胞外聚合物的研究新进展

胞外聚合物的研究新进展

侯文俊1 胡 明 蒋海军 王 良 刘晓东

（青岛市市政工程设计研究院有限责任公司，山东 青岛 266071）

摘要 介绍了胞外聚合物的提取方法、不同底物对生物膜细胞外聚合物组成和含量的影响、金属离子对胞外聚合物的影响、胞外聚合物对活性污泥沉降和絮凝性能的影响及胞外聚合物对膜生物反应器运行的影响。

关键词 生物膜 胞外聚合物 活性污泥 Study progress of extracellular polymeric substances Hou Wenjun，Hu Ming，Jiang Haijun，Wang Liang，Liu Xiaodong. (Qingdao Municipal Engineering Design & Research Institute，Qingdao shangdong 266071)

Abstract：The study and development in extraction methods of extracellular polymeric substances(EPS),the effects of substrate conditions on compositions of EPS in biofilms, the effects of metal ions on the components change of EPS,the effects of EPS on bio-flocculation and settlement of activated sludge and conduction of membrane bioreactors were introduced in this paper.

Keywords：Biofilm Extracellular polymeric substances Activated sludge

胞外聚合物(EPS)是在一定环境条件下由微生物，主要是细菌，分泌于体外的一些高分子聚合物。主要成分与微生物的胞内成分相似，是一些高分子物质，如多糖、蛋白质和核酸等聚合物[1]。EPS普遍存在于活性污泥絮体内部及表面，具有重要的生理功能，可将环境中的营养成分富集，通过胞外酶降解成小分子后吸收到细胞内，还可以抵御杀菌剂和有毒物质对细胞的危害。 1 胞外聚合物的提取方法

经过近几十年的不断探索与尝试，人们已研究出十多种胞外聚合物提取方法（见表1）。这些方法可大致分为两大类，一类是物理方法，另一类是化学试剂法。

胞外聚合物的物理提取法：主要是利用各种外力，如超声波提供的冲击力，离心提供的重力场力来增强胞外聚合物中各成分在溶液中的溶解度；化学提取过程：首先是试剂的离子或分子从溶液中进人生物膜与胞外聚合物相接触，即生物膜的内传质过程，然后是EPS的大分子在试剂离子或分子的作用下成为水溶性成分，从而被提取出来。国内对以上几种提取EPS的方法作了大量的研究：康春莉等[10]用EDTA提取时发现当萃取剂质量分数达到2％时，糖类和蛋白质的含量已无明显的改变，但DNA的含量仍在增加；当离心转速达到6 880 r／min，蛋白质和糖类的含量基本不再变化，DNA含量的变化也不大。董德明等[11]在用磷酸氢二钾法分离自然水体中的生物膜胞外聚合物时发现随着萃取剂浓度、萃取时间和离心力的增大，萃取液中蛋白质、糖类和DNA的含量不断增加。当萃取剂摩尔浓度增加到0.06 mol/L、萃取时间为2.5 h、离心力达到10 000 g时，萃取液中糖类和蛋白质含量增大

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第一作者：侯文俊，男，1981年生，本科，助工，主要从事市政工程设计。

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的趋势已不明显。罗曦等[12]采用5种方法对同一污泥在好氧和厌氧条件下的胞外聚合物进

表1 胞外聚合物的提取方法汇总表

类别 方法 超声波法[2] 物 理 法 蒸气提取[2] 常规离心[3] 超声离心法[2] 操作 利用超声波造成空穴，产生压力冲击，在这种冲击力的作用下，提取生物膜的胞外聚合物。 该方法是超声法与离心法的结合，生物膜胞外聚台物在超声冲击力和重力场共同作用下加速其各成分的溶解。 利用蒸汽提供的热量与压力增大生物膜各成分的运动速度，从而增大其在溶液中溶解度，达到提取与分离目的。 在离心产生的重力场作用下，加速颗粒沉降速度，增大胞外聚合物各成分在水溶液中的溶解度。 生物膜样品在2 000 g的离心力下离心20 min，上清液被弃掉，加入2 mL 2 mol/LNaOH提取[2] 化 学 法 化 学 法 甲醛提取[8] 戊二醛提取[9] 阳离子交换树脂[7] Tris／HCl[6] 磷酸缓冲液提取[5] 乙醇提取[4] EDTA提取[2] 的NaOH于沉积物中，在2O ℃下轻轻搅动5 h，然后用水稀释到原始样体积，使离心和分离效果更好；样品在大约2 000 g下离心并除去沉积物。 将质量分数为2％的EDTA(四钠盐)加入生物膜样品中，在4 ℃下放置3 h；然后在4 ℃，14 000 g下，离心20 min。 生物膜样品中加入适量的已醇混合均匀后，放入密闭容器，放置1～16 d。然后将该悬浮液置离心机中低速(1 800 g)离心10 min。 生物膜样品中加入一定量的磷酸缓冲液(pH：7.0，0.O1 mol/L)，在70 ℃的水浴中以100 r/min速度轻搅2～4 h。 生物膜样品中先加入一定量的Tris／HC1缓冲液中(pH=7.0，0.1 mol/L)，该混合液置8O ℃水浴中1 h。 在生物膜样品中先加入一定量的提取缓冲液(提取缓冲液配制：2 mmol Na3P04，4 mmol NaH2PO4，9 mmol NaCl和1 mmol KCl配制成1 L溶液)，然后再加入Dowex离子交换树脂(50×8，Na+形式，20～5O筛目，Aldrich-Fluka44445)在－4 ℃下搅动2 h。 生物膜样品中加入25 mL含0.22％甲醛的氯化钠溶液(8.5％)，该混合物在12 000 g下离心30 min。 根据生物膜样品菌种的不同，加入适量的戊二醛溶液(3％)，在4 ℃下搅拌(100 r/min)过夜． 行了提取试验，结果表明：甲醛-NaOH和硫酸法对EPS的提取产量最高，分别为232.0、159.7 mg/g且无大量细胞自溶的现象发生，是比较有效的的提取的方法；阳离子交换树脂对厌氧和好氧状态下污泥中胞外多糖的提取量仅7.6～9.4 mg/g；而戊二醛提取方法多糖的测定有严重的干扰。同时发现两种氧环境下污泥EPS中蛋白质的含量均最高，占EPS总量的50％～80％；其次为胞外多糖和DNA。王暄等[13]采用4种方法(热、超声、高压、碱处理)分别研究在不同的作用时间和方式下对好氧颗粒污泥EPS的提取效果。综合考虑各提取方法的提取效果及对于污泥细胞的破坏程度后，确定热处理(80 ℃，30 min)和超声波提取(320 W，40 s)法均是可行的，其中热处理提取产物中多糖、蛋白质分别为30.3、8.1 mg/gVSS，而超声波则分别为24.3、10.8 mg/gVSS。好氧颗粒污泥EPS中多糖含量高于蛋白质，在热处理

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及超声波提取的产物中，多糖与蛋白质之比分别为3.7、2.3。钟方丽等[14]发现电场对EPS的提取也有影响：当交流电为2.5 mA／cm2时，对生物膜内微生物细胞几乎没有影响；电流为10 mA／cm2时，对细胞有一定影响；提取剂不同则对应的最佳提取频率不同，Na0H较适合的频率是10～100 Hz；在交流电场作用下，提取速率大小取决于离子带电量、浓度梯度和电场强度的共同作用；同一电场下，在不破坏生物膜内微生物细胞的前提下，提取剂pH偏高的提取效果较好。

2 不同底物生物膜细胞外聚合物组成和含量的影响

有研究发现不同的底物对EPS的组成和含量有很大的影响。李久义等[15]在研究发现生物膜EPS的含量随有机物浓度降低的过程逐渐下降；同时溶解态有机物的生物膜EPS中多糖的含量要高于胶体态有机物的生物膜，胶体态有机物的生物膜EPS中，多糖的含量要高于溶解态有机物的生物膜EPS中蛋白质的含量，同时蛋白质含量的变化与胶体态有机物的水解过程相一致。刘燕等[16]也发现在乙酸为底物的污泥中，胞外多糖占大部分（糖类/蛋白质的质量比为1.7～8.6），而以蛋白质为底物时，胞外蛋白质占主要成分（糖类/蛋白质的质量比为0.2～0.5）；以乙酸钠为底物形成的胞外聚合物较多。 3 金属离子对胞外聚合物的影响

胞外聚合物可以和金属离子之间相互作用。在负电性的胞外聚合物中，金属离子可以起到架桥的作用。例如，铬可以与胞外聚台物相互作用，导致胞外聚合物结构变化，并且在絮凝物中形成疏水性区域。在废水处理工程中，常利用胞外聚合物的这一特点，将其提取出来分析其组成变化和金属含量，从而对含金属离子废水处理效率做出评价，再根据这一结果不断改进技术，最终获得废水处理工艺的最佳操作条件。

曹相生等[17]考虑对活性污泥SOUR的影响，确定Mn2+、Mo6+和Zn2+的最佳促进浓度均为l mg/L；在各自促进浓度范围内，Mn2+、Mo6+和Zn2+对EPS各组分的影响程度不同：低质量浓度(0.05 g/L)Mn2+导致EPS中蛋白质、多糖和核酸含量下降，但P／C比值不变；Zn2+使EPS中多糖含量改变，进而导致P／C的改变；Mo6+则对EPS各组分基本没有影响。张道勇等[18]通过扫描电镜观察结果和处理含Cd污水生物膜的ATP变化规律表明，在丝藻细菌生物膜中，细菌在Cd的毒害下其生长受到明显抑制，并且未观察到其分泌胞外聚合物。相反，丝藻却在Cd压力下分泌出了大量的胞外聚合物。含Cd污水生物膜和对照组的生物膜ATP的含量比较表明，Cd对藻菌生物膜整体上具有一定的毒性，并在一定程度上抑制了生物膜的活性和生物量的增长。同时发现生物膜去除水中Cd的效率及生物膜中积累的Cd的含量与丝藻所分泌的胞外多聚糖的数量明显相关，其中生物膜去除水中Cd的效率与藻菌生物膜胞外多聚糖的含量几乎是线性相关。董德明等[19]发现3种金属在胞外聚合物上的吸附均遵守Langmuir和Freundlich热力学方程；而胞外聚合物中锰的存在会影响其对Pb和Cd的吸附；Mn的存在会削弱胞外聚合物对Pb的吸附，而对胞外聚合物吸附Cd的影响比较小。这说明不同金属与胞外聚合物的作用机制可能有一定差别，因此当一种金属吸附达饱和后，其他

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种类的金属可以继续在胞外聚合物上进行不同程度的吸附。 4 胞外聚合物对活性污泥沉降和絮凝性能的影响

据文献[20]报道EPS对生物絮凝有促进作用。胞外多糖包裹细胞壁，降低了细胞的有效临界电势而发生凝絮。而EPS中含有脂类、蛋白质等疏水分子，可使污泥表面呈局部疏水性；同时，EPS含有能与二价阳离子结合的阴离子基团，这种高分子聚合物可以在颗粒间起到架桥作用。同时有研究表明：EPS的存在不利于污泥沉降，污泥表面离子化聚合物的浓度和性质决定了污泥表面的电荷，随着EPS浓度增大，污泥电泳迁移率增大，由于系统间斥力导致污泥沉降性能恶化；并且EPS的主要成分蛋白质、糖类和DNA含量都与SVI成正比关系，认为污泥的沉降性能与高浓度的EPS有关[21]。同时，EPS为高浓度胶体状态的生物聚合物，它对污泥的浓缩脱水性能也会产生影响[22]。此外，活性污泥的EPS还能大量吸附溶液中的金属离子，尤其是重金属离子与EPS的络合产物更为稳定。总之，EPS对活性污泥具有重要的影响。

周健等[23]在试验中发现EPS与SVI（污泥沉降性）具有明显的正相关性，SVI=4.122EPS－21.658；负荷对EPS影响显著，随着负荷降低，EPS含量增加，SVI增加；但随着DO增加，EPS增加较少，对SVI影响不大；正交试验结果表明：负荷决定了EPS含量的高低及污泥的沉降性能，而DO影响较小，其影响模式为：EPS=27.07－3.39Ns+0.9DO，

SVI=84.74－12.8Ns+3.33DO；低负荷污泥的EPS及其中的多糖含量较高，并且部分可以被生物降解，使EPS对丝状菌的生长产生影响，这可能是低负荷时易发生污泥膨胀的重要原因。同时发现pH，EPS和Ca2+对絮体的形成影响显著，当pH≥7.5，EPS≥70 mg／L，[Ca2+]≥300 mg／L时，有利于生物絮体的形成[24]。王红武等[25]揭示了胞外聚合物可分为紧密粘附的胞外聚合物(Tightly Bound EPS，TB)和松散附着的胞外聚合物(LooselyBound EPS，LB)两部分。LB只占总EPS的0.6％～13.5％（质量分数）。TB位于细胞体表面，与细胞壁结合牢固，LB在TB外层，结构松散，密度小，具有流变特性；污泥中LB的含量与运行方式和泥龄有关，有代谢产物积累的间歇运行方式比代谢产物积累较少的序批式间歇运行方式LB含量高，但随着泥龄延长LB含量都减少；LB对污泥的沉降和絮凝性能起着决定性作用。LB含量愈多，污泥的沉降和絮凝性能愈差。而TB对污泥的沉降和絮凝性能基本无影响；选择合适的运行方式，减少细胞代谢产物的积累，延长泥龄可降低LB的含量，确保活性污泥法工艺运行安全、稳定、高效。 5 胞外聚合物对膜生物反应器运行的影响

膜生物反应器作为一种新型的废水处理装置，以其诸多优点在废水处理领域有着广阔的应用前景，许多学者研究了EPS对膜污染的影响，发现反应器中混合液污泥的EPS的增加会加剧膜污染，同时也会影响污泥点沉降性。王雪梅等[26]研究反应器混合液中和2种疏水性不同的膜上污泥胞外聚合物的量、组成、污泥特性及对膜过滤性能的影响。结果表明，混合液污泥中的溶解性EPS和固着性EPS比膜上污泥多，不同污泥的固着性EPS组分中蛋白

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质（EPSP）/多糖（EPSc）的大小顺序依次为混合液污泥＜亲水膜污泥＜疏水膜污泥；疏水膜污泥中溶解性EPS比亲水性膜多，溶解性EPS和固着性EPS量及组分均有很大的差异；混合液污泥的EPS的流动性大，疏水性膜上污泥EPS的流动性较大，溶解性EPS对污泥特性及膜过滤性能的影响很大。张海丰等[27]在研究中发现膜生物反应器工艺污泥沉降性能主要由反应器中累积的高浓度EPS所影响，当EPS大于100 mg/g时，污泥沉降性能开始恶化。 6 结 语

在废水处理过程中，EPS组成的变化是评价废水处理效率的重要指标之一。近年来，该领域的研究已取得一定的进展，但仍有待广大科研工作者进一步研究与探索，以提高EPS在污水和污泥处理中发挥更重要的作用。 参考文献

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责任编辑：贺锋萍 （收到修改稿日期：2007-01-18）

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