在生物废水处理系统中微生物聚集体中的胞外聚合物

综述：在生物废水处理系统中微生物聚集体中的胞外聚合物（EPS）盛国平a俞汉青a李晓燕ba中国科技大学化学学院，230016，中国合肥b香港大学土木工程部，薄扶林道，香港摘要：在本文中给出了关于生物废水处理反应器中微生物聚集体中的胞外聚合物的定义、提取、特点、产量及功能方面的内容。EPS是微生物分泌的高分子聚合物的混合物，是由细胞溶解或从废水中吸收有机物产生的。他们是微生物聚集体中维持其聚集在三维矩阵的一个重要部件。研究发现EPS中主要成分（碳水化合物、蛋白质、腐殖质物质、核酸）的特点（例如：吸附能力、生物降解能力、亲水性及疏水性）和含量对微生物聚集体性能有非常重要的影响，例如物质转移、表面特征、吸附能力、稳定性、微生物聚集体的形成等。然而，由于EPS是非常复杂的，已知关于EPS方面的知识是远远不足的，仍然需要做大量的工作来充分了解他们在生物处理过程中的确切作用。关键词：胞外聚合物提取微生物聚集体污泥稳定性表面特性废水处理目录1.引言1.1EPS的定义1.2EPS的组成1.3EPS的空间分析2.EPS的提取2.1EPS提取方法的评估2.2合理提取方法的选择3.分析方法3.1传统化学比色法分析3.2创新方法4.EPS的特点4.1EPS的吸附特性4.2EPS的生物降解性能4.3EPS的亲水性/疏水性5.影响EPS产量的因素5.1底物类型5.2营养成分含量5.3生长阶段5.4外部条件6.EPS与微生物聚集体功能之间的关系6.1微生物聚集体的物质转移6.2微生物聚集体的表面电荷6.3微生物聚集体的絮凝性能6.4微生物聚集体的沉降性能6.5微生物聚集体的脱水性能6.6微生物聚集体的稳定性能6.7微生物聚集体的粘附性能6.8微生物聚集体的形成7.未来的工作需要致谢参考文献1.引言在生物废水处理系统中，大多数微生物以微生物聚集体的形式存在，例如：污泥絮体、生物膜及颗粒。在纯培养条件下EPS（一种聚合物混合的高分子量的复合体）存在时，活性污泥、颗粒状污泥、生物膜能在各种各样的电子显微镜下观察到并确认。EPS对微生物聚集体的物化特性有非常重要的影响，包括结构、表面电荷、絮凝性能、沉降性能、脱水性能及吸附性能。EPS与细胞通过复杂的相互作用结合形成广阔的网状结构，与大量的水共同保护细胞免受脱水作用及有毒物质的伤害。部分EPS在营养不足时可以充当碳源或能源。他们也聚集在一起通过与细胞紧密结合形成微生物聚集体。因此，对EPS的深入研究，不仅仅是提高我们对生物废水处理的理解，也是通过优化操作参数来提高这种处理的效率。这篇文章概括了一些非常重要的发现：微生物聚集体中EPS的提取、空间分布、分析技术、特点及其组成对微生物聚集体功能的影响。1.1EPS的定义EPS存在于细胞外及微生物聚集体内。Wingender等人在1999年用缩写EPS作为一种更全面综合的术语来代表不同微生物聚集体中的高分子聚合物的不同种类，如：多糖、蛋白质、核酸、脂类、及其他聚合的化合物。NielsenandJahn在1999年提出细胞壁外所有不能锚定在外膜或细胞质蛋白层上的聚合物为EPS。这种EPS的广泛定义使EPS的研究结果变得不可预知且有争议。实际上，EPS主要是由微生物分泌或大分子细胞溶解、水解产生的一种高分子量的化合物。另外，废水中的一些有机质也可以被吸附到EPS的三维矩阵中。和微生物新陈代谢有关的EPS在有关微生物聚集体研究中更有意义，它可以影响到微生物聚集体的不同物理化学特性。根据细胞外EPS的不同形式EPS可以再被细分为束缚EPS（鞘状聚合物、朔状聚合物、浓缩胶、松散附着聚合物、附加有机质）和可溶性EPS（可溶性的大分子、胶体、煤泥）。束缚EPS与细胞紧密结合在一起，而可溶性EPS与细胞结合较弱，或溶解在溶液中。通常，这两种类型可以用离心来分离分开，仍然浮在上层的是可溶性EPS，而形成微生物颗粒的是束缚EPS。但是，他们的起源尚不清楚。尽管可溶性EPS与细胞之间的相互作用非常弱，但以前的研究表明可溶性EPS对污泥的生物活性及表面特征也有非常重要的影响。然而，对可溶性EPS的研究是有限的，在文献及本综述中没有被详细说明的EPS是束缚EPS。束缚EPS的结构通常可以用双层模型来描述(Fig.1)。内层是由紧密粘附EPS(TB-EPS)构成的，有一定的形状，它紧密稳定的结合在细胞表面。外层是由松散附着EPS(LB-EPS)组成的，是没有明显边缘的松散且可分散的粘液层。在微生物聚集体中松散附着EPS的含量总是低于紧密粘附EPS的含量，这可能对微生物聚集体的特性有一定的影响。1.2EPS的组成研究发现EPS的主要组分是碳水化合物和蛋白质经，腐殖质物质也有可能是生物废水处理反应器中污泥中EPS的一种主要组分，大约占总量的20%。另外，在不同EPS基质中发现了脂类、核酸、糖醛酸及无机成分。他们所占的比例很大程度上取决于提取方法和污泥的起源。从不同微生物聚集体中提取的EPS的含量与组分是不同的。提取的EPS在组成成分上的变化取决于许多因素，如培养条件、生长指数、加工参数、生物反应器类型、提取方法及运用的分析工具等。1.3EPS的空间分布EPS的空间分布是不均匀的，可以用扫描显微镜或在EPS用荧光染料或凝集素染色后用荧光显微镜观察到。EPS主要集中在污泥絮体中心，丝状真菌网格的周围存在一些多糖。EPS是生物膜的主要结构组件，大部分EPS分布在生物膜的深度不同层中，他们的产量随着生物膜的深度的变化而不同。对于厌氧颗粒状污泥，大部分的EPS分布在外层，剩余部分分布在剩下的颗粒中。Wangetal.(2005)曾报道说好氧颗粒状污泥内层的EPS含量大约是外层含量的四倍。不同EPS组分的分布也是多种多样的。McSwainetal.(2005)发现在好氧颗粒状污泥的外层存在细胞及碳水化合物，而大部分的蛋白质存在于内层中。Chenetal.(2007)发现在醋酸好氧颗粒中，蛋白质和β-D-吡喃葡萄糖多糖形成核心，而细胞和α-D-吡喃葡萄糖多糖在颗粒外层积累。在石碳酸好氧颗粒中，蛋白质形成核心，而细胞和α-D-吡喃葡萄糖多糖及β-D-吡喃葡萄糖多糖积累形成外层。这些结果表明EPS的分布是由微生物聚集体的类型、结构和来源决定的。2.EPS的提取2.1EPS提取方法的评估理想的EPS提取方法应该是有效的，引起的细胞溶解必须最小且不能破坏EPS的结构。提取效率可以定义为在总的有机体中提取的EPS的总量，或是从一个给定的细胞样品中含有EPS的所有地方提取出的EPS总量。EPS提取效率根据所运用的提取方法而显著不同。提取EPS时可能会发生细胞溶解。然而，在提取过程中细胞溶解的程度是很难确定的。一些研究把EPS中蛋白质和核酸的含量作为细胞溶解的指示物，但是，通常理解为EPS矩阵中含有大量的蛋白质及少量的核酸，所以没有一种大分子可以作为一种精确的指示物。然而，正如EPS中核酸的含量通常很低，而EPS提取后高的核酸含量可视为是严重细胞溶解的标志。腺苷三磷酸和胞内酶，如6-磷酸葡萄糖脱氢酶已经被用来作胞内标准。细胞用显微镜方法进行计数，活/死细胞的数量及染色方法都已经被用来评估细胞溶解。这实际上是基于细胞壁的完整，提高细胞壁的断裂方法后胞内物质的释放。然而，这仅仅能用来评测细胞是否被破坏。而不能评测胞内物质是否泄漏。Shengetal.提出紫外可见分光光度计方法测定细胞溶解是通过测定细胞内释放的化合物，并将它应用于光合细菌EPS提取方法的比较中。在EPS提取过程中有可能发生大分子的断裂，有报道称在沸腾及碱性处理下会发生非常严重的断裂。在pH值大于9时，氢氧化钠会引起聚合物成分的变化，在pH值较高时，硫酸盐结合糖类蛋白被破坏，糖醛酸被降解。也可以用凝胶过滤色谱法或高压体积排阻色谱法来测定EPS提取中大分子混合物的变化。2.2合理提取方法的选择一种典型的EPS提取程序如下：（1）预处理，包括取样、储存、洗涤、均质化。这步允许微生物细胞分散。从生物膜和微生物颗粒中提取EPS，均质化的步骤总是必需的。（2）样品预处理后EPS的提取。（3）纯化和进一步分析。在这三步中，第二步是非常重要的。EPS组分应该用合适的提取程序进行提取。对可溶解EPS，离心总是必需的，而对束缚EPS已经发现了很多不同的提取方法，而新的提取方法仍然在不断的探索中。这些提取方法可以划分为物理方法、化学方法、物理方法与化学方法相结合，如表1中列出的。物理方法通常利用外力如超声波、离心、加热来促进EPS与细胞分离并溶解于溶液中。化学方法是加入化学化合物，打乱EPS与细胞之间结合的相互作用来加速EPS的溶解。总体来说，物理提取方法的效率低于化学提取方法的效率。此外，不同的提取方法对这些物质有不同的提取效率，并导致EPS的构成不同。研究污泥样品中LB-EPS和TB-EPS的组成成分及功能时，束缚EPS中的这两种组分可以分开单独提取。LB-EPS与细胞结合松散，为了避免含有TB-EPS的包含物应该选择一种较温和的方法（如高速剪切、低温加热、高速离心）。随后，在TB-EPS提取中运用一种严格的方法（如高温加热、超声波或化学提取方法）。随后LiandYang修饰了对从活性污泥中提取LB-EPS和TB-EPS包括温和步骤及严格步骤在内的加热提取方法。在这种提取过程之后的细胞溶解是没有意义的。高速离心及超声波震荡也经常被用来从污泥中提取LB-EPS和TB-EPS。由于许多方法显著的特点，已经被发现并运用到在已知或未知条件下提取EPS中。化学提取方法总是比物理方法的提取效率高，如阳离子交换树脂法（CER）、EDTA法、HCHO/NaOH方法，但是化学方法的应用无论是对提取过程本身还是对随后的EPS分析都带来了一定的问题。碱处理可以引起严重的细胞溶解及大分子破坏。EDTA法具有比较高的提取效率并且对细胞溶解的程度较低。但是残留的EDTA能污染提取出来EPS，并在Lowry方法中干扰蛋白质的测定，且EDTA提取法总是需要进行透析。在HCHO/NaOH方法中HCHO改变EPS的特征并且在碳水化合物的测量中有严重的干扰作用。EPS提取中运用水解酶是一种较温和有效地方法，但是对活性污泥的提取效率并不高。CER法由于高提取效率低细胞溶解成为目前广为接受的EPS提取方法，很大程度上是因为树脂容易被除去，可以避免由化学试剂带来的污染，使随后的分析更为容易。据称，没有一种方法可以将EPS全部从微生物聚集体中完整的提取出来。对运用与多种阳离子有关的提取方法对活性污泥中可提取组分的提取策略进行评估，结果表明CER法对Ca-束缚EPS和Mg-束缚EPS有高度的选择性。而硫酸盐提取方法对Fe-束缚EPS有选择性。另一方面，发现碱提取法与这两种方法相比缺少特异性，但是它对Al-束缚EPS的提取效果更好。由于没有从微生物聚集体中大量提取EPS的通用方法，所以考虑到样品的特点，提取方法必须是最优且有选择性的。一些提取EPS的方法必须在比较之后慎重的选择最合适的方法。为获得较高的提取效率，有必要对不同目标EPS组分运用结合提取方法或重复提取。对结合提取和重复提取中的细胞溶解需进行仔细的评估。3.分析方法3.1传统化学比色法分析在生物膜和活性污泥中EPS矩阵中的组成成分是非常复杂的，包含有蛋白质、碳水化合物、核酸、脂类、腐殖质物质等。常规化学比色分析可以用来定量的分析它们在EPS中的含量。通常可以用蒽酮-硫酸法或苯酚-硫酸两种方法测定碳水化合物的含量。这两种对EPS中碳水化合物的测定表明它们的结果是非常相似的，但是对蒽酮-硫酸法的变化系数要比苯酚-硫酸法的要小。测定蛋白含量的方法有Lowry法、染色法、N总量测定法。Lowry法和染色法相比具有较高的重复性。N总量测定法更精确，但是过程比较复杂。因此在描述EPS特征中对蛋白的分析更常见运用Lowry法。由于核酸的生物功能基团对Lowry试剂也有作用，所以做适当的改进是必需的。腐殖质物质是非常复杂的，很少有合适的测定其在EPS中含量的方法。Frolundetal.建议通过合适的蛋白干扰改进的Lowry法测定腐殖质物质的含量。糖醛酸含量可以用对羟基二苯胺