测絮凝效果：取装有0.5%（质量浓度）高岭土溶液的1000mL，1组加入10mL0.1%（质量浓度）的本发明生物絮凝剂索拉胶，5mL0.1%（质量浓度）的聚合硫酸铁，2组加入5mL0.1%（质量浓度）的聚合硫酸铁，3组为不加絮凝剂的高岭土悬浮液空白对照，控制pH在7.0，充分摇匀后静置5分钟，用722型分光光度计在550nm处分别测定上清液的光密度。通过絮凝率来表示絮凝活性，公式如下：
                                                   
    A：不加絮凝剂对照的上清液在550nm处的光密度值
    B：加絮凝剂溶液的上清液在550nm处的光密度值
如图2所示，经测定，对0.5%的高岭土悬浮液，本发明生物絮凝剂索拉胶与聚合硫酸铁复合使用的絮凝率为98%，聚合硫酸铁的絮凝率为17%。
实施例2
如图2所示，配置培养液。
种子培养液：NaH₂PO₄ 0.5g，KNO₃ 2.5g，CaCl₂ 0.07g，MgCl₂ 0.2g，FeSO₄·7H₂O 0.006g，MnSO₄ 0.002g，ZnCl₂ 0.006g，蔗糖 40g，H₂O 1000 mL，pH8.0，发酵培养液在种子培养液中添加30gNaCl，将种子培养液加热110℃灭菌30分钟，向冷却至32℃的种子培养液内加入100μL平皿菌落液，在28 ℃发酵20h形成种子液，将啤酒糟用水洗涤两次，加入15mL发酵培养液，再加入8%的种子液，在28 ℃发酵48h，向发酵瓶中加入20mL的蒸馏水清洗两次啤酒糟，收集上清液，向发上清液内注入超过两倍体积的异丙醇，50℃抽真空干燥即得生物絮凝剂索拉胶粗品。
检测絮凝效果：取装有0.5%高岭土溶液的1000mL，1组加入50mL0.1%的本发明生物絮凝剂索拉胶，5mL0.1%的聚合硫酸铁，2组加入5mL0.1%的聚合硫酸铁，3组为不加絮凝剂的高岭土悬浮液空白对照，控制pH在10.0，充分摇匀后静置5分钟，用722型分光光度计在550nm处分别测定上清液的光密度。
如图2所示，经测定，对0.5%的高岭土悬浮液，本发明生物絮凝剂索拉胶与聚合硫酸铁复合使用的絮凝率为96%，聚合硫酸铁的絮凝率为17%。
实施例3
如图1所示，配置培养液。
种子培养液：NaH₂PO₄ 2g，KNO₃ 3g，CaCl₂ 0.07g，MgCl₂ 0.25g，FeSO₄·7H₂O 0.01g，MnSO₄ 0.002g，ZnCl₂ 0.008g，蔗糖 30g，H₂O 1000 mL，pH6.0，发酵培养液在种子培养液中添加40gNaCl，将种子培养液加热121℃灭菌15分钟，向冷却至37℃的种子培养液内加入150μL平皿菌落液，在28 ℃发酵20h形成种子液，将啤酒糟用水洗涤两次，加入20mL发酵培养液，再加入8%的种子液，在28 ℃发酵56h，向发酵瓶中加入20mL的蒸馏水清洗两次啤酒糟，收集上清液，向发上清液内注入超过两倍体积的丙酮，50℃抽真空干燥即得生物絮凝剂索拉胶粗品。
对南京段长江水的絮凝处理：取南京段长江水1000mL，1组加入2mL0.1%的本发明生物絮凝剂索拉胶和20mL0.1%聚合硫酸铁，2组加入20mL0.1%聚合硫酸铁，3组不加絮凝剂作空白对照，控制pH在5.0，充分摇匀后静置30分钟，用722型分光光度计在550nm处测定其上清液的光密度。如图3所示，经测定，对南京段长江水，本发明生物絮凝剂索拉胶与聚合硫酸铁复合使用的絮凝率为97%，COD的去除率达91%；聚合硫酸铁的絮凝率为17%，COD的去除率只有40%。
实施例4
如图1所示，配置培养液。
种子培养液：NaH₂PO₄ 1.5g，KNO₃4.0g，CaCl₂ 0.1g，MgCl₂ 0.30g，FeSO₄·7H₂O 0.013g，MnSO₄ 0.002g，ZnCl₂ 0.008g，蔗糖 40g，H₂O 1000 mL，pH5.5，发酵培养液在种子培养液中添加50gNaCl，将种子培养液加热121℃灭菌20分钟，向冷却至30℃的种子培养液内加入150μL平皿菌落液，在28 ℃发酵24h形成种子液，将啤酒糟用水洗涤两次，加入20mL发酵培养液，再加入10%的种子液，在28 ℃发酵56h，向发酵瓶中加入20mL的蒸馏水清洗两次啤酒糟，收集上清液，向发上清液内注入超过两倍体积的丙酮，50℃抽真空干燥即得生物絮凝剂索拉胶粗品。
对南京段长江水的絮凝处理：取南京段长江水1000mL，1组加入5mL0.1%的本发明生物絮凝剂索拉胶和20mL0.1%聚合硫酸铁，2组加入20mL0.1%聚合硫酸铁，3组不加絮凝剂作空白对照，控制pH在9.0，充分摇匀后静置30分钟，用722型分光光度计在550nm处测定其上清液的光密度。如图3所示，经测定，对南京段长江水，本发明生物絮凝剂索拉胶与聚合硫酸铁复合使用的絮凝率为97%，COD的去除率达92%；聚合硫酸铁的絮凝率为25%，COD的去除率只有45%。
实施例5
如图1所示，配置培养液。
种子培养液：NaH₂PO₄ 1.5g，KNO₃ 4g，CaCl₂ 0.07g，MgCl₂ 0.3g，FeSO₄·7H₂O 0.01g，MnSO₄ 0.004g，ZnCl₂ 0.008g，NaCl 30g，蔗糖 40g，H₂O 1000 mL，pH9.2，发酵培养液在种子培养液中添加30gNaCl，，将种子培养液加热121℃灭菌20分钟，向冷却至32℃的种子培养液内加入200μL平皿菌落液，在30 ℃发酵18h形成种子液，将啤酒糟用水洗涤两次，加入25mL发酵培养液，再加入5%的种子液，在28 ℃发酵72h，向发酵瓶中加入20mL的蒸馏水清洗两次啤酒糟，收集上清液，向发上清液内注入超过两倍体积的异戊醇，60℃抽真空干燥即得生物絮凝剂索拉胶粗品。
对太湖含藻水的絮凝处理：取太湖含藻水1000mL，1组加入5mL0.1%的本发明絮凝剂索拉胶和10mL0.1%聚合硫酸铁，2组加入10mL0.1%聚合硫酸铁，3组不加絮凝剂作空白对照，控制pH在8.0，充分摇匀后静置30分钟，用722型分光光度计在550nm处测定其上清液的光密度。如图4所示，经测定，对太湖含藻废水，本发明生物絮凝剂生物絮凝剂与聚合硫酸铁复合使用的絮凝率为98%，COD的去除率达86%；聚合硫酸铁的絮凝率为45%，COD的去除率达73%。
实施例6
如图1所示，配置培养液。
种子培养液：NaH₂PO₄ 1.25g，KNO₃ 4.5g，CaCl₂ 0.1g，MgCl₂ 0.25g，FeSO₄·7H₂O 0.01g，MnSO₄ 0.004g，ZnCl₂ 0.008g，蔗糖 50g，H₂O 1000 mL，pH10.0，发酵培养液在种子培养液中添加60gNaCl，将种子培养液加热121℃灭菌15分钟，向冷却至37℃的种子培养液内加入200μL平皿菌落液，在30 ℃发酵30h形成种子液，将啤酒糟用水洗涤两次，加入25mL发酵培养液，再加入15%的种子液，在28 ℃发酵48h，向发酵瓶中加入20mL的蒸馏水清洗两次啤酒糟，收集上清液，向发上清液内注入超过两倍体积的异戊醇，60℃抽真空干燥即得生物絮凝剂索拉胶粗品。
对太湖含藻水的絮凝处理：取太湖含藻水1000mL，1组加入10mL0.1%的本发明生物絮凝剂索拉胶和10mL0.1%聚合硫酸铁，2组加入10mL0.1%聚合硫酸铁，3组不加絮凝剂作空白对照，控制pH在7.0，充分摇匀后静置30分钟，用722型分光光度计在550nm处测定其上清液的光密度。如图4所示，经测定，对太湖含藻废水，本发明生物絮凝剂索拉胶与聚合硫酸铁复合使用的絮凝率为97%，COD的去除率达88%；聚合硫酸铁的絮凝率为45%，COD的去除率达73%。
由图5可见，高岭土的颗粒较小，沉降速度慢，加入聚合硫酸铁后，絮凝块略大，而本发明的生物絮凝剂索拉胶与聚合硫酸铁复合使用通过架桥作用产生的絮凝块大（d），沉降速度块，絮凝活性高。本发明的生物絮凝剂与聚合硫酸铁共同使用时，在pH4.0-12.0之间，对高浊、富养化江湖水絮凝率达90%以上，COD去除率在85%以上，凝聚速度相对聚合硫酸铁快。