廢水處理微生物胞外聚合物成分及表面特性.pdf

1、在廢水生物處理系統(tǒng)中，微生物胞外聚合物(EPS)在促進微生物細胞聚集、加快生物膜形成、維持聚集體結構、污染物的去除以及抵抗沖擊負荷等方面發(fā)揮著重要作用。EPS包裹在微生物細胞表面，改變了細胞的表面性質，從而影響了細胞的粘附和聚集，以及污染物的吸附與傳質過程。由于EPS成分復雜，性質多變，且其在微生物粘附與聚集以及污染物結合的表面作用過程尚不十分清楚。為了鑒定 EPS的成分以推斷其功能，促進生物膜快速形成、維持反應器運行穩(wěn)定以及污染物的去

2、除，本研究分離和鑒定了 EPS中的胞外蛋白和多糖；進一步研究了不同聚集形態(tài)微生物 EPS的成分與聚集體結構、表面特性和功能的關系；最后對EPS的表面特性和功能開展了深入研究：研究了EPS在不同表面的附著動力學及其影響因素；探討了 EPS與重金屬和納米顆粒的微觀作用過程。主要研究內容和結果如下：
　　為研究EPS的主要成分信息和功能，本工作提取和分離了城市污水廠中厭氧、缺氧和好氧池污泥 EPS中的蛋白質和多糖。鼠李糖、木糖、甘露糖和

3、葡萄糖廣泛存在于污水廠厭氧、缺氧和好氧污泥的胞外多糖中。使用shotgun法鑒定了分離的胞外蛋白，結果厭氧、缺氧和好氧污泥樣品中分別有130、108和114種蛋白成功分類。約60％的蛋白質來源細胞和細胞部分，且其主要分子功能為催化活性和結合活性。這表明活性污泥中胞外蛋白的主要作用是結合多價陽離子和有機分子，以及催化和降解。相比缺氧和好氧污泥樣品，厭氧污泥中含有更多的催化活性蛋白。厭氧污泥和好氧污泥的結果差異可能與催化活性蛋白有關。

4、>　　對比研究了生物膜和懸浮污泥的形貌、微生物群落、胞外蛋白、多糖和表面特性的差異，以闡釋 EPS與聚集體結構和功能的關系。結果表明，相比生物膜，反硝化主要發(fā)生在懸浮污泥。生物膜中存在一種能夠促進粘附的胞外蛋白。相比之下，懸浮污泥中存在更多的與催化活性有關的胞外蛋白，從而降低了聚集體的密實度，并為異養(yǎng)菌提供了碳源。并且兩種聚集體胞外多糖中單糖的組分也不同。隨著各組分EPS的去除，兩種聚集體的zeta電位升高且更疏水。溶解型EPS和松散結

5、合型EPS(LB-EPS)同時存在時，懸浮污泥樣品的聚集度提高了23%，而對生物膜無明顯影響。LB-EPS和緊密結合型EPS(TB-EPS)對懸浮污泥樣品的聚集度分別貢獻了16%和30%，而對生物膜細胞的聚集沒有促進作用。這表明，懸浮污泥細胞聚集依賴于EPS，而生物膜細胞本身具有較強的聚集能力，這與生物膜細胞表面存在的粘附蛋白有關。
　　為了研究 EPS在不同表面的附著行為，促進反應器中微生物在表面最初的粘附以及生物膜的形成，本工

6、作制備了4個末端官能團為甲基(CH3-SAM)、氨基(NH2-SAM)、羥基(OH-SAM)和羧基(COOH-SAM)的自組裝單分子層來模擬不同的有機表面(SAMs)，結合表面等離子體共振來研究 TB-EPS和細菌細胞在模擬表面的附著/粘附動力學。結果表明，細菌粘附和 TB-EPS附著-脫附速率依賴于表面性質。CH3-SAM和NH2-SAM表面促進細胞粘附，而TB-EPS在CH3-SAM表面的附著速率最大。中性且親水的表面(OH-SAM

7、)得到了最低的細菌粘附量和最低的 TB-EPS附著親和力。這些結果表明了疏水表面比親水表面更有利于細胞固定和TB-EPS沉積。本工作同時研究了不同pH和外加陽離子條件下，TB-EPS在CH3-SAM, NH2-SAM, OH-SAM,和COOH-SAM表面的附著行為。結果表明，隨著pH的升高， TB-EPS的附著量急劇下降。相同條件下，TB-EPS在 CH3-SAM表面的附著量最大。Na+促進TB-EPS附著在COOH-SAM表面，而C

8、a2+及其與TB-EPS的復合體分別被COOH-SAM吸引和NH2-SAM排斥。加入Fe3+后，TB-EPS在4個表面的附著量均顯著升高。這些結果證明TB-EPS附著在不同有機表面依賴于溶液pH和陽離子。
　　為研究 EPS在抵抗有毒有害污染物（重金屬和納米顆粒）對微生物細胞影響中的微觀表面作用過程，本工作首先研究了 EPS在重金屬對細菌聚集過程影響中的作用，使用表面等離子體共振儀測定了重金屬在保留了EPS和去除了EPS的細胞表面

9、的結合動力學和親和力，使用圓二色光譜和紅外光譜測定了重金屬在 EPS和細胞表面的結合構象。結果顯示 EPS包裹在細胞表面削減了重金屬對細菌聚集的影響，而去除了 EPS后，Pb2+比 Cd2+對細菌聚集沉降具有更強的抑制作用。拉曼光譜和紅外光譜證明，EPS中含有大量的磷酸化大分子和多糖類物質。保留了EPS的細胞表面對各重金屬的結合動力學行為類似。而去除了EPS細胞表面對重金屬的親和具有高度差異性，其對Pb2+具有很強的親和性。紅外光譜表明

10、，保留了EPS的細胞表面主要是磷酸基和羧基結合重金屬，而去除了EPS后，重金屬將改變細胞表面的蛋白質二級結構。同時，本工作研究了 NP對保留了 EPS和去除了EPS的細菌細胞的表面電性、潤濕性和聚集沉降特性。使用表面等離子體共振儀觀察保留了EPS和去除了EPS的細菌細胞與TiO2 NP作用后在疏水和親水表面的粘附特性，使用紅外光譜測定了TiO2 NP與細胞表面的結合特征。結果表明，TiO2 NP對EPS包裹的細胞表面的zeta電位和疏水