胞外聚合物在环境工程中的研究进展

2021-09-09吴亚萍卢静芳李亚静蔡曼莎于静洁贾丽媛

天津城建大学学报 2021年4期

吴亚萍，卢静芳，李亚静，蔡曼莎，王栋，于静洁，贾丽媛

（1.天津城建大学，天津300384；2.天津艾凯文水处理科技有限公司，天津300384）

胞外聚合物（extracellular polymeric substances，简称E PS）是微生物新陈代谢过程中分泌于胞外的复杂高分子多聚物.通常由多糖和蛋白质构成，还含有少量的核酸、腐殖酸、类脂类和糖醛酸等，这些物质相应的结构和性质会影响E PS的亲疏水性、吸附性、絮凝性等[1].根据E PS在胞外的位置分布不同，可将其划分为溶解态EPS（soluble EPS）和结合态E PS（bound EPS）[2].此外，结合EPS（BEPS）呈现动态双层结构[3]，通过提取方法，将其分为内层紧密结合E PS（tightly bound EPS，简称T B-E PS）和外层松散结合E PS（loosely bound EPS，简称LB-E PS）,如图1[4]所示.

图1 EPS空间结构

胞外聚合物具有易于生物降解、高效、无毒、无二次污染等优点，被认为是传统化学聚合物的潜在替代品.近年来，胞外聚合物在水处理、化工冶炼等方面的应用越来越受到人们的重视.在这种背景下，关于E PS的文献信息分布广泛，非常稀少.因此，本文对迄今为止有关E PS性质及其在环境应用的各种研究进行了评述，并对E PS的未来研究需求和先进应用前景进行了评述.

1 EPS在污水处理系统中的作用

1.1 EPS在脱氮除磷中的作用

强化生物除磷以其经济、可持续等优点被广泛应用.通常认为，强化生物除磷是由于聚磷菌在厌氧释放磷酸盐，好氧过量吸收磷酸盐，并以聚磷酸盐的形式储存在聚磷菌中，从而达到除磷效果[5].然而近年来的研究表明，胞外聚合物（EPS）也在这个过程中起作用.Zhang等人采用不同的EPS提取方法检测活性污泥及颗粒污泥EPS中磷含量，发现颗粒污泥EPS中磷含量比活性污泥EPS中磷含量高，污泥中EPS总含量越高，其在磷积累中所占的比例也就越大（EPS中磷占到了颗粒污泥磷积累的45.4%）.表明磷的积累在强化生物除磷的EPS中是不可忽略的[6].

EPS中的磷主要包括正磷酸盐（orthophosphate，简称Ortho-P）、焦磷酸盐（pyrophosphate，简称Pyro-P）和聚磷酸盐（polyphosphate，简称Poly-P）[7].张等[6]研究发现，在强化生物除磷污泥的EPS基质中焦磷酸盐和多聚磷酸盐含量高于正磷酸盐，这表明EPS和多链磷可能比正磷酸盐具有更强的亲和力，参与磷的积累[7].Yang等[8]提出了强化生物除磷污泥中磷转化和输送的模型，该模型认为聚磷菌利用糖原分解的能量，在厌氧阶段将长链多聚磷酸盐降解为短链多聚磷酸盐、焦磷酸盐和正磷酸盐，并释放到周围的EPS基质中.正磷酸盐很容易穿过EPS，但短链多聚磷酸盐和焦磷酸盐由于尺寸较大，且与EPS的亲和力强，被EPS吸附拦截，再进一步分解释放到溶液中.在好氧条件下，聚磷菌在聚磷酸激酶的催化下吸附溶液中正磷酸盐，合成聚多聚磷酸盐链，使溶液中正磷酸盐减少，EPS和细胞中的多聚磷酸盐含量增加，如图2[8]所示.

图2 污泥絮体中磷的传输途径

此外，EPS中的官能团可以吸附基质中的金属离子，通过物理化学和生物化学的方式与基质中的PO43-形成某些特定络合物，并以沉淀的形式贮存在EPS中[9].EPS在脱氮中作用主要体现在絮凝、吸附等方面，在主流厌氧氨氧化AB工艺中，A段是微生物对污水中碳源进行大量吸附，该阶段主要机理是胞外聚合物与二价阳离子发生架桥作用，从而形成紧密的三维絮体结构，吸附有机物；然后厌氧发酵，产生能量；最后在B段利用ANAMMOX技术实现脱氮[10].

1.2 利用胞外酶分解大分子有机物

EPS中一部分蛋白质表现为酶的作用.姜等使用SDS-PAGE蛋白质电泳及蛋白质谱检验EPS，得到了多种与PAHs降解有关的酶类，证明EPS在降解有机大分子过程中具有酶促作用[11].通过研究LB-EPS、TB-EPS和微生物细胞对磷的转移转化，发现TB-EPS中的多聚磷酸盐可以被胞外酶合成和分解.此外，还有很少多聚磷酸盐在TB-EPS中，这表明TB-EPS中的多聚磷酸盐应该主要由外多聚磷酸酶分解成正磷酸盐，并由多聚磷酸盐激酶合成长链多聚磷酸盐[12].王子超等通过3D-EEM图谱发现，当废水中盐度升高时，在EPS中出现色氨酸和芳香族类蛋白荧光峰，证明微生物会分泌更多的胞外酶以适应恶劣的环境变化[13].

因此，EPS中的聚合物降解酶在微生物的生命周期中起着重要作用，能抵抗有毒、有害物质的毒性，减少细胞死亡量.并且酶与胞外多糖的相互作用可以保护酶免受热失活和蛋白水解[14].

1.3 对外源有机化合物或无机物金属离子的吸附

EPS具有吸附性，可以吸附有机物及金属离子.甄凯等人通过研究胞外聚合物对土壤中苯并芘的降解，发现EPS可以促进土壤中苯并芘的降解，并且苯并芘的降解率随着EPS的增加而提高[15].可见，EPS对有机物清除和积累均有一定效果.EPS吸附重金属不仅具有吸附量大、吸附快、结合稳定等优点，且本身不具有生物活性，吸附过程中受环境条件和重金属浓度的影响很小，比传统生物吸附法有更大的潜力[16].重金属主要通过静电作用和络合作用与EPS相结合，例如Hg2+通过络合作用附着在EPS上，而Ca2+则是被EPS静电作用所吸引[17].静电引力大小与离子强度呈负相关，与pH值呈正相关，同时受共存离子影响，当Ca2+与K+共存时，Ca2+吸附量大于K+，因为Ca2+更容易通过静电作用抢占EPS表面的吸附位点[18].近年来文献中不同反应条件下EPS吸附重金属能力及相关模型结果见表1.

表1 吸附反应条件、吸附效能及相关模型

2 EPS对污泥活性性质的影响

2.1 促进颗粒污泥的形成

颗粒污泥是以微生物个体为基本单元，菌胶团为初级结构单元，直径大于0.2 mm具有一定结构强度的生物团聚体[22-23].颗粒污泥的形成机理众说纷纭，目前最被信服的是“胞外聚合物假说”，胞外多聚物的亲疏水性、化学键力、静电力及机械作用对颗粒污泥形成具有重要意义.有报道称微生物在形成颗粒污泥过程中LB-EPS中的蛋白质含量先增加后减少，TB-EPS呈递增趋势[24]，猜测可能是在颗粒污泥形成初期LBEPS中的蛋白质与金属离子结合形成颗粒污泥内核，造成LB-EPS减少，TB-EPS增加.同时由于蛋白质中富含丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸等疏水性氨基酸可促进疏水性分子间的“黏连”[7].随着颗粒化过程，含量较少的多糖呈增长的趋势[25].多糖是EPS的另一宏量组分，并且由于具有反向平行缠绕形成的双螺旋结构、立体构型和特殊的电荷分布等因素，部分多糖分子的糖链形成螺旋后高度难溶，具有一定刚性，对微生物个体或菌胶团等具有机械连接的作用，因此在好氧颗粒污泥结构中起骨架作用[26].相反，若EPS中存在较高浓度的多糖含量，由于多糖较高的亲水性，则会不利于微生物絮体凝结及颗粒化[27].

但不同的颗粒污泥内核虽然以蛋白质为主体，成分却略有不同，以醋酸盐为碳源的好氧颗粒污泥是以蛋白质和β-D-吡喃葡萄糖多糖为内核，细胞和α-D-吡喃葡萄糖多糖积聚在颗粒外层.而以苯酚为碳源的好氧颗粒污泥则以蛋白质为内核，细胞和α-和β-D-吡喃葡萄糖多糖聚集在外层[28].表明颗粒污泥结构与微生物聚集体及基质种类类型密切相关.

2.2 抵御外界环境带来的不利影响

EPS的一个常见功能是其对微生物的保护作用[29]，以抵抗来自外界环境带来的不利影响.例如，在初始厌氧阶段观察到EPS显著增加[30]，可能是由于从有氧环境到厌氧环境的突然转变刺激了微生物，EPS的产生是作为一种自我保护机制[31].同时，人们经常观察到生物膜中微生物较絮体微生物可以耐受更高浓度的杀菌剂（包括消毒剂和抗生素）[32].王海波等人发现在含磺胺嘧啶和环丙沙星的污水中，铜绿假单胞菌、肺炎单胞菌、禽流感单胞菌及其更广泛的分支杆菌属等EPS明显增多，分析证实磺胺嘧啶和环丙沙星的作用使抗药性细菌增加了EPS的产生[33].由此推测EPS能对抗生素产生抵抗.

根据现有研究总结了以下几种可能的机制来解释这种现象：①EPS带电荷的基团可以与有机物中带异性电荷的基团及离子结合；②物理吸附作用；③EPS具有抗氧化活性；④抑制病毒颗粒侵入宿主细胞[34].

2.3 碳源功能及其生物降解性

由于EPS主要由蛋白质（protein，简称PN）、多糖（polysaccharide，简称PS）等有机物构成，故有较高的可生物降解性.研究表明，污泥在饥饿条件下会降解EPS中PS作为碳源，PN作为氮源，以维持微生物正常生命活动[35]，但同时会产生挥发性脂肪酸，导致污泥pH值降低，长久不利于污泥生长[36].需要指出的是，不是所有EPS均可被生物降解，一方面取决于EPS结构及降解EPS酶的数量[37]，另一方面取决于分子量的大小.朱等人[35]发现，饥饿状态下与细胞距离较远的溶解态EPS以及LB-EPS的大分子蛋白和大分子多糖含量较低，而与细胞紧密相连的TB-EPS中大分子蛋白和大分子多糖的含量明显较多，这也可能是微生物已经代谢了与自己距离较近的小分子物质.Wang等人发现好氧颗粒物产生的EPS中至少50%的PS和30%的PN是可生物降解的，其降解速率比乙酸盐慢5倍，但比不可生物降解的胞外聚合物快50倍；通常可生物降解的PS位于好氧颗粒的核心，不可生物降解的存在于外壳上，以维持颗粒污泥的基本结构[38].

2.4 EPS对污泥沉降性、絮凝性的影响

目前，EPS学说是阐述污泥絮凝、沉降普遍认可的说法.对活性污泥絮凝机理主要包括以下三种：聚合物的阳离子架桥理论、XDLVO理论和疏水作用力理论.其中，阳离子架桥理论认为：多价阳离子可以结合EPS中带负电荷的位点以吸附或架桥的方式附着在细菌或污泥絮体表面，以此种方式聚集稳定细菌和EPS基质[39].Caudan等人[40]对不同EPS组分的好氧颗粒物进行酶解试验，结果表明，颗粒污泥在α-淀粉酶水解后，蛋白质与水中微粒发生分离，同时Ca2+的释放得到增加，证明了阳离子桥联理论在维持细胞间水平结构中有重要作用.XDLVO理论是范德华力、静电力和酸碱水合作用相结合后形成的理论，其中范德华力通常表现为引力，静电力为斥力，酸碱水合作用力既可以表现为排斥作用，又可以表现为吸附作用，这取决于微生物自身的表面张力分量和分散相的变化[41].Hou等[38]运用XDLVO理论，很好解释了厌氧氨氧化污泥较活性污泥聚集能力更好的原因.疏水作用力理论表明EPS中蛋白质是疏水性的，因此EPSP（EPS中蛋白质）组分通常被认为是维持聚集体结构和絮凝能力的关键.而EPS中碳水化合物由于其亲水性，更倾向于从环境中吸引更多的流体，从而增加含水量和孔隙率，并放松相邻细胞之间的连接强度，因此，EPS中高含量的碳水化合物则对絮凝不利[42].何等[43]以污水处理厂污泥作为研究对象，发现当EPS中PN/PS增大时，絮凝性能增强，同时出水悬浮物浓度明显下降.

2.5 EPS对污泥脱水性的影响

在污水处理过程中，细菌会不断向溶液中分泌EPS，高含水率的EPS会增加污泥结合水，严重影响污泥的脱水性能[44]，但对活性污泥脱水性能起决定作用的不是EPS总量而是其各组分及类别间含量的差异.多糖内的氢键可抑制羟基与水之间的相互作用，使EPS疏水性相对提高，但多糖易形成凝胶状网络将疏水组分作为填充材料固定在微生物细胞周围，使脱水困难[1].关于蛋白质的作用仍然存在争论.夏等[45]认为蛋白质中疏水基团和氨基中携带的正电荷有利于污泥絮体脱水，但李政等[46]发现污泥脱水性能随蛋白质提取率的升高而增强，证明蛋白质不利于污泥脱水.刘轶等[47]对EPS组分与污泥脱水性能相关性分析后显示，脱水性能与PN/PS相关性较高，PN/PS越大，污泥絮体的亲水性越强、脱水性能越差.王红武等人的研究表明，当TB-EPS相对于LB-EPS量越多，则对污泥脱水越有利[48].同时，腐殖类物质对污泥脱水性没有明显影响，类脂类则不利于污泥脱水[49].

3 EPS在其他领域中的应用

EPS具有独特的特性，如生物相容性、胶凝性和增稠性，因此具有很高的工业应用价值.如生物胞外多糖可以通过保持环境湿度和捕获养分从而增强土壤颗粒的聚集性，并有利于植物生长.表2、表3分别总结了国内外微生物胞外聚合物的生态学功能及其在医疗食品等领域的应用，以期为今后研究的开展提供一定的参考.通过比较国内外胞外聚合物的研究进展，发现国内对胞外聚合物的应用仍处在基础阶段，主要利用胞外聚合物的絮凝性和吸附性，同时缺乏对胞外聚合物安全性的研究.今后在确保安全的前提下，应拓展胞外聚合物的应用领域，如食品、医疗、化工等方面，实现可循环利用.