胞外聚合物及其在活性污泥颗粒化过程中的作用.pdf
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1、传源南环境1SSN1672-9064污染防治技术CN35-1272/TK胞外聚合物及其在活性污泥颗粒化过程中的作用孙婷1潘永宝李乐1(1西安建筑科技大学环境与市政工程学院陕西西安7 10 0 552陕西省现代建筑设计研究院有限公司陕西西安7 10 0 2 4)摘要生物法具有经济高效且不产生二次污染的特点,成为污水处理应用最为广泛的方法。胞外聚合物(EPS)是微生物分泌的大分子的混合物,在保护细胞免受不利环境的影响以及污泥颗粒化过程中起到重要作用,因此成为污水处理领域的研究热点。胞外蛋白(PN)和多糖(PS)是EPS的主要成分,但二者在微生物细胞聚集形成颗粒中的作用还存在争议,形成颗粒污泥的机制
2、有待进一步澄清。该文对EPS的组分与结构、提取方法、PN和PS分别在颗粒形成过程中的作用机理进行了综述、总结和展望。关键词胞外聚合物活性污泥多糖蛋白颗粒污泥中图分类号:X703.1文献标识码:A文章编号:16 7 2-90 6 4(2 0 2 3)0 4-0 8 9-0 30引言生物法因具有经济高效且不引起二次污染等优点成为污水处理中最为重要的技术之一,在污水碳、氮和磷的去除中始终起着主导作用。根据微生物的存赋状态不同,污泥形态分为絮体污泥、颗粒污泥以及生物膜等。污泥形态结构影响着污水处理性能。例如,与絮体污泥相比,颗粒污泥具有密实的微生物结构、优异的污泥沉降性和更高的可保留生物量,故对冲击负
3、荷、有毒污染物乃至酸性pH的耐受能力更强。因此,颗粒污泥的培养也成为污水处理领域的研究热点。胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)是微生物分泌的大分子混合物2 。除了作为一种屏障保护细胞免受不利环境的影响外3,研究还发现,它能促进微生物间粘附,有利于颗粒污泥的形成和结构稳定4,因此,在微生物细胞聚集并形成颗粒污泥中的作用日益引起人们的关注。本文对EPS的组分与结构、提取方法、胞外多糖和蛋白分别在颗粒形成过程中的作用机理进行了综述,旨在为利用EPS培养颗粒污泥提供有价值的信息。1EPS的发现与发展过程有关EPS的最早描述可追溯到18 6 8 年
4、,德国生物学家ErnstHaeckel假设生命起源于原始“黏液”,但是这种物质最终没有被发现。直到2 0 世纪30 年代开始,“黏液”被认为是一种微生物产品。受到197 8 年Costerton等的“细菌如何粘附”的启发,“黏液 的主要物质被认为是多糖(PS),并逐渐以EPS替代“黏液”一词。197 8 年,有学者预测,生物膜不仅仅是细菌的堆积,而是结构良好的整体,并首次使用共聚焦激光扫描显微镜对生物膜的结构进行了镜检,清楚地显示了EPS不仅仅是无定形凝胶,而是具有不同成分和区域的复杂结构。在19 8 8 年柏林Dahlem生物膜结构和功能研讨会中,EPS被定义为“微生物来源的有机聚合物,在生
5、物膜系统中经常负责将细胞和其收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 1作者简介:孙婷(198 4一),女,硕士,工程师,主要从事污水处理和环境评价的工作。他颗粒材料结合在一起的内聚力和基质 2 。至此,EPS慢慢地引起了更多研究者的关注。19 9 2 年,在葡萄牙的阿尔加维举办了一个关于生物膜的国际研讨会,将EPS正式定义为“细胞外聚合物物质”,PS只是EPS的一种成分,此外,还包括蛋白质、核酸和脂质。之后,EPS被证明是生物膜的基础,它使细胞保持接近,并允许扩展互动、资源捕获、机械强度和其他特性,包括增强对抗菌剂和其他压力的耐受性。至今,EPS这个缩写被高度关注和研究。近年来,研究发现EPS在
6、颗粒污泥的形成过程中起到非常重要的作用。2EPS的组分与提取方法2.1EPS的组分及结构EPS具有复杂的结构,并且具有不同的成分和区域,基于空间分布结构,EPS可分为结合型(B-EPS)和溶解型EPS(S-EPS),前者呈现出双层的动态结构,即内层的紧密结合EPS(TB-EPS)和外层的松散结合EPS(LB-EPS)51,如图1所示。就其组分而言,包括蛋白(PN)、多糖(PS)、核酸、DNA、碳水化合物等,其中PN和PS是主要成分,占7 0%8 0%6 。并且,PN和PS被认为是保持EPS内聚力和机械稳定性的主要物质组分。图1EPS结构示意图2.21EPS的提取方法及其优缺点EPS的提取方法可
7、分为物理法和化学法(见表1)。前者通2023.NO.4.89S-EPLB-EPSTB-EPS表1EPS提取方法传源南环境污染防治技术ISSN1672-9064CN35-1272/TK提取方法物理法超声法超声/离心高速离心加热提取化学法碱处理硫化物提取向污泥中添加硫化物可以通过形成FeS来去除Fe,导致污泥絮凝体结构显著解体EDTA提取二价阳离子对于EPS基质中带电化合物的交联非常重要,因此使用EDTA去除这些阳离子会导致EPS基质分解NaCl提取使用高浓度的NaCl可促进阳离子交换酸处理提高排斥力,破坏EPS和细胞之间的相互作用,导致EPS从细胞表面脱落乙醇提取使EPS变性并降低EPS与细胞之
8、间的结合力酶提取碳水化合物和蛋白质水解酶被用来破坏污泥的结构并溶解EPS过外力,如离心、超声波等方式将其分离7 ;后者包括离子交换树脂、EDTA和HCHO/NaOH,主要是利用化学药剂破坏EPS结构与微生物细胞之间的结合力,提高结合B-EPS的溶解度8 。不同的提取方法,其效果和EPS组成明显不同9 。通常认为物理法可以保护细胞的完整性,而化学法的提取效率更高。COMTE等10 通过离心法、超声波和加热法提取EPS,结果显示,通过加热法提取EPS的效率高于离心法和超声波法。阳离子交换树脂和离心法提取的EPS量不是特别高,但可以保护细胞的完整性,也是最好的提取方法之一。邹小玲等1I比较了5种从活
9、性污泥中提取EPS的方法,结果显示NaOH的提取效率最高;但是,微生物细胞会破裂导致细胞内物质外流,这干扰了碱性条件下的EPS提取。此外,S-EPS很容易通过离心法提取,而B-EPS需要破坏EPS和细胞之间的结合力,这就需要使用化学方法。在众多EPS提取方法中,研究者更多关注的是提取方法对微生物细胞的破坏与否,而忽视了EPS主要组分的结构是否发生了变化。根据研究,胞外PN已被鉴定有5种异构体形式12),即膨胀型(E)、快速型(F)、正常型(N)、基本型(B)和老化型(A)。这些异构体的结构高度依赖pH值,因此,化学法提取EPS进行研究时应充分考虑PN结构的变化。3EPS在污泥颗粒化中的作用越来
10、越多的研究发现,微生物分泌的EPS通过架桥的作用促进了微生物的粘附,从而加速颗粒污泥的形成13,但究竞是PS还是PN在污泥颗粒化中起到关键作用还存在争议1416,机理也不清晰。3.1多糖在颗粒污泥中的作用与机理有研究发现,在污泥颗粒化过程中PS的含量增幅较大,而PN变化较小,判定PS是EPS在污泥颗粒化过程中的主要组分。TAY等17 利用SBR研究空气剪切力作用于好氧颗粒污泥形成时发现,污泥形成过程中PS含量显著增加,PS/PN比例高达15,因此推断PS在颗粒污泥形成中起到重要作用。与CHEN等14利用连续流MBR培养颗粒污泥观察到的结果类似。此外,有学者研究UASB系统中同步反硝化和产甲烷颗
11、粒时,提取机理超声波的脉冲压力下,使EPS分离EPS在超声处理和离心力产生的脉冲压力下溶解为溶液EPS在离心力作用下从细胞表面分离并溶解为溶液分子运动增强,加速了EPS的溶解通过添加NaOH进行的碱性处理会使羧基等基团电离,导致EPS和细胞之间产生强烈的排斥作用,从而使EPS溶解在水中PS可以作为一种黏合剂,促进微生物和小分子颗粒之间的聚集,这可以加速小型PD聚集的形成。也有研究分析,PS可为细胞搭桥,形成一个三维结构,然后可能与更多的细菌和颗粒物质相互作用。此外,PS可改变细胞表面负电性,减弱静电排斥作用,从而架起物理桥梁19。3.2蛋白在颗粒污泥中的作用与机理更多的研究发现,PN在污泥颗粒
12、化过程中的含量增幅较大,相反,PS基本不变,所以推测PN较PS在颗粒污泥形成中更为重要。LIN和SUN20利用SBR研究钙离子强化反硝化颗粒污泥时发现,PN在颗粒化过程中含量大幅升高,最高达到157.35mg/gVSS,从而确定了PN在颗粒污泥形成中的关键作用。此外,ZHANG等2 1 利用甘油作为电子供体研究部分反硝化颗粒污泥过程中也发现类似的现象,确定了PN的主体作用。PN由疏水性氨基酸组成,其特点是结构松散,有利于其内部疏水基团的暴露,以形成更紧凑的结构,如颗粒污泥2 2 。有研究发现,细胞表面疏水性可能与污泥EPS中的胞外蛋白质含量呈正相关2 3。此外,EPS中,尤其是高分子量的PN,
13、微生物聚集体中的EPS具有许多带电基团(如羧基、羟基和氨基)和极性基团(如蛋白质中的芳香族、脂肪族和碳水化合物中的疏水区),有助于降低污泥的表面净负电荷,进而促进污泥的絮凝和造粒2 4。3.3金属离子强化颗粒污泥形成的作用机理有学者利用金属离子(如Ca、M g、M n 2+等)强化污泥颗粒化,并获得了良好沉降性能的颗粒污泥且缩短了造粒时间。进一步研究发现,主要作用机理包括以下3方面:污泥絮体表面荷负电,当金属离子加入时,降低了污泥絮体表面的Zeta电位,有利于EPS间聚集,为颗粒污泥的形成提供了基础。金属离子的添加改变了EPS的组分,并促进了EPS的分泌量,为污泥聚集形成颗粒提供了必要条件。金
14、属离子通过架桥作用促进EPS间的结合,例如,Ca2+由于空间位阻比PN少,优先与PS的羟基牢固结合,其次与PN作用;而Mg2+优先与PN的酰胺基团结合,其次与PS结合。这些结合作用使絮体污泥形成聚集,并加速颗粒化的进程。2023.NO.4.90也发现PS含量增加的现象18 。传源南环境1SSN1672-9064CN35-1272/TK污染防治技术4总结及展望11邹小玲,许柯,丁丽丽,等.不同状态下的同一污泥胞外聚合物提胞外PS和PN是EPS的主要组分,虽然EPS在污泥颗粒取方法研究J.环境工程学报,2 0 10,4(0 2):436-440.12FOSTER,JOSEPH F.Some asp
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