微生物胞外聚合物在環(huán)境工程中的應(yīng)用進(jìn)展

葉小青，彭亭瑜，姬玉欣，何麗玲，劉安娜，金仁村

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036)

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微生物胞外聚合物在環(huán)境工程中的應(yīng)用進(jìn)展

葉小青，彭亭瑜，姬玉欣，何麗玲，劉安娜，金仁村

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036)

摘要：微生物胞外聚合物(EPS)具有可以充當(dāng)吸附劑、絮凝劑、混凝劑及固定微生物等潛能.系統(tǒng)綜述了基于EPS在環(huán)境工程領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展，詳細(xì)闡述了EPS在土壤中污染物去除及土壤修復(fù)的研究成果，指出了EPS作為生物絮凝劑的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)EPS的作用機(jī)理進(jìn)行探討，以期為EPS在環(huán)境工程中的深入研究給予借鑒和指導(dǎo).

關(guān)鍵詞：微生物胞外聚合物；吸附劑；生物絮凝劑；環(huán)境工程；作用機(jī)理

微生物產(chǎn)生的胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)的主要成分是一些高分子物質(zhì)，如多糖、蛋白質(zhì)、核酸等[1].EPS填充并形成了細(xì)菌之間的空間，進(jìn)而構(gòu)筑了聚集體.微生物被EPS包埋在其內(nèi)，因而EPS為細(xì)胞固定化提供了場(chǎng)所，尤其是直接覆蓋于細(xì)菌細(xì)胞壁外的附著型EPS，其特殊的位置決定著它的成分及數(shù)量必然影響污泥的表面特性、生物絮凝能力、沉降性能及脫水性能等，因而在活性污泥中扮演重要角色[2].近年來(lái)，環(huán)境工程中有關(guān)EPS的研究主要集中在廢水生物處理領(lǐng)域.龍向宇等[3]在2012年研究了EPS在廢水生物除磷中的作用.試驗(yàn)結(jié)果表明，EPS中不僅含有以高價(jià)陽(yáng)離子沉淀物或絡(luò)合物形式存在的無(wú)機(jī)磷，而且含有以細(xì)菌細(xì)胞分泌物或代謝產(chǎn)物形式存在的有機(jī)磷.蔣勗欣等[4]在2014年對(duì)EPS在活性污泥中的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了研究，考察了普通絮體污泥顆?；^(guò)程中EPS 的組分變化和分布情況.

本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)EPS在環(huán)境工程(包括給水處理、廢水絮凝和沉降、廢水脫色、污泥脫水、金屬去除和回收、毒性有機(jī)化合物的去除等)中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)EPS的作用機(jī)理進(jìn)行了分析，并對(duì)未來(lái)研究進(jìn)行了展望.

1水處理

1.1給水處理

最近一些研究報(bào)道了由不同細(xì)菌菌株產(chǎn)生的EPS的應(yīng)用，這些EPS主要用于給水處理[5-8].例如，燒杯試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由芽孢桿菌(Bacillussp.)合成的EPS處理含高嶺土原水，濁度去除率可達(dá)86%，盡管仍低于Al2(SO4)3的95%和Fe2(SO4)3的96%[7]，也不失為一種備選水處理劑.此外，EPS和Fe2(SO4)3的結(jié)合處理效果更好.EPS應(yīng)用于原水處理時(shí)沒(méi)有殘余的鐵離子和鋁離子積累.Li等[6]在2009年調(diào)查了由地衣芽孢桿菌(B.licheniformis)合成的EPS，并指出其可用于飲用水處理.此類EPS在飲用水處理方面展現(xiàn)出良好的絮凝性能，COD和濁度的最大去除率分別是61.2%和95.6%.而且在不同溫度下(4 ℃和25 ℃)處理效果均不錯(cuò).根據(jù)Li等[6]的研究，由地衣芽孢桿菌合成的EPS處理飲用水是安全的.EPS可以由不同的菌株合成，例如芽孢桿菌(B.subtilis)、乙酰微桿菌(Exiguobacteriumacetylicum)、克雷伯氏桿菌(Klebsiellaterrigena)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、產(chǎn)堿假單胞菌(Pseudomonaspseudoalcaligenes)，而且假單胞菌合成 EPS的劑量為10 mg/L時(shí)可以去除河水84.1% ～ 93.6%的濁度[5].EPS也能夠去除河水水樣中的革蘭氏陽(yáng)性菌(金黃色葡萄球菌(S.aureus)、糞鏈球菌(Streptococcusfaecalis))和革蘭氏陰性菌(大腸桿菌(Escherichiacoli)、產(chǎn)酸克雷伯氏菌(K.oxytoca)).Buthelezi等[5]指出細(xì)菌EPS在水處理中可以成為明礬的潛在替代品.河水中的天然有機(jī)物(NOM)存在很大的健康隱患.由銅綠假單胞菌(P.aeruginosa)和惡臭假單胞菌(P.putida)合成的EPS能夠去除NOM[9].此外，由于EPS的無(wú)毒性和可生物降解性，作為備用絮凝劑有其優(yōu)勢(shì).雖然一些研究已經(jīng)提倡EPS應(yīng)用于河流或飲用水治理，但是這項(xiàng)技術(shù)尚未被廣泛接受.生物法處理飲用水并非最佳選擇，可能存在微生物污染.為了安全起見(jiàn)，需要外加過(guò)濾、消毒等單元操作.EPS在飲用水處理應(yīng)用中的安全問(wèn)題尚需進(jìn)一步研究.

1.2工業(yè)廢水處理

在工業(yè)廢水處理中，絮凝是去除懸浮物(SS)最常用的方法之一.最近研究表明EPS在廢水處理中可以替代傳統(tǒng)的化學(xué)絮凝劑.Gong等[10]在2008年指出由沙雷氏菌(Serratiaficaria)合成的EPS有望應(yīng)用于多種工業(yè)廢水(啤酒、醬油釀造、肉類加工和紙漿生產(chǎn)廢水)的處理.而由芽孢桿菌(B.mucilaginosus)合成的EPS能去除淀粉廢水85%以上的懸浮物和68.5%的COD[11].EPS也可用于處理豬場(chǎng)廢水，處理效果稍優(yōu)于傳統(tǒng)的絮凝劑，濁度和COD去除率分別可達(dá)91%和42%[12].Lian等[13]在2008年曾報(bào)道由芽孢桿菌(B.mucilaginosus)合成的EPS可用于處理市政廢水、釀造廢水和制藥廢水，COD去除率為74.6%、70.5%和66.2%；BOD去除率為42.3%、77.4%和41.7%；SS去除率為93.3%、93.6%和88.4%.另?yè)?jù)報(bào)道，混合菌群能產(chǎn)生絮凝性能更優(yōu)的EPS.這種EPS由葡萄球菌(Staphylococcussp.)和假單胞菌(Pseudomonassp.)混合菌群產(chǎn)生，可成功應(yīng)用于靛藍(lán)印染廢水處理(COD去除率達(dá)到80%)[14].Li等[15]在2013年揭示了由類芽孢桿菌(Paenibacilluselgii)(B69)合成的EPS中的多糖可使廢水中COD和濁度去除率分別達(dá)到68%和83%.目前大多數(shù)關(guān)于EPS廢水處理的研究都僅限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，處理效果還需中試及生產(chǎn)性試驗(yàn)檢驗(yàn).

染料導(dǎo)致紡織工業(yè)廢水的顏色變化、有機(jī)負(fù)荷和毒性的增加[16].未經(jīng)處理的紡織工業(yè)廢水排放進(jìn)入天然水體勢(shì)必會(huì)對(duì)水生生物造成危害[16-17].最近，生物吸附法被認(rèn)為是治理有毒工業(yè)廢水最具潛力的技術(shù)之一.細(xì)菌的吸附能力歸因于細(xì)胞壁表面的EPS(主要是雜多糖和脂質(zhì))，它包含不同的官能團(tuán)(例如氨基、羧基、羥基、磷酸等)，這些官能團(tuán)產(chǎn)生染料和細(xì)胞壁之間的吸引力[16-19].一些研究表明EPS作為生物吸附劑具有潛在適用性[14,17-18,20-21].

Buthelezi等[18]在2008年報(bào)道了由幾種不同菌種(如芽孢桿菌Bacillus、微小桿菌Exiguobacterium、克雷伯氏菌Klebsiella、假單胞菌屬Pseudomonas和葡萄球菌Staphylococcus)合成的EPS可有效去除染料.使用EPS作為生物吸附劑時(shí)的廢水脫色效率為20% ～ 99.9%[18].EPS對(duì)品紅染料具有高效的脫色率(93%)，而對(duì)六價(jià)鉻離子去除率只有28%(鉻離子初始濃度為280 mg/L)[18].生物吸附能力和脫色效率取決于EPS濃度、pH、溫度、離子強(qiáng)度、接觸時(shí)間、染料濃度、染料結(jié)構(gòu)和微生物種類[16].Inbaraj等[21]在2008年研究了在不同溫度和pH下由芽孢桿菌(Bacillussp.)合成的EPS對(duì)于堿性棕1染料的脫色效果，并發(fā)現(xiàn)染料吸附速率隨溶液溫度的增加而增加，而吸附容量隨溫度下降而降低.在pH為5 時(shí)染料吸附率最大[21].在乳制品廢水中由克雷伯氏菌(K.mobilis)產(chǎn)生的EPS在水溶液中能高效地吸附分散的染料，分散紫HFRL去除率為91%[19].在批次系統(tǒng)中，由變形桿菌(Proteusmirabilis)合成的EPS能高效地處理水溶液中的堿性藍(lán)54[17]，最大吸附容量為2.005 g/g EPS.根據(jù)Zhang等[17]在2009年的研究，EPS上有大量的結(jié)合位點(diǎn)，強(qiáng)大的范德華力可吸附染料分子.EPS最終可完全嵌入被吸附的染料分子內(nèi).Solís等[16]在2012年發(fā)現(xiàn)菌膠團(tuán)的脫色率高于單一細(xì)菌.Zhang等[14]在2007年觀察到由葡萄球菌(Staphylococcussp.)和假單胞菌(Pseudomonassp.)分泌的EPS可以處理印染廢水.據(jù)Liu等[20]在2009年報(bào)道，從反沖洗污泥中提取的EPS在亞甲藍(lán)和固藍(lán)水溶液中顯示出高脫色率(82.9%和77.8%).總而言之，EPS是性能良好的生物吸附劑，可去除和回收不同廢水中的染料.隨著對(duì)EPS吸附認(rèn)知的不斷深入，它有望成為一種節(jié)能有效的染料處理技術(shù).

1.3垃圾滲濾液處理

混凝-絮凝工藝可用于去除垃圾滲濾液中的有機(jī)物，也可以治理穩(wěn)定老化的垃圾滲濾液，并且比膜分離和使用吸附劑更便捷和便宜[21].細(xì)菌EPS可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化學(xué)混凝劑和絮凝劑應(yīng)用在滲濾液的處理中.Zouboulis等[23]在2004年發(fā)現(xiàn)根單胞菌(Rhizomonassp.)產(chǎn)生的EPS對(duì)于去除溶液中的腐殖酸相當(dāng)有效，并且可減少滲濾液中45%的COD，處理效果堪比明礬或聚合氯化鋁.在pH為7 ～ 7.5時(shí)，添加20 mg/L的EPS可使腐殖酸的去除率高達(dá)85%.在這種情況下，使用EPS的優(yōu)點(diǎn)是不需調(diào)整pH即可獲得最佳去除效果.添加500 mg/L明礬得到的COD去除效果與僅添加50 mg/L EPS的效果相同.使用EPS處理垃圾滲濾液也有利于消除或降低處理后滲濾液中鋁或鐵的濃度.

生產(chǎn)EPS的菌種可在滲濾液原位處理時(shí)生長(zhǎng).“低齡”(不超過(guò)5年)垃圾填埋場(chǎng)的滲濾液通常含有大量有機(jī)物，可以作為細(xì)菌菌株生產(chǎn)EPS合適的原材料[23-24].滲濾液滲入土壤或地下水是垃圾填埋場(chǎng)面臨的主要環(huán)境問(wèn)題.減少滲濾液的排放，在排放前對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行有效的收集和處理是垃圾填埋工程的重要內(nèi)容，也是有待改進(jìn)的環(huán)節(jié)[22].在這種情況下，EPS具有非常顯著的生態(tài)效應(yīng)，其適應(yīng)性強(qiáng)，能在不同環(huán)境中使用.鑒于此，生產(chǎn)EPS的細(xì)菌可以作為生物屏障用于地下水保護(hù).細(xì)菌EPS和菌體本身形成生物屏障，堵塞含水層從而將地下區(qū)域中毗鄰空間分開(kāi).這樣，生物膜阻止了滲濾液進(jìn)一步滲透污染土壤和地下水.含水層生物堵塞可以通過(guò)在目標(biāo)位置添加微生物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)[25-26].鑒于EPS在生物技術(shù)方面的開(kāi)發(fā)潛力(環(huán)境污染物的生物修復(fù)和化學(xué)藥品的合成)，生產(chǎn)EPS的細(xì)菌有待進(jìn)一步研究.合成EPS的菌株可被分離出來(lái)研究其在污染區(qū)生物修復(fù)的可能應(yīng)用.在這種情況下，EPS生產(chǎn)菌株應(yīng)用于垃圾填埋場(chǎng)滲濾液處理時(shí)，將其與滲濾液分離是有利的.在地下和地表環(huán)境生物修復(fù)過(guò)程中探索可能的微生物應(yīng)用還有很大空間.尤其是從根本上了解EPS在堵塞處理中發(fā)揮的確切作用，影響堵塞效率的因素以及它們的形態(tài)對(duì)堵塞土壤或含水層材質(zhì)的影響.

表1列出了EPS在處理不同類型污水中的應(yīng)用.由表可知，處理不同類型的廢水水質(zhì)有其適合的EPS，并非所有微生物菌群產(chǎn)生的EPS都可以治理同一種廢水，需要通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)尋找效果最佳的EPS，因而廢水類型與可產(chǎn)生EPS的菌體相匹配.由表還可知，不同種類的EPS去除效果相差較大.

表1　EPS在不同類型水質(zhì)中的應(yīng)用

1.4污泥脫水

污泥機(jī)械脫水操作過(guò)程中會(huì)使用大量化學(xué)絮凝劑，這使得在污水處理廠中污泥脫水的成本昂貴.污泥中EPS的濃度和特性是影響污泥脫水效率的重要參數(shù)[27-29].近年來(lái)，EPS已經(jīng)被作為絮凝劑應(yīng)用于污泥脫水的研究中.添加由克雷伯氏菌(Klebsiellasp.)合成的EPS與添加最適濃度的化學(xué)絮凝劑(如明礬、聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺)相比，具有相似的污泥脫水性能[30].用EPS預(yù)調(diào)理污泥最終得到干污泥固體含量為17.5%(w/w)和污泥過(guò)濾比阻為3.36×1012m/kg.Yang等[30]在2012年還發(fā)現(xiàn)EPS和明礬結(jié)合使用可使過(guò)濾比阻從10.87×1012m/kg降至1.72×1012m/kg，干固體含量從13.1%增加到21.3%.據(jù)Zhang等[31]在2010年的研究表明：0.17%(w/w)EPS與1.3%(w/w)CaCl2結(jié)合使用與傳統(tǒng)的化學(xué)絮凝劑相比，可增強(qiáng)污泥脫水性能.此外，EPS在中性pH值時(shí)表現(xiàn)出很好的污泥調(diào)理性能.關(guān)于EPS在污泥脫水中應(yīng)用的詳細(xì)研究仍舊缺乏，還需要結(jié)合污泥種類和濃度、陽(yáng)離子種類及其濃度的影響，對(duì)EPS在污泥脫水過(guò)程中的真正潛力進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估.

2金屬去除和回收

目前，EPS在廢水處理領(lǐng)域的另一個(gè)突出貢獻(xiàn)是重金屬的去除.廢水中去除重金屬的過(guò)程可通過(guò)活性污泥中EPS的絮凝和沉淀過(guò)程實(shí)現(xiàn)[32].由幾種不同菌種產(chǎn)生的EPS(如芽孢桿菌Bacillus、鹽單胞菌Halomonas、草螺菌Herbaspirillum、假單胞菌Pseudomonas和類芽孢桿菌Paenibacillus)被認(rèn)為是工業(yè)廢水處理中頗具應(yīng)用前景的絮凝劑[33].在這項(xiàng)研究中，當(dāng)添加最適濃度的EPS(1～10 mg/L)時(shí)可觀察到Pb2+、 Zn2+和Hg2+的去除率較高(大于50%)，而且EPS僅在高濃度(1 000 mg/L)時(shí)才能有效去除Cd2+.通過(guò)提升溫度(高達(dá)45 ℃)可顯著增強(qiáng)EPS對(duì)Cd2+的去除能力(達(dá)95%).能分泌EPS的假單胞菌(Pseudomonassp.)(菌株EJ01)被觀察到能夠耐受培養(yǎng)基中的Cd2+(2 mmol/L及以上)，并且其耐受力與菌體產(chǎn)生的EPS濃度直接相關(guān)[34].

鑒于EPS處理重金屬?gòu)U水的成功應(yīng)用，EPS在礦物浮選過(guò)程中也得到了很好的發(fā)展.由土壤微生物合成的EPS被吸附在礦物表面，會(huì)影響礦物質(zhì)固定重金屬的能力.Mikutta等[35]在2012年研究了在鈣飽和膨潤(rùn)土和鐵礦中由枯草芽孢桿菌(B.subtilis)合成的EPS對(duì)Pb2+、Cu2+和Zn2+的吸附動(dòng)力學(xué).膨潤(rùn)土比鐵礦(7.9 mg/g)吸附更高的EPS-C(18.5 mg/g).在吸附期間，EPS改變了膨潤(rùn)土的化學(xué)性質(zhì)，并且其對(duì)低分子量組分和EPS-N的攝取優(yōu)于其他組分.與礦物質(zhì)結(jié)合的EPS能提高膨潤(rùn)土對(duì)Pb2+、Cu2+和Zn2+的吸附率.另一方面，EPS聚合了鐵礦并改變了礦物EPS結(jié)合體的結(jié)構(gòu).鐵礦選擇性地保留EPS中高分子量和富含P的組分，并且它對(duì)鐵礦吸附金屬有負(fù)面影響.EPS結(jié)合位點(diǎn)的數(shù)量和吸附容量與蛋白質(zhì)、多糖和腐殖質(zhì)的含量有關(guān)，因?yàn)樗鼈償y帶有羧基、羥基和胺基等官能團(tuán)[32,36].金屬離子還可以累積在細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)內(nèi)或吸附在細(xì)胞壁上[37].

3有毒有機(jī)物的去除

EPS具有去除廢水、污泥和土壤中多種有毒有機(jī)物的能力.微生物降解多環(huán)芳烴(PAHs)被認(rèn)為是最可行的生物修復(fù)技術(shù)[38].據(jù)報(bào)道，細(xì)菌產(chǎn)生的EPS可用于去除污染土壤中的PAHs[38-40].原位接種可降解PAHs的細(xì)菌，其產(chǎn)生的EPS能夠有效清理受PAHs污染的土壤和沉積物[38].Jia等[39]在2011年報(bào)道EPS對(duì)PAHs的降解具有至關(guān)重要的作用.EPS和PAHs的相互作用被認(rèn)為是自發(fā)和放熱的過(guò)程，EPS和PAHs的聯(lián)結(jié)主要受疏水作用控制.EPS具有表面活性，使疏水性底物溶解.有機(jī)菲(PHE)降解過(guò)程主要發(fā)生在硅膠油-水界面.細(xì)菌通過(guò)分泌EPS來(lái)克服PHE的傳質(zhì)限制，從而促進(jìn)PHE在硅油中的溶解.EPS能夠促進(jìn)PHE在水中的傳質(zhì)，從而提高PHE的生物有效性.Liu等[40]報(bào)道細(xì)菌產(chǎn)生的EPS能夠提高與土壤結(jié)合的有機(jī)菲的釋放程度.Jia等[39]觀察到菌膠菌(Zoogloeasp.)和黑曲霉(Aspergillusniger)經(jīng)過(guò)35 d可降解30%以上的有機(jī)芘.對(duì)于這兩種微生物，有機(jī)芘的降解會(huì)隨著EPS濃度的增加而加速.增加EPS與芘接觸的比表面積也可以促進(jìn)芘降解.迄今為止，關(guān)于EPS去除有毒有機(jī)物的報(bào)道大部分尚停留在實(shí)驗(yàn)室研究.

4土壤修復(fù)和再生

最近，通過(guò)專門(mén)選擇的微生物來(lái)降低污染土壤中的碳?xì)浠衔锖椭亟饘俚募夹g(shù)越來(lái)越受關(guān)注[42].生物降解最近被認(rèn)為是最具潛力的土壤修復(fù)技術(shù)之一，尤其是在受到碳?xì)浠衔镂廴镜膬蓸O地區(qū)[43].許多研究集中在生物膜反應(yīng)器對(duì)難降解化合物的修復(fù)[44].生物膜由EPS承載的微生物群落組成.生物膜具有更高的微生物量，可以降解難降解化合物，而且生物膜可通過(guò)EPS來(lái)固定化合物[44].同時(shí)可加強(qiáng)基因在生物膜微生物群落中的轉(zhuǎn)移，并且它們的趨化性使得生物膜適合于生物修復(fù)[44].在最近的研究中，生物膜顯示了非常強(qiáng)(97%)的生物降解能力[26].生物修復(fù)的成功應(yīng)用依賴于微生物的降解能力和原位環(huán)境條件[43].生物修復(fù)可以通過(guò)基因工程來(lái)提高效率.微生物的趨化性能、混合培養(yǎng)生物膜和理化條件的優(yōu)化是基因工程的關(guān)注點(diǎn)[44].現(xiàn)在有必要對(duì)生物膜和生物膜內(nèi)的基因轉(zhuǎn)移進(jìn)行大量研究，因?yàn)檫@些研究可以促進(jìn)污染土壤生物膜治理技術(shù)的發(fā)展.

EPS可以用于減緩固體在徑流水中的傳輸、阻礙重金屬的運(yùn)輸、穩(wěn)定土壤和減少粉塵的產(chǎn)生[45].EPS可以通過(guò)好氧生物反應(yīng)器內(nèi)的純培養(yǎng)或混合培養(yǎng)產(chǎn)生.EPS可以從培養(yǎng)基中分離并可提取產(chǎn)生非反應(yīng)性(非交聯(lián))材料.這種非反應(yīng)性材料可以作為低密度干燥固體轉(zhuǎn)運(yùn)，也可將其與干燥EPS、水混合產(chǎn)生一種粘性液體或凝膠應(yīng)用于土壤表面.也可以直接將干燥的EPS加入土壤，然后再加水來(lái)使用EPS.EPS能在土壤中形成凝膠與土壤分子結(jié)合.EPS在土壤表面粘附、聚集形成生物膜和保護(hù)罩對(duì)水吸收、養(yǎng)分積累等過(guò)程起到重要的作用.細(xì)菌中EPS的分泌被認(rèn)為在促進(jìn)沉積物表面耐腐蝕性方面起到粘結(jié)作用[46].藍(lán)藻已被作為土壤的粘附劑應(yīng)用于干旱地區(qū)[47].本土土壤細(xì)菌的天然產(chǎn)物在土壤修復(fù)中的應(yīng)用引出生物-地理-市政工程的概念[48].來(lái)自根瘤菌(Rhizobiumtropici)的EPS能提高土壤強(qiáng)度，并且有助于控制土壤被侵蝕，提高邊坡的穩(wěn)定性.在傳統(tǒng)方法(土隔膜和植被覆用)不適用的情況下，此方法特別適用(見(jiàn)表2).

表2　EPS在環(huán)境污染控制中的潛在應(yīng)用

5結(jié)論

隨著公眾環(huán)境意識(shí)的提高和燃料資源的缺乏，發(fā)展可循環(huán)利用的生物聚合物來(lái)代替合成聚合物越來(lái)越受到關(guān)注.對(duì)那些可處理廢水、污泥和滲濾液的細(xì)菌EPS的生產(chǎn)需求也會(huì)逐漸增長(zhǎng).微生物產(chǎn)生的EPS本身具有的吸附、絮凝、降解以及生物浸取功能是其能在以上8個(gè)方面應(yīng)用中發(fā)揮作用的關(guān)鍵因素.其中，EPS在水處理、廢水絮凝和沉降以及廢水脫色應(yīng)用中主要充當(dāng)吸附劑和絮凝劑的角色，可以有效地分離廢水中的懸浮固體和有機(jī)物.在污泥脫水中，EPS起到增稠劑的作用，并且多價(jià)陽(yáng)離子的存在和濃度對(duì)污泥脫水效果具有重要影響.通過(guò)生物浸取和生物降解，EPS可去除或回收廢水、垃圾滲濾液中的重金屬和有毒有機(jī)物.EPS在土壤修復(fù)和再生中的應(yīng)用最近備受關(guān)注，它主要利用生物降解和吸附功能來(lái)去除土壤中碳?xì)浠衔锖椭亟饘?同時(shí)它還可以穩(wěn)定土壤，阻礙污染物在土壤中的運(yùn)輸，進(jìn)而防止污染物向大氣和水體擴(kuò)散.總而言之，EPS的環(huán)境應(yīng)用很具有發(fā)展前景，但是目前還缺少相關(guān)的技術(shù)和理論支持，在投入大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用前還需要進(jìn)行大量的研究和反復(fù)試驗(yàn).今后的研究重點(diǎn)是：1)目前EPS的提取過(guò)程較為繁瑣且產(chǎn)量低，是現(xiàn)有EPS研究和應(yīng)用的主要障礙之一.因此，未來(lái)的工作應(yīng)該完善現(xiàn)有的提取方法，尋找EPS的高產(chǎn)微生物；2)加大對(duì)EPS組成和作用原理的研究力度，加深對(duì)EPS的認(rèn)識(shí)；3)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的分析技術(shù)，提高研究效率和準(zhǔn)確度.

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收稿日期：2015-04-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201210346001)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278162).

通信作者：金仁村(1979—)，男，教授，博士，主要從事水污染控制和環(huán)境生物技術(shù)研究.E-mail:jrczju@aliyun.com

doi:10.3969/j.issn.1674-232X.2016.04.010

中圖分類號(hào):X703

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1674-232X(2016)04-0387-07

Application Progress of Microorganism Extracellular Polymeric Substances in Environmental Engineering

YE Xiaoqing, PENG Tingyu, JI Yuxin, HE Liling, LIU Anna, JIN Rencun

(College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

Abstract:Extracellular polymeric substances (EPS) have the potential to serve as adsorbent, flocculant, coagulant and immobilization of microorganism, etc. Basing on the EPS application in environmental engineering, this study reviews the function of EPS in pollutants removal and soil restoration systematically, points out the advantages of EPS as the bioflocculant, and discusses the mechanism of EPS to provide an guidance for the in-depth study of EPS in environmental engineering.

Key words:microorganism extracellular polymeric substances; adsorbent; bioflocculant; environmental engineering; mechanism