廢水處理微生物胞外聚合物成分及表面特性.pdf

1、在廢水生物處理系統(tǒng)中，微生物胞外聚合物(EPS)在促進(jìn)微生物細(xì)胞聚集、加快生物膜形成、維持聚集體結(jié)構(gòu)、污染物的去除以及抵抗沖擊負(fù)荷等方面發(fā)揮著重要作用。EPS包裹在微生物細(xì)胞表面，改變了細(xì)胞的表面性質(zhì)，從而影響了細(xì)胞的粘附和聚集，以及污染物的吸附與傳質(zhì)過(guò)程。由于EPS成分復(fù)雜，性質(zhì)多變，且其在微生物粘附與聚集以及污染物結(jié)合的表面作用過(guò)程尚不十分清楚。為了鑒定 EPS的成分以推斷其功能，促進(jìn)生物膜快速形成、維持反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定以及污染物的去

2、除，本研究分離和鑒定了 EPS中的胞外蛋白和多糖；進(jìn)一步研究了不同聚集形態(tài)微生物 EPS的成分與聚集體結(jié)構(gòu)、表面特性和功能的關(guān)系；最后對(duì)EPS的表面特性和功能開(kāi)展了深入研究：研究了EPS在不同表面的附著動(dòng)力學(xué)及其影響因素；探討了 EPS與重金屬和納米顆粒的微觀作用過(guò)程。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　為研究EPS的主要成分信息和功能，本工作提取和分離了城市污水廠中厭氧、缺氧和好氧池污泥 EPS中的蛋白質(zhì)和多糖。鼠李糖、木糖、甘露糖和

3、葡萄糖廣泛存在于污水廠厭氧、缺氧和好氧污泥的胞外多糖中。使用shotgun法鑒定了分離的胞外蛋白，結(jié)果厭氧、缺氧和好氧污泥樣品中分別有130、108和114種蛋白成功分類。約60％的蛋白質(zhì)來(lái)源細(xì)胞和細(xì)胞部分，且其主要分子功能為催化活性和結(jié)合活性。這表明活性污泥中胞外蛋白的主要作用是結(jié)合多價(jià)陽(yáng)離子和有機(jī)分子，以及催化和降解。相比缺氧和好氧污泥樣品，厭氧污泥中含有更多的催化活性蛋白。厭氧污泥和好氧污泥的結(jié)果差異可能與催化活性蛋白有關(guān)。

4、>　　對(duì)比研究了生物膜和懸浮污泥的形貌、微生物群落、胞外蛋白、多糖和表面特性的差異，以闡釋 EPS與聚集體結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系。結(jié)果表明，相比生物膜，反硝化主要發(fā)生在懸浮污泥。生物膜中存在一種能夠促進(jìn)粘附的胞外蛋白。相比之下，懸浮污泥中存在更多的與催化活性有關(guān)的胞外蛋白，從而降低了聚集體的密實(shí)度，并為異養(yǎng)菌提供了碳源。并且兩種聚集體胞外多糖中單糖的組分也不同。隨著各組分EPS的去除，兩種聚集體的zeta電位升高且更疏水。溶解型EPS和松散結(jié)

5、合型EPS(LB-EPS)同時(shí)存在時(shí)，懸浮污泥樣品的聚集度提高了23%，而對(duì)生物膜無(wú)明顯影響。LB-EPS和緊密結(jié)合型EPS(TB-EPS)對(duì)懸浮污泥樣品的聚集度分別貢獻(xiàn)了16%和30%，而對(duì)生物膜細(xì)胞的聚集沒(méi)有促進(jìn)作用。這表明，懸浮污泥細(xì)胞聚集依賴于EPS，而生物膜細(xì)胞本身具有較強(qiáng)的聚集能力，這與生物膜細(xì)胞表面存在的粘附蛋白有關(guān)。
　　為了研究 EPS在不同表面的附著行為，促進(jìn)反應(yīng)器中微生物在表面最初的粘附以及生物膜的形成，本工

6、作制備了4個(gè)末端官能團(tuán)為甲基(CH3-SAM)、氨基(NH2-SAM)、羥基(OH-SAM)和羧基(COOH-SAM)的自組裝單分子層來(lái)模擬不同的有機(jī)表面(SAMs)，結(jié)合表面等離子體共振來(lái)研究 TB-EPS和細(xì)菌細(xì)胞在模擬表面的附著/粘附動(dòng)力學(xué)。結(jié)果表明，細(xì)菌粘附和 TB-EPS附著-脫附速率依賴于表面性質(zhì)。CH3-SAM和NH2-SAM表面促進(jìn)細(xì)胞粘附，而TB-EPS在CH3-SAM表面的附著速率最大。中性且親水的表面(OH-SAM

7、)得到了最低的細(xì)菌粘附量和最低的 TB-EPS附著親和力。這些結(jié)果表明了疏水表面比親水表面更有利于細(xì)胞固定和TB-EPS沉積。本工作同時(shí)研究了不同pH和外加陽(yáng)離子條件下，TB-EPS在CH3-SAM, NH2-SAM, OH-SAM,和COOH-SAM表面的附著行為。結(jié)果表明，隨著pH的升高， TB-EPS的附著量急劇下降。相同條件下，TB-EPS在 CH3-SAM表面的附著量最大。Na+促進(jìn)TB-EPS附著在COOH-SAM表面，而C

8、a2+及其與TB-EPS的復(fù)合體分別被COOH-SAM吸引和NH2-SAM排斥。加入Fe3+后，TB-EPS在4個(gè)表面的附著量均顯著升高。這些結(jié)果證明TB-EPS附著在不同有機(jī)表面依賴于溶液pH和陽(yáng)離子。
　　為研究 EPS在抵抗有毒有害污染物（重金屬和納米顆粒）對(duì)微生物細(xì)胞影響中的微觀表面作用過(guò)程，本工作首先研究了 EPS在重金屬對(duì)細(xì)菌聚集過(guò)程影響中的作用，使用表面等離子體共振儀測(cè)定了重金屬在保留了EPS和去除了EPS的細(xì)胞表面

9、的結(jié)合動(dòng)力學(xué)和親和力，使用圓二色光譜和紅外光譜測(cè)定了重金屬在 EPS和細(xì)胞表面的結(jié)合構(gòu)象。結(jié)果顯示 EPS包裹在細(xì)胞表面削減了重金屬對(duì)細(xì)菌聚集的影響，而去除了 EPS后，Pb2+比 Cd2+對(duì)細(xì)菌聚集沉降具有更強(qiáng)的抑制作用。拉曼光譜和紅外光譜證明，EPS中含有大量的磷酸化大分子和多糖類物質(zhì)。保留了EPS的細(xì)胞表面對(duì)各重金屬的結(jié)合動(dòng)力學(xué)行為類似。而去除了EPS細(xì)胞表面對(duì)重金屬的親和具有高度差異性，其對(duì)Pb2+具有很強(qiáng)的親和性。紅外光譜表明

10、，保留了EPS的細(xì)胞表面主要是磷酸基和羧基結(jié)合重金屬，而去除了EPS后，重金屬將改變細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，本工作研究了 NP對(duì)保留了 EPS和去除了EPS的細(xì)菌細(xì)胞的表面電性、潤(rùn)濕性和聚集沉降特性。使用表面等離子體共振儀觀察保留了EPS和去除了EPS的細(xì)菌細(xì)胞與TiO2 NP作用后在疏水和親水表面的粘附特性，使用紅外光譜測(cè)定了TiO2 NP與細(xì)胞表面的結(jié)合特征。結(jié)果表明，TiO2 NP對(duì)EPS包裹的細(xì)胞表面的zeta電位和疏水