微生物胞外聚合物的缓蚀、阻垢效应机理与应用研究

作     者：李雨桐 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王曙光;闫震

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：循环冷却水 聚谷氨酸 生物合成 胞外聚合物 缓蚀阻垢剂 

摘      要：随着工业的发展,水污染问题愈发严重,水资源短缺的问题日渐凸显。工业用水占城市用水的80%以上,其中循环冷却水是工业用水中最大的一部分。循环冷却水系统在运行过程中面临着腐蚀、结垢和微生物滋生等问题,不仅会对设备造成影响、引发安全事故,而且会导致水体污染。因此,有效解决循环冷却水系统所面临的问题,可以在很大程度上缓解目前所面临的水资源危机。投加具有缓蚀、阻垢和杀菌等功能的水处理剂是目前解决循环冷却水系统所面临问题的最佳方式。传统的水处理剂包括磷系、无机盐系、有机物类等,但在使用过程中存在对水体造成二次污染、有毒有害、成本较高等问题。因此,传统水处理剂已经不能满足环境要求,具有无毒无害、可生物降解等优势的“绿色水处理剂开始受到广泛关注,例如聚天冬氨酸和聚环氧琥珀酸。尽管如此,“绿色水处理剂的化工合成过程并不“绿色,存在能耗大、成本高、污染重等问题。因此,水处理剂的“绿色合成技术是目前亟待开展的研究。此外,近年来发现微生物分泌的胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)具有很好的缓蚀阻垢效能。EPS具有生物降解性强、生物吸附能力良好,不造成环境二次污染以及合成过程成本低等优势,满足作为绿色水处理剂的要求。但不同微生物的EPS的组成成分不同,缓蚀阻垢机理仍需进一步探究。本文研究的主要内容和结果如下:(1)部分芽孢杆菌分泌的胞外聚合物中含有聚谷氨酸(γ-PGA),是一种与聚天冬氨酸在结构上非常相似的物质,二者的单体只相差一个CH2。γ-PGA可以直接由芽孢杆菌合成,解决了聚天冬氨酸的合成过程不“绿色的问题。因此,在本文中采用芽孢杆菌进行Y-PGA的生产、鉴定和分子量的测定,并对产物进行阻垢和缓蚀性能的测定和机理的探究。结果表明,Bacillus megaterium OP-1和B.licheniformis ATC 11946 为谷氨酸非依赖型芽孢杆菌;其中,由B.licheniormis ATC 11946产的γ-PGA的分子量较低为15 kDa,而B.megaterium OP-1所产的γ-PGA为分子量较高为70kDa。此外,四株芽孢杆菌的产物均有一定的阻垢效果,并发现分子量是影响阻垢效果的关键因素,低分子量的γ-PGA阻垢效果更好;γ-PGA的阻垢机理主要是带负电荷的官能团,例如-OH、-COOH等,与Ca2+结合后阻止CaCO3的形成和生长,从而起到阻垢的效果。(2)低分子量的γ-PGA阻垢效果优异,但缓蚀效果并不好。在循环冷却水系统中,单一组分的水处理剂存在效率低、投加量大、成本高等问题。为了提升性能、降低成本和投加量,通常将不同功能的水处理剂进行复配使用。因此,在本文中将生物合成的低分子量的γ-PGA与已知的缓蚀剂咪唑啉、杀菌剂苄基二甲基十四烷基氯化铵(BDTAC)进行复配,为了提升缓蚀性能,将锌盐加入复配系统测试缓蚀和阻垢性能,得到最佳浓度配比。结果表明,聚谷氨酸、咪唑啉、BDTAC和锌盐的浓度分别为30mg/L、40mg/L、100 mg/L、4 mg/L时效果最好;加入缓蚀剂和杀菌剂后,对聚谷氨酸的阻垢性能没有很大的影响;BDTAC除了优异的杀菌性能,还具有一定的缓蚀效果;锌盐与聚谷氨酸、咪唑啉有很好的协同效应,极大的提升了复合水处理剂的缓蚀性能。(3)为了探究不同菌株分泌EPS的缓蚀阻垢机理,本文选用一种革兰氏阴性菌(Pseudomonasputida)和一种革兰氏阳性菌(B.megaterium),对它们的可溶性胞外聚合物(Soluble-EPS,s-EPS)进行缓蚀和阻垢性能的研究,同时比较两种s-EPS的缓蚀和阻垢机理,探究胞外聚合物的主要作用物质及机理。结果表明,首先,P.putida的s-EPS(s-EPS-P.putida)的缓蚀和阻垢性能均优于 B.megaterium的s-EPS(s-EPS-B.megaterium)。其次,s-EPS-P.putida中的腐殖质物质和碳水化合物分别在阻垢和缓蚀中起主要作用,而s-EPS-B.megaterium中的蛋白质样物质是起主要作用的物质;腐殖质物质的结合能力优于蛋白质样物质使s-EPS-P.putida的阻垢性能更优越;碳水化合物相比于其他物质可以与Fe3+表现出最大稳定常数并形成络合物,在碳钢表面形成一层致密的保护膜,从而使碳钢免受腐蚀离子的侵蚀。最后,s-EPS的阻垢机理主要是复杂的组成成分使它含有丰富的官能团,可以结合到CaCO3晶体形成的活性位点上,从而阻止晶体的形成与生长;缓蚀机理是s-EPS与碳钢表面的金属离子结合在表面形成致密的保护膜,以防止A3碳钢的腐蚀。