废水生物处理过程中微生物胞外聚合物与污染物的分子间相互作用林治岐

废水生物处理过程中微生物胞外聚合物与污染物的分子间相互作用林治岐,张信,邵尉,盛国平*中国科学技术大学化学与材料科学学院,中国科学院城市污染物转化重点实验室,合肥230026*通讯作者,E-mail:[e-mail]收稿日期:2018-03-30;接受日期:2018-05-30;网络版发表日期:2018-08-09国家自然科学基金(编号:51738012)和中国科学院前沿科学重点研究项目(编号:QYZDB-SSW-DQC020)资助项目摘要生物处理是废水处理的主要技术手段,其中微生物在新陈代谢过程中会分泌一种复杂的高分子混合物——胞外聚合物(EPS),覆盖在微生物表面,它们是影响微生物表面特性的关键物质,在水体环境和废水处理系统中对污染物的迁移转化和去除起着至关重要的作用.研究结果表明,EPS能够利用其丰富的官能团吸附水体中的重金属和有机污染物,还可以通过氢键与氮、磷等营养元素发生相互作用.另外EPS具有一定的氧化还原特性,可以通过氧化还原反应改变污染物的存在形式.因此EPS在废水生物处理过程中具有重要的作用,可以影响重金属和有机污染物在废水生物处理过程中的去除和转化.发展高灵敏的分析方法,深入研究和理解EPS与不同污染物的分子间相互作用,对于阐明不同污染物在废水生物处理过程中的去除机制具有重要的指导意义.关键词微生物胞外聚合物,重金属离子,有机污染物,相互作用,吸附/还原机制1引言随着社会经济的不断发展,水污染问题带来的用水困难凸显,如何高效地处理废水获得了越来越多的关注和重视.生物处理已经成为废水处理的重要途径之一,废水处理系统中的微生物在新陈代谢过程中会分泌大分子物质,称之为胞外聚合物(extracellularpolymericsubstances,EPS).EPS包裹在微生物表面,通过各种桥接作用将微生物彼此连接成一个集合体,同时它们填充在微生物细胞之间形成的空隙中,对维持微生物聚集体结构、保持其功能的完整性具有十分重要的作用[1,2].EPS参与细胞与外界以及不同细胞之间的物质、电子交换,是决定微生物聚集体物理化学特性的重要因素[3,4].因此,对EPS特性的研究和认识,有助于提高对废水生物处理过程的理解和优化运行.EPS是微生物在特定条件下产生的一种大分子混合物,一般所有细胞外的、没有和细胞外膜/胞壁质直接相连的高分子物质都可以被认为是EPS,EPS组分一般以蛋白质、腐殖质和多糖等为主[2,5].正是由于这些大分子物质的存在,EPS具有巨大的表面积和丰富的官能团,包括羧基、磷酸基、硫酸基、氨基、苯酚基、羟基等多种活性基团[2,6].EPS中的众多官能团可以通过静电作用或络合作用吸附重金属;另外,EPS中还存在疏水区域,可以通过疏水作用吸附非极性的有引用格式:LinZQ,ZhangX,ShaoW,ShengGP.Intermolecularinteractionbetweenmicrobialextracellularpolymericsubstances(EPS)andcontaminantsduringbiologicalwastewatertreatmentprocess.SciSinChim,2018,48:1102–1108,doi:10.1360/N032018-00070©2018《中国科学》杂志社.........................................................中国科学:化学.......................2018年第48卷第9期:1102~1108SCIENTIASINICAChimica.............................chemcn.scichina.com庆祝中国科学技术大学成立60周年专刊评述机污染物[7~9].这些特性使得EPS对废水中的重金属和有机污染物都有很强的吸附能力.近期研究表明,EPS中的部分官能团还具有氧化还原活性,可以与污染物发生氧化还原作用,进而影响污染物的转化和降解,如EPS能够还原重金属(如Cr6+)[10]、放射性同位素(如U6+)[11]和有机污染物(如硝基苯)[12],有研究推测这些还原作用与EPS中含量丰富的半缩醛和酚羟基等氧化还原活性成分密切相关[12,13].因此,EPS在废水生物处理过程中对污染物的转化和降解具有重要的作用,解析其与重金属和有机污染物的分子间相互作用,对于深入理解废水生物处理过程具有十分重要的指导意义.2EPS与污染物相互作用的研究方法由于环境体系和EPS本身的复杂性,加上污染物的浓度通常较低,人们对EPS在污染物迁移去除中的作用机制并不清楚.为了深入解析EPS与污染物的相互作用机制,近年来,人们发展了多种灵敏度高、抗干扰能力强的分析方法.三维荧光光谱(three-dimensionalexcitation-emis-sionmatrix,EEM)是一种灵敏度高且无损的方法.当EPS与重金属或有机污染物发生相互作用后,其荧光峰的强度或位置通常会发生变化,通过测定EPS-污染物配合物产生的荧光猝灭信号[5,14],可以得到EPS与污染物相互作用的强度和作用位点等信息.EEM谱图上的不同荧光区域被重金属或者有机污染物不同程度的猝灭或者增强,清楚反映了EPS中各种荧光官能团与污染物间不同程度的相互作用[15],该方法可用于原位、高灵敏地研究EPS与污染物间的络合与吸附性能.然而,EPS的成分较复杂,其EEM谱图由很多互相重叠的荧光信号组成,为了更清楚地理解EPS中不同荧光组分在污染物去除及迁移中的作用.通常将平行因子分析(PARAFAC)与EEM结合,以统计方法将EEM谱图分解成不同的、相互独立的荧光组分[16,17].该方法可以成功地解析污染物与EPS中不同荧光组分之间的结合机制.傅里叶变换红外光谱(Fouriertransforminfraredspectroscopy,FTIR)作为一种快速有效、非生物入侵性的方法,经常被用于分析生物大分子体系的官能团信息.红外光谱能够直接检测出EPS中蛋白质、多糖、核酸和脂肪酸等组分的含量信息,并且在EPS与污染物的作用过程中,FTIR光谱能够给出EPS中不同官能团的变化情况,通过测定EPS与重金属离子结合前后的红外光谱,根据不同官能团的特征峰的变化,就可以推断出EPS与重金属络合过程中起主要功能的官能团和组分.同时不同重金属离子与EPS进行结合,伴随着不同特征峰的变化,从而揭示出EPS中各组分对不同重金属离子的吸附效率的差异,阐明重金属离子在EPS表面的竞争吸附机制[18].核磁共振(nuclearmagneticresonance,NMR)信号可以在原子水平上检测分子间的相互作用,如静电相互作用、氢键、疏水作用等,是定性、定量研究有机分子间相互作用的有力工具.因此,核磁共振也被逐渐用于EPS与有机污染物分子间相互作用的研究中.一维核磁氢谱是应用最广、灵敏度最高的核磁,通过观测原子核化学位移是否变化可以判断EPS与有机污染物分子间是否发生相互作用[19].通过NMR化学滴定的方法,加上数值拟合还可以进一步得到EPS与有机污染物之间的结合常数.另外,31PNMR对含磷化合物磷核周围化学环境具有高度灵敏性,可以分析EPS中磷的化学形态,进而解析EPS与不同形态磷化合物的相互作用机制[20].等温滴定微量热法(isothermaltitrationmicroca-lorimetric,ITC)是一种高灵敏度、高自动化的研究生物分子间作用的重要方法[21],可以原位、无损伤地提供生物分子相互作用的热力学和动力学信息.由于ITC无需标记,只测量分子反应过程中的热量变化,它非常适用于研究像EPS这样的复杂体系.通过测定EPS与重金属或有机污染物结合时释放或吸收的热量,可以得到结合等温线,进而计算出EPS与污染物结合的焓变ΔH、结合平衡亲和常数和结合位点数,进一步得到EPS与重金属或有机污染物结合时的吉布斯自由能变ΔG和结合的熵变(TΔS)[22].表面等离子共振(surfaceplasmonresonance,SPR)是分析生物分子相互作用最有效的方法之一.SPR传感芯片表面镀有一层金属薄膜,通过实时监测由于相互作用导致的芯片表面分子SPR信号的变化,可以得到EPS与污染物分子间的结合与解离常数.通常将污染物分子固定在SPR芯片上,EPS溶液流过时,芯片表面分子质量发生变化,共振信号上升.对这部分结合曲线进行分析可以得到表观结合速率和结合速率常数Ka.在系统达到平衡时,EPS与污染物的结合与解离速中国科学:化学2018年第48卷第9期...................................................................1103度相等,此时的共振信号水平与样品中分析物浓度相关.随后,EPS溶液被载流缓冲液取代,EPS-污染物复合物发生解离.对这些数据进行分析可以得到解离速率常数Kd.通过公式(KD=Kd/Ka)可以进一步得到EPS与污染物的平衡解离常数KD[22].另外,紫外可见光谱、拉曼光谱、圆二色光谱、激光光散射、石英晶体微天平以及各类色谱等也可用于研究EPS与污染物之间的相互作用[23~34].3EPS与污染物的吸附相互作用EPS含有丰富的官能团,如羧基、羟基、酚羟基、含磷和含硫类官能团,且同时含有亲疏水区域,可以通过静电相互作用、络合作用和疏水作用与多种重金属或有机污染物发生结合.3.1EPS与重金属的相互作用通常EPS与金属离子的结合有两种机理:(1)EPS含有带大量负电荷的基团,它们可以通过静电相互作用的方式与一些金属离子结合;(2)EPS也可以通过共价配位的方式与金属离子结合.研究表明,EPS与Ca2+等离子通过静电吸附相互作用,而与Cu2+和Hg2+等重金属离子主要通过更强的络合配位的方式发生相互作用[23,35].X射线精细结构吸收光谱显示,Cu2+等重金属离子主要是与EPS分子中羧基官能团中的氧原子发生络合配位结合(图1)[35].一般来说,通过静电相互作用结合会导致EPS表面电荷减少,而通过更强的络合配位的方式结合则会导致EPS荧光的猝灭(图2)[23].EEM结合平行因子分析表明,重金属Cu2+与EPS中的蛋白和腐殖质都有很强的相互作用,而与蛋白的相互作用要比腐殖质强[35].ITC的热力学分析表明,EPS与Cu2+的结合焓变为负,该结合过程是放热过程.EPS与Cu2+结合的吉布斯自由能变为负,表明该结合过程在热力学上是可行的,可以形成稳定的EPS-Cu复合物.同时,铜离子的加入会导致EPS结构的无序度增加,且结构的熵增是EPS与重金属Cu2+结合的主要驱动力[35].Hsieh等[36]认为金属的毒性和游离金属离子活度有关,当金属被有机或无机配体络合或吸附后,它们对微生物的毒性就大大降低.EPS通过络合配位的方式与重金属发生相互结合,可以降低自由重金属离子的活性,有效延缓并抑制重金属离子对微生物的毒性[37].3.2EPS与有机污染物的相互作用近年来各种抗生素等微量污染物(如磺胺二甲嘧啶(SMZ))在废水中被广泛检出,因此研究这些微量污染物与EPS的相互作用,对探讨废水生物处理过程中0123456050100150200250300246810−0.10−0.050.000.050.10EPS-CuhydratedCu2+(d)R(A)EPS-CuhydratedCu2+κ(A−1)(c)Em(nm)Em(nm)Ex(nm)Ex(nm)300300350350250400300350250400400650550500300350400650550500(a)(b)°°图1EPS的三维荧光光谱.(a)蛋白类物质;(b)腐殖质类物质.(c)Cu的K边XAFSχ(k)振荡函数和(d)傅里叶变换径向结构函数[35](网络版彩图)Figure1TheEEMspectraoftwomainfluor