废水处理系统中生物聚集体胞外多聚物研究进展

应用与环境生物学报ChinJApplEnvironBiol2012，18(2):338~3432012-04-25DOI:10.3724/SP.J.1145.2012.00338胞外多聚物（Extracellularpolymericsubstances，EPS）是指特定环境下细菌代谢分泌出的、包裹在细胞壁外的高分子聚合物，通常可协助细胞吸附并摄取可溶性养分，降低对噬菌体的敏感性，还能作为媒介促进细胞间的协作与信号传导[1].大量研究表明，EPS在微生物聚集体中广泛存在，其作为微生物细胞最直接接触的微生境，被许多研究者形象地称为“细胞的小房子”[2]，并在食品、医药、矿物加工等行业得到广泛应用[3~4].近年来，环境领域研究者陆续发现EPS作为污泥絮体、生物膜、颗粒污泥等生物聚集体的重要组成部分，在生物聚废水处理系统中生物聚集体胞外多聚物研究进展*俞言文1朱亮1**戚韩英1徐向阳1,2,3田志娟1（1浙江大学环境工程系杭州310058）（2浙江大学-西澳大学水环境综合管理与保护联合研究中心杭州310058）（3农业部面源污染控制重点开放实验室杭州310058）摘要胞外多聚物（Extracellularpolymericsubstances，EPS）是废水生物处理系统中生物聚集体（包括絮体污泥、生物膜、颗粒污泥等）的重要组成部分，直接包裹于微生物细胞壁外，其理化性质及所处的特殊位置决定了它在生物聚集体中的重要作用.综述了EPS对废水生物处理系统污泥沉降性能、脱水性以及膜生物反应器膜污染影响的相关研究，分析认为EPS组成与结构特性改变污泥表面电位、疏水性等，进而影响污泥沉降与脱水性能、膜污染程度；以好氧颗粒污泥为典型的生物聚集体代表，总结了EPS组分含量与分布对颗粒污泥的形成与结构稳定性的影响，并在EPS提取方法标准化、现代理化技术与分子生物学技术综合分析等方面进行了展望，进一步的研究有望揭示生物絮凝体形成过程EPS的产生与调控机制.表1参48关键词胞外多聚物；生物聚集体；颗粒污泥；废水生物处理；膜生物反应器CLCX172:X703AdvancesinExtracellularPolymericSubstancesofBio-aggregatesinBiologicalWastewaterTreatmentSystem*YUYanwen1,ZHULiang1**,QIHanying1,XUXiangyang1,2,3&TIANZhijuan1(1DepartmentofEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)(2ZJU-UWAJointCentreinIntegratedWaterManagementandProtection,Hangzhou310058,China)(3KeyLaboratoryofNon-pointSourcePollutionControl,MinistryofAgriculture,Hangzhou310058,China)AbstractExtracellularpolymericsubstances(EPS)arethekeycomponentofbio-aggregates,suchasactivatedsludge,biofilmandgranularsludge.Theyplayanimportantroleinthebio-aggregatesbecauseoftheirphysic-chemicalcharacteristicsandspecialsituationofdirectlywrappingonthecellwall.TheeffectsofEPSonthesettleabilityanddewaterabilityofbio-aggregatesandmembranepollutioninmembranebio-reactor(MBR)arereviewedinthispaper.ItisconcludedthatthecompositionandstructureofEPSaffectthesettlinganddewateringcharacteristicsofbio-aggregatesandthemembranepollutioninMBRviachangingthesludgesurfacepotentialandhydrophobic.Atthesametime,theroleofEPSinthesludgegranulationisemphasizedthatthecomponentsanddistributionofEPSalsoinfluencetheformationandstructuralstabilityofgranularsludge.Finally,thefutureresearchesconcerningEPS,suchasextractionmethodstandardizationandincorporationofthephysicochemicalanalysismethodandmolecularbiotechnology,areprospected,showingpromiseinrevealingtheEPSproductionandregulatorymechanismduringtheformationofbio-aggregates.Tab1,Ref48Keywordsextracellularpolymericsubstances(EPS);bio-aggregates;granularsludge;biologicalwastewatertreatment;membranebio-reactor(MBR)CLCX172:X703收稿日期：2011-03-14接受日期：2011-04-02*国家自然科学基金项目（Nos.51078327，51008269，30470039）和浙江省科技厅重大科技专项重点项目（No.2008C13007-2）资助SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(Nos.51078327,51008269,30470039),andtheScienceandTechnologyKeyProjectofZhejiang,China(No.2008C13007-2)**通讯作者Correspondingauthor(E-mail:[e-mail])33918卷2期俞言文等应用与环境生物学报集体的形成与结构稳定过程中起到关键作用，有关EPS的研究业已成为废水生物处理领域的研究热点[2,5].本文简介了EPS的组成与结构特性，综述了EPS对生物聚集体形成、污泥沉降与脱水性能、膜生物反应器膜污染等的影响，尤其强调了其在污泥颗粒化过程中的作用.1EPS��������������EPS通常由胞外蛋白质（Extracellularprotein，PN）、胞外多糖（Extracellularpolysaccharide，PS）、DNA、脂类、腐殖酸、糖醛酸、氨基酸以及一些无机成分组成，各组分含量及比例与微生物种类、体系基质种类与负荷、水力剪切条件等工艺参数密切相关[5~9].多数研究表明，污泥EPS组分以PN、PS为主，其含量占污泥EPS总TOC的75%~89%[10~11].由于生物聚集体的组成较为复杂，目前EPS提取方法未能标准化，常见的提取方法有：超声提取法、离子树脂提取法、热提取法、甲酰胺-氢氧化钠化学提取法等，但不同EPS提取方法所获得的EPS及其组成含量存在明显差异[12].在EPS的结构研究方面，多数学者认为EPS呈流变性双层结构，分为紧密附着型EPS（TightlyBoundEPS，TB-EPS）和松散附着型EPS（LooselyBoundEPS，LB-EPS）；其中，TB-EPS与细胞结合紧密，相对稳定地附着于细胞壁外；而LB-EPS为可向周围扩散的无明显边缘粘液层，结构疏松，密度小，具有一定流动性[13].若将污泥絮体看作一个胶体颗粒，TB-EPS和LB-EPS则如同胶体颗粒的双电层结构，MLB-EPS/MTB-EPS的增大相当于扩散层的厚度增大，导致Zeta电位增加.有研究表明，细胞对数生长期分泌的低分子聚合物与细胞结合不紧密，属LB-EPS；而减速生长期及内源代谢期分泌出的高分子聚合物则与细胞结合紧密，属TB-EPS[14].此外，也有研究者将EPS分为附着型EPS（BoundEPS）和溶解型EPS（SolubleEPS），认为附着于细胞壁上的附着型EPS对生物聚集体的形成具有重要作用，而为可溶性微生物产物（Solublemicrobialproducts，SMP）的溶解型EPS则以胶体或溶解状态存在于液相主体、对出水水质影响较大[15].随着理化分析技术的不断发展，对EPS组成及形态结构的研究不断深入.Neu等利用双光子共聚焦显微（2P-LSM）技术分析生物膜形成过程EPS结构动态变化，发现生物膜形成初期杆状菌、丝状菌周围包裹着纤维素、海藻酸、海藻酸钠、葡聚糖、黄原胶及结冷胶等糖结合物，推测EPS糖苷键与丝状菌体共同构成了生物膜骨架[16].Ni等运用三维荧光光谱（3D-EEM）、凝胶渗透色谱法（GPC）等分析活性污泥EPS，发现75%EPS的相对分子质量（Mr）在300×103~250×103[17].为了解不同EPS组分在颗粒污泥内部的分布，研究者运用CLSM、原位荧光染色等技术，在污泥EPS组分定位定量分布方面取得较大突破[12,15-17]，如Adav等研究发现蛋白质、死细胞、β-多糖分布在整个降解苯酚颗粒污泥内部，脂质、活细胞、α-多糖则分布在颗粒外层[12]；Chen等[研究发现α、β-D-吡喃葡萄糖和细胞构成颗粒污泥外层，而蛋白质构成了密实的核心区域18].众所周知，不同环境因素与操作条件影响微生物菌群结构、生理生化特性及其代谢途径，进而导致生物聚集体EPS的化学组分及结构变化[1].先进理化分析方法和分子生物学技术的不断发展和应用将有助于明晰EPS组分及其在生物聚集体中的作用.2EPS�生物聚集体中����生物聚集体中���近年来，国内外学者对废水生物处理系统中生物聚集体EPS的组成形态及其对生物聚集体形成、污泥沉降与脱水性能、MBR膜污染的影响开展了大量研究，证实了EPS作为生物聚集体的主要组分作用显著[18~21].2.1EPS�生物聚集体������生物聚集体�����活性污泥法应用伊始，研究者就从细菌表面能、细胞壁蛋白絮凝等角度探讨了污泥絮体的形成机理.近年来，陆续有学者从细胞表面疏水性、表面电荷等方面开展EPS对污泥絮凝性的影响研究，提出了被普遍接受的胞外聚合物吸附架桥学说，即细菌之间由EPS搭桥相连，紧密聚集形成生物聚集体[1,5,12].相关研究进展见表1.由表1可知，研究者普遍从细胞表面疏水性、表面电荷、结合位点等角度研究EPS对生物聚集体形成及其结构稳定性的影响，但研究结果存在明显分歧，争议主要集中在EPS主组分——PS和PN.McSwain等认为EPS中存在大量的脂类、蛋白质、腐殖酸及核酸等疏水性物质，增加了细胞表面疏水性，促进微生物聚集[10]，而PN作为其中含量最高的组分被证实与细胞表面疏水性正相关[5,10,21,23]；而PS素有“生物胶”之称，Adav等研究认为PS含有大量羧基等带负电荷的官能团，通过阳离子架桥作用吸附有机和无机物质形成交叉网状结构，利于细菌相互黏附形成菌胶团[12].Wang等则研究发现可提取EPS组分以及蛋白/多糖比是调控絮体结构稳定的关键因子[24].尽管目前因提取及分析手段限制，EPS各组分对微生物絮凝作用的贡