EPS(胞外聚合物)性质综合分析

EPS性质分析报告【概述】胞外聚合物(EPS)是指附着在细菌表面或围绕在细菌周围,用于自我保护和相互粘附,并在饥饿环境下为细菌提供碳源和能量的有机物质,主要来源于细菌的分泌、细菌表面物质的脱落、细菌溶解以及对周围环境物质的吸附。PS（多糖）和PN（蛋白质）是EPS的主要组成成分,两者占EPS质量的70%～80%;以多种纯净物为基质时,PS是主要成分,而污水处理厂的活性污泥中PN是主要组成物质,在EPS中SEPS和BEPS的质量分数在0.6%～44.0%。EPS可分为紧密粘附EPS(TightlyboundEPS,TB)和松散附着EPS(LooselyboundEPS,LB)。TB位于内层,与细胞表面结合较紧,稳定地附着于细胞壁外,具有一定外形;LB位于TB外层,具有比较松散的结构,是可向周围环境扩展、无明显边缘的粘液层。EPS有着独特的空间结构和复杂的组成成分,其中BEPS（固着）和SEPS（溶解性）主要起到物质和能量交换、保护和维持作用以及改变混合液粘度等功能,而各种组成成分则能改变污泥的吸附絮凝性、正负电性以及亲疏水性等理化特性。镧固定处理黄色粘球菌后用透射电镜观察发现,EPS围绕在细菌周围并呈高电子密度的纤维网格状结构。用电镜对非磷酸合成异养菌进行的观察证实生物膜中的EPS是各种微生物产生的空间结构多样化的基质,并且相互间有明显的分隔界限。顾笑梅等证实Enterococcusdurans产胞外多糖EPS-I具五糖重复单元结构。【对生物膜形成的影响】生物膜是由细胞生物量和EPS组成的一种混合微生物群体,其中EPS是生物膜的主要成分,又是生物膜上微生物群体产生空间结构多样化的基质,因EPS而相互间存在明显的分隔界限。不同环境条件下形成的生物膜的化学组成不同,所以EPS的化学组成也存在一些差异。溶解态有机物生物膜EPS中PS的含量要高于胶体态有机物生物膜,PN含量的变化与胶体态有机物的水解过程相一致。研究表明,EPS的存在有利于细菌粘附聚集到载体表面形成生物膜,尤其是对细菌粘附到载体表面的初粘阶段;若EPS含量较少,细菌粘附到载体表面就会受到静电作用力的抑制,若EPS含量较多则会加强细菌的粘附和促进细菌间粘附,可见EPS是生物膜形成所必须的。【防止EPS的措施】一些研究者发现,粉末活性炭(PAC)可以减少料液中的EPS,并形成生物活性炭,改变膜表面的凝胶层结构,保持较高的膜通量。KIM等发现,从投加PAC的活性污泥上清液中萃取的EPS的含量比普通活性污泥的减少了50%。好氧颗粒污泥也可以很好地包裹粘附EPS,降低其在膜表面的吸附量。此外,还可以定期选用物理清洗或化学清洗来去除沉积在膜表面的EPS,提高膜通量。EPS是生物膜的重要组成部分,EPS的消除与生物膜的消除密不可分。生物膜的消除包括细菌的离散和EPS的崩解,两者的因果关系和具体的机制尚不清楚。目前相关的机制研究有酶假说、饥饿假说。变形链球菌NG8有一种外源性的表面释放蛋白酶,该酶能释放一种表面蛋白如粘附素P1参与生物膜的崩解[7,8]。伴放线放线杆菌能产生一种外源性由dspB编码的氮-乙酰基-葡糖基氨基酸酶亦即DspB,该酶能导致细菌的离散和基质栅栏结构的崩解[9]。生物膜微环境中氧压、pH值、温度、营养浓度等条件的变化可诱发伴放线放线杆菌的DspB产生。一种观点认为DspB底物是四型菌毛,因而影响伴放线放线杆菌的粘附和解聚集;另一种则认为DspB的底物是胞外多糖,多糖被DspB水解,从而多糖基质降解,细菌离散。DspB这一作用类似于铜绿假单胞菌的褐藻酸裂解酶,即通过胞外多糖解聚酶的方式崩解EPS。此外,E.coliK12生物膜EPS的成分Colanicacid对生物膜复杂的三维结构和厚度的形成必不可少。对生长期小于60h的生物膜,使用DNA1酶处理后,发生定植微生物的离散,说明胞外的DNA在生物膜形成的早期可能参与了结构的形成。通过酶的方法来控制EPS对移除或稳固生物膜可能是个好方法。饥饿假说认为铜绿假单胞菌生物膜中营养底物消耗,饥饿环境诱发了生物膜的崩解及细菌的离散。影响生物膜消除的因素有营养底物、pH值、流体剪切力、细菌间信号交流等。对格氏链球菌研究中发现痕量元素铜也能影响生物膜的崩解,机械法、化学法(如十二烷基硫酸钠)对消除生物膜有积极作用,此外有报道称电流即可诱导手术不锈钢器械上表皮葡萄球菌生物膜的崩解【EPS理化性质】细菌胞外聚合物表现出的以下一些物化性质是它被广泛应用的原因:物理性质(1)表面负电荷性。EPS中含有多种有机官能团,如羟基、羧基等,这些官能团在溶液中呈负电荷性。(2)吸附性。组成EPS的都是一些大分子物质,表面积很大,加上表面的各种极性和非极性基团,使EPS具有吸附的能力。(3)絮凝性。组成EPS的官能团分子量较大,在适宜条件下,一个分子可以同时与几个悬浮颗粒通过离子键、氢键的作用相结合,迅速形成网状结构而沉积,从而表现出絮凝能力。(4)亲水疏水性。蛋白质、腐殖酸、尿酸是EPS中的疏水性部分,而糖类则是亲水性的主要成分。此外,胞外聚合物对其所附着的生物膜具有很多功能,例如移动性、保护和维持作用化学性质：EPS可吸附金属、非金属、大分子物质,能与许多金属离子Cd2+,Cu2+,Cr2+,Pb2+螯合形成单价、双价、多价阳离子与EPS阴离子相结合的复合物。结合强度受离子大小/电荷的比值、EPS组成、物理状态、pH值、离子盐溶液等影响。pH低时,从结合状态释放离子,高pH时,离子被螯合。EPS中蛋白质和多糖上阴离子官能团,如羧基、磷酸基团、硫酸基团、甘油酸基团、丙酮酸基团、琥珀酸基团均可参与金属离子的螯合。凝胶状态的EPS比粘液状态的EPS对金属的粘附更强。另外紫外线能增加EPS中羧基的数量,而促进离子螯合。