Fe2Mn2对生物膜载体表面改性对微生物的活性及胞外多聚物的影响

云南民族大学学报：自然科学版，２０１８，２７（１）：２２－２６ＣＮ５３－１１９２／Ｎ　ＩＳＳＮ１６７２－８５１３ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－８５１３．２０１８．０１．００５ｈｔｔｐ：／／ｘｂｙｎｎｉｅｄｕｃｎ收稿日期：２０１７－１０－２０．基金项目：云南省科技厅应用基础研究项目（２０１６ＦＤ０５９，２０１７ＦＤ１２１）；云南省教育厅科学研究重点项目（２０１５Ｚ１１８，２０１７２ＺＸ１６０）；云南省人培项目（ＫＫＳＹ２０１５０８１２）．作者简介：季四平（１９８５－），男，博士研究生，讲师．主要研究方向：环境污染控制．Ｆｅ２＋、Ｍｎ２＋对生物膜载体表面改性对微生物的活性及胞外多聚物的影响季四平１，２，钏永明２，胡学伟３，王世雄１，谢琦莹１，杨项军１，高利斌２１．云南大学化学科学与工程学院，云南昆明６５００９１；２．云南民族大学化学与环境学院，云南昆明６５０５００；３．昆明理工大学环境科学与工程学院，云南昆明６５０５００摘要：采用ＦｅＣｌ２和ＭｎＳＯ４溶液对生物膜载体进行改性，并使用扫描电镜（ＳＥＭ）和Ｘ线光电子能谱（ＸＰＳ）考察改性方法对载体和生物膜的影响．研究表明，Ｆｅ２＋、Ｍｎ２＋改性均能使载体表面形成腐蚀坑，增加表面粗糙度；载体改性有助于生物膜对Ｍｇ、Ｃａ等营养元素的吸收；并可有效增加生物膜的含量，其胞外多聚物（ＥＰＳ）分别增加了２．０２倍和２．９５倍．关键词：生物膜；载体；表面改性；胞外多聚物中图分类号：Ｘ７０３；ＴＱ０２８８文献标志码：Ａ文章编号：１６７２－８５１３（２０１８）０１－００２２－０５　　生物膜法具有微生态系统复杂、容积负荷高和抗毒性冲击能力强，在目前废水处理领域获得了广泛应用［１］．生物膜的载体表面性质对生物膜的形成及生化活性起着重要作用．微生物细胞表面的胞外多聚物（ＥＰＳ），有助于增强微生物细胞对外界环境的抵抗力，也影响生物膜生态系统的稳定［２－３］．生物膜载体的材质组成和表面性能，直接影响载体挂膜的难易，以及生物膜微生物的附着、生长、繁殖、活性［２］，决定着载体表面的生物量、生物膜的组成、生物膜的稳定性［３］．生物膜法常用的载体材料存在挂膜速度慢、生物膜微生物活性差、载体结构强度差等问题［４］，通常可以通过对载体表面进行改性来解决．常用的生物膜载体表面改性的方法主要有化学法和物理法．化学改性主要是在材料表面发生化学反应的改性技术，主要分为表面亲水化和表面带电性法．物理改性主要是用物理方法使材料表面改性，包括机械法、超声波法、表面涂覆法以及原子力显微探针法［５］．铁、锰元素对微生物的酶活性具有重要影响，Ｆｅ２＋带有正电荷，是许多生物酶活性的辅助因子，在细胞呼吸和生物酶系统的电子传递中起着关键作用［６］；Ｍｎ２＋带有正电荷，能够刺激生物膜分泌更多的紧密粘附型ＥＰＳ（ＴＢ－ＥＰＳ），从而加速生物膜的成熟［７］．因此，本研究采用Ｆｅ２＋和Ｍｎ２＋来对生物膜载体进行改性，以求增强带负电荷的细菌与载体界面的静电作用，并促进生物膜微生物的生长，加速生物膜的形成和成熟．本实验采用ＦｅＣｌ２和ＭｎＳＯ４浸泡，对钢板载体表面进行改性，研究改性方法对生物膜载体理化性质的影响，以及生物膜微生物的生化活性与胞外多聚物成分组成变化规律．１　材料与方法１．１　改性载体的制备本次试验中使用的钢板载体，将其裁剪为１５０ｍｍ×１５０ｍｍ的方块．Ｆｅ２＋、Ｍｎ２＋改性：将载体材料分别在１ｍｏｌ／Ｌ的ＦｅＣｌ２溶液和１ｍｏｌ／Ｌ的ＭｎＳＯ４溶液中浸泡２４ｈ，取出后用清水洗净载体表面附着的改性溶液，并用去离子水润洗，自然晾干后用于挂膜．１．２　试验装置及运行方法三组试验分别在自制固定床生物膜反应器运行．反应器主体由有机玻璃制成，直径２０ｃｍ，高５０ｃｍ，有效容积８Ｌ［８］．反应Ｒ１、Ｒ２和Ｒ３分别用未经改性、Ｆｅ２＋改性和Ｍｎ２＋改性的载体．载体垂直固定在有机玻璃架上，然后水平放置于反应器中．系统均采用砂芯曝气头进行曝气，空气流量计调节曝气量．反应器运行：温度（２２．０±２．７）℃，溶解氧控制在（４．７±１．１）ｍｇ／Ｌ，ｐＨ７．１０±０．７０．文中用快速排泥法对载体进行挂膜［９］．反应器运行周期：进水０．１ｈ，曝气１．５ｈ，停曝０．５ｈ，循环２３．５ｈ，沉淀０．３ｈ，出水０．１ｈ．试验采用人工配置的模拟水，进水水质如表１．表１　人工模拟营养液组分物质蔗糖ＭｇＳＯ４ＣａＣｌ２ＮＨ４ＣｌＫ２ＨＰＯ４质量浓度／（ｍｇ·Ｌ－１）２００４３７５０８７５６０２０２５１．３　分析方法ＥＰＳ提取采用ＮａＯＨ提取法［１０］．将培养成熟的生物膜从载体表面刮至准备好的锥形瓶中，加入１ｍｏｌ／ＬＮａＯＨ溶液２０ｍＬ，然后放入转速为１５０ｒ／ｍｉｎ摇床，在温度为４℃条件下振荡３ｈ．振荡结束后将样品倒入离心管中并加入３０ｍＬ生理盐水（０．８５％ＮａＣｌ），在４℃，７２００ｒ／ｍｉｎ条件下离心２０ｍｉｎ．将上清液用０．４５μｍ的滤膜过滤，即可测定滤液中蛋白质和多糖的含量．蛋白质含量测定采用改进的Ｌｏｗｒｙ法，以牛血清白蛋白（上海源叶生物科技有限公司）作为标准物质，多糖含量测定用苯酚－硫酸法，以葡萄糖作为标准物质．以蛋白质含量和多糖含量之和作为ＥＰＳ的含量．２　实验结果及讨论２．１　Ｆｅ２＋和Ｍｎ２＋改性对载体上生物膜胞外多聚物组分的影响生物膜是由无数附着在各种载体上的微生物群落组成［１１］．在多数生物膜中，微生物细胞占生物膜干重比例很少，而其ＥＰＳ几乎占细胞干重的９０％以上［１２］．ＥＰＳ是构成生物膜结构的关键因子，不仅能增强生物膜对外界环境的抵抗能力还能影响生物膜的稳定性［１３］．图１显示了生物膜生长成熟后ＥＰＳ及其组分Ｆｅ２＋和Ｍｎ２＋含量．由图可知，相较于无改性载体，改性载体的ＥＰＳ分别增加了２．０２和２．９５倍，表明生物膜载体表面改性可显著提高生物膜的生物量，其中蛋白质和多糖分别增加了２．１１、３．０３倍和１．６３、２．５５倍．生物膜内蛋白质和多糖的含量可以间接表明生物膜的生化活性，蛋白质和多糖的含量越高，生物膜活性越高［１４］．经过改性后的载体表面生物膜的生物活性也明显高于改性前．改性后生物膜的蛋白质和多糖的比值（ＰＮ／ＰＳ）也有所上升，研究认为当体系中存在Ｆｅ２＋、Ｍｎ２＋时，能促进蛋白质的分泌．２．２　ＳＥＭ分析图２为载体改性前后的ＳＥＭ图像（３０００倍）．由图可知，经Ｆｅ２＋和Ｍｎ２＋的化学改性后，载体表面粗糙度明显增加，呈现出较多形状不规则的腐蚀微孔．表面粗糙度能增加细胞与界面的接触面积，增加细胞初始粘附和生物膜的快速附着形成；同时，表面粗糙度的增加可以减少液体流动相生物膜中细菌细胞所承受的水力剪切力，大大减少生物膜微生物受到的冲刷及剥落作用［１５－１６］．因此，改性对载体表面所形成微孔结构，有利于生物膜－载体的界面粘结强度的提高［１７］．２．３　Ｆｅ２＋、Ｍｎ２＋改性对载体生物膜元素的影响２．３．１　Ｆｅ２＋对载体上生物膜元素的影响由图４可知，经Ｆｅ２＋改性前后，铁的ＸＰＳ峰谱中出现新的特征峰，且面积有所增大．主要原因，是生物膜载体浸泡在ＦｅＣｌ２溶液中进行改性过程中，引入了Ｆｅ元素，特征峰面积增大生物膜内Ｆｅ元素含量增加；同时，Ｆｅ２＋与载体表面物质反应，结合环境发生变化，出现的新的特征峰．改性后在７１１．２、７２０．８ｅＶ处形成的峰３２第１期　　季四平，钏永明，胡学伟，等：Ｆｅ２＋、Ｍｎ２＋对生物膜载体表面改性对微生物的活性及胞外多聚物的影响是Ｆｅ原子２ｐ轨道电子跃迁所得的特征峰，证明载体表面Ｆｅ元素绝大多数以Ｆｅ２Ｏ３的形式存在［１８］．Ｆｅ是微生物必须的营养元素，Ｆｅ２＋和Ｆｅ３＋是许多生物酶活性的辅助因子，是微生物细胞色素亚卟啉和含铁氧化还原素以及电子传递的基础，在细胞呼吸和生物膜酶系统的电子传递中起着重要作用［１９］．静电力是细胞和载体界面发生相互粘附过程中最先产生的相互作用．由于大部分细菌带负电荷，极易与带正电的载体界面相结合，故界面带正电荷载体有利于生物膜的形成．因此，带有正电荷的Ｆｅ２＋改性载体表面，微生物会利用载体表面附着的Ｆｅ２＋合成所需要的物质，并提高生物膜的附着力，有助于促进微生物形成沉降性能好、结构较密实的凝聚体，有利于提高生物膜的稳定性．４２云南民族大学学报（自然科学版）　　　　　　　　　　　　　　　　第２７卷２．３．２　Ｍｎ２＋对载体上生物膜元素的影响由图４可知，谱图中锰的特征峰面积增大．改性后在６４１．６、６４８．８ｅＶ形成的峰，可判断载体表面Ｍｎ元素主要以ＭｎＯ２的形式存在［２０］．将载体浸泡在ＭｎＳＯ４溶液中进行改性后，引入Ｍｎ元素，使载体表面附着了一层Ｍｎ２＋，形成正电荷层，有利于微生物富集其表面．Ｍｎ元素是超氧化物歧化酶、丙酮酸羧化酶、精氨酸等的辅助因子，是腺嘌呤核苷酸酶和一些水解酶的激活剂，对脱氢酶活性具有促进作用，是微生物新陈代谢过程中不可或缺的微量元素［１９］．Ｍｎ元素特征峰面积的增大，表明生物膜内Ｍｎ元素含量增加．因此，在改性后载体表面培养形成生物膜，微生物可能会充分利用材料表面附着的Ｍｎ２＋合成所需要的组成物质，进而促进微生物的生长．２．４　改性对生物膜中元素含量的影响表２所示为生物膜载体改性前后培养的生物膜中部分元素含量的变化．由表２可知，经Ｆｅ２＋、Ｍｎ２＋改性后的载体表面附着的生物膜中Ｃａ和Ｍｇ的所占比例增大，说明这两种元素在生物膜中的含量相较于未改性前有所增加．Ｃａ、Ｍｇ作为微生物酶的激活剂，其含量增加有利于促进微生物的生长．表２　生物膜载体改性前后生物膜中元素含量变化％元素Ｃ１ｓＭｇ２ｓＣａ２ｐＦｅ２ｐ３Ｍｎ２ｐ３改性前９６．６６２．８７０．０４＜０．１０．４２Ｆｅ２＋改性９２．２５５．７９０．５２１．４２０．０２Ｍｎ２＋改性９２．９６５．２７０．２３＜０．１１．５４由此可知，经过Ｆｅ２＋和Ｍｎ２＋改性后的载体，附着其表面的微生物不仅能够利用载体表面附着的Ｆｅ２＋和Ｍｎ２＋为自身代谢所用，还能促进对营养液中Ｃａ２＋和Ｍｇ２＋的吸收．值得注意的是，Ｆｅ２＋改性后的载体对生物膜中的Ｃａ２＋吸收能力（０．５２％）是Ｍｎ２＋改性后载体的２倍多（０．２３％），两者对Ｍｇ２＋吸收的促进能力差不多．３　结语通过采用Ｆｅ２＋、Ｍｎ２＋对生物膜载体表面改性后，可有效提高载体表面的粗糙度，从而提高载体界面与生物膜的粘结强度．生物膜胞外多聚物含量分别增加了２．０２倍和２．９５倍，表明改性载体优于未改性载体，改性载体表面附着的生物膜活性更高．载体表面形成正电荷层，有利于微生物的附着进程．改性载体表面的Ｆｅ和Ｍｎ为微生物代谢所用，可提高微生物多种酶的活性，并可促进微生物对营养液中Ｃａ２＋和Ｍｇ２＋的吸收．参考文献：［１］ＫＡＲＡＤＡＧＤ，Ｋ?ＲＯＬＵＯＥ，ＯＺＫＡＹＡＢ，ｅｔａｌ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｎａｎａｅｒｏｂｉｃｂｉｏｆｉｌｍｒｅａｃｔｏｒｓｆｏｒｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｄａｉｒｙｉｎｄｕｓｔｒｙｗａｓｔｅｗａｔｅｒ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｓｓＢｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ．２０１４，５０：２６２－７１．［２］海景，温勇，皮丕辉，等．营养缓释型生物填料的制备及在废水处理中的应用［Ｊ］．中山大学学报（自然科学版），２００８，４７：６８－７２．［３］张波，吴春笃，李海燕，等．不同营养配比下生物膜特性的试验研究［Ｊ］．水处理技术，２００８，３４：４７－４９．［４］范福洲，康勇，孔琦，等．废水处理用生物膜载体研究进展［Ｊ］．化工进展，２００５，２４：１３３１－１３３５．［５］ＰＡＲＫＥＲＧ．Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓ：ｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＭｅｔａｌｓＲｅｖｉｅｗｓ，２００１，３１：２８９－９０．［６］ＨＵＸ，ＣＨＥＮＫ，ＬＡＩＸ，ｅｔａｌ．ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＦｅ（Ⅲ）ｏｎｂｉｏｆｉｌｍａｎｄｉｔｓｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒｐｏｌｙｍｅｒｉｃｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ（ＥＰＳ）ｉｎｆｉｘｅｄｂｅｄｂｉｏｆｉｌｍｒｅａｃｔｏｒｓ［Ｊ］．ＷａｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１６，７３．［７］陈凯，