胞外聚合物在環(huán)境工程中的研究進展

吳亞萍，盧靜芳，李亞靜，蔡曼莎，王 棟，于靜潔，賈麗媛

（1.天津城建大學(xué)，天津300384；2.天津艾凱文水處理科技有限公司，天津300384）

胞外聚合物（extracellular polymeric substances，簡稱E PS）是微生物新陳代謝過程中分泌于胞外的復(fù)雜高分子多聚物.通常由多糖和蛋白質(zhì)構(gòu)成，還含有少量的核酸、腐殖酸、類脂類和糖醛酸等，這些物質(zhì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)會影響E PS的親疏水性、吸附性、絮凝性等[1].根據(jù)E PS在胞外的位置分布不同，可將其劃分為溶解態(tài)EPS（soluble EPS）和結(jié)合態(tài)E PS（bound EPS）[2].此外，結(jié)合EPS（BEPS）呈現(xiàn)動態(tài)雙層結(jié)構(gòu)[3]，通過提取方法，將其分為內(nèi)層緊密結(jié)合E PS（tightly bound EPS，簡稱T B-E PS）和外層松散結(jié)合E PS（loosely bound EPS，簡稱LB-E PS）,如圖1[4]所示.

圖1 EPS空間結(jié)構(gòu)

胞外聚合物具有易于生物降解、高效、無毒、無二次污染等優(yōu)點，被認為是傳統(tǒng)化學(xué)聚合物的潛在替代品.近年來，胞外聚合物在水處理、化工冶煉等方面的應(yīng)用越來越受到人們的重視.在這種背景下，關(guān)于E PS的文獻信息分布廣泛，非常稀少.因此，本文對迄今為止有關(guān)E PS性質(zhì)及其在環(huán)境應(yīng)用的各種研究進行了評述，并對E PS的未來研究需求和先進應(yīng)用前景進行了評述.

1 EPS在污水處理系統(tǒng)中的作用

1.1 EPS在脫氮除磷中的作用

強化生物除磷以其經(jīng)濟、可持續(xù)等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用.通常認為，強化生物除磷是由于聚磷菌在厭氧釋放磷酸鹽，好氧過量吸收磷酸鹽，并以聚磷酸鹽的形式儲存在聚磷菌中，從而達到除磷效果[5].然而近年來的研究表明，胞外聚合物（EPS）也在這個過程中起作用.Zhang等人采用不同的EPS提取方法檢測活性污泥及顆粒污泥EPS中磷含量，發(fā)現(xiàn)顆粒污泥EPS中磷含量比活性污泥EPS中磷含量高，污泥中EPS總含量越高，其在磷積累中所占的比例也就越大（EPS中磷占到了顆粒污泥磷積累的45.4%）.表明磷的積累在強化生物除磷的EPS中是不可忽略的[6].

EPS中的磷主要包括正磷酸鹽（orthophosphate，簡稱Ortho-P）、焦磷酸鹽（pyrophosphate，簡稱Pyro-P）和聚磷酸鹽（polyphosphate，簡稱Poly-P）[7].張等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在強化生物除磷污泥的EPS基質(zhì)中焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽含量高于正磷酸鹽，這表明EPS和多鏈磷可能比正磷酸鹽具有更強的親和力，參與磷的積累[7].Yang等[8]提出了強化生物除磷污泥中磷轉(zhuǎn)化和輸送的模型，該模型認為聚磷菌利用糖原分解的能量，在厭氧階段將長鏈多聚磷酸鹽降解為短鏈多聚磷酸鹽、焦磷酸鹽和正磷酸鹽，并釋放到周圍的EPS基質(zhì)中.正磷酸鹽很容易穿過EPS，但短鏈多聚磷酸鹽和焦磷酸鹽由于尺寸較大，且與EPS的親和力強，被EPS吸附攔截，再進一步分解釋放到溶液中.在好氧條件下，聚磷菌在聚磷酸激酶的催化下吸附溶液中正磷酸鹽，合成聚多聚磷酸鹽鏈，使溶液中正磷酸鹽減少，EPS和細胞中的多聚磷酸鹽含量增加，如圖2[8]所示.

圖2 污泥絮體中磷的傳輸途徑

此外，EPS中的官能團可以吸附基質(zhì)中的金屬離子，通過物理化學(xué)和生物化學(xué)的方式與基質(zhì)中的PO43-形成某些特定絡(luò)合物，并以沉淀的形式貯存在EPS中[9].EPS在脫氮中作用主要體現(xiàn)在絮凝、吸附等方面，在主流厭氧氨氧化AB工藝中，A段是微生物對污水中碳源進行大量吸附，該階段主要機理是胞外聚合物與二價陽離子發(fā)生架橋作用，從而形成緊密的三維絮體結(jié)構(gòu)，吸附有機物；然后厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生能量；最后在B段利用ANAMMOX技術(shù)實現(xiàn)脫氮[10].

1.2 利用胞外酶分解大分子有機物

EPS中一部分蛋白質(zhì)表現(xiàn)為酶的作用.姜等使用SDS-PAGE蛋白質(zhì)電泳及蛋白質(zhì)譜檢驗EPS，得到了多種與PAHs降解有關(guān)的酶類，證明EPS在降解有機大分子過程中具有酶促作用[11].通過研究LB-EPS、TB-EPS和微生物細胞對磷的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，發(fā)現(xiàn)TB-EPS中的多聚磷酸鹽可以被胞外酶合成和分解.此外，還有很少多聚磷酸鹽在TB-EPS中，這表明TB-EPS中的多聚磷酸鹽應(yīng)該主要由外多聚磷酸酶分解成正磷酸鹽，并由多聚磷酸鹽激酶合成長鏈多聚磷酸鹽[12].王子超等通過3D-EEM圖譜發(fā)現(xiàn)，當(dāng)廢水中鹽度升高時，在EPS中出現(xiàn)色氨酸和芳香族類蛋白熒光峰，證明微生物會分泌更多的胞外酶以適應(yīng)惡劣的環(huán)境變化[13].

因此，EPS中的聚合物降解酶在微生物的生命周期中起著重要作用，能抵抗有毒、有害物質(zhì)的毒性，減少細胞死亡量.并且酶與胞外多糖的相互作用可以保護酶免受熱失活和蛋白水解[14].

1.3 對外源有機化合物或無機物金屬離子的吸附

EPS具有吸附性，可以吸附有機物及金屬離子.甄凱等人通過研究胞外聚合物對土壤中苯并芘的降解，發(fā)現(xiàn)EPS可以促進土壤中苯并芘的降解，并且苯并芘的降解率隨著EPS的增加而提高[15].可見，EPS對有機物清除和積累均有一定效果.EPS吸附重金屬不僅具有吸附量大、吸附快、結(jié)合穩(wěn)定等優(yōu)點，且本身不具有生物活性，吸附過程中受環(huán)境條件和重金屬濃度的影響很小，比傳統(tǒng)生物吸附法有更大的潛力[16].重金屬主要通過靜電作用和絡(luò)合作用與EPS相結(jié)合，例如Hg2+通過絡(luò)合作用附著在EPS上，而Ca2+則是被EPS靜電作用所吸引[17].靜電引力大小與離子強度呈負相關(guān)，與pH值呈正相關(guān)，同時受共存離子影響，當(dāng)Ca2+與K+共存時，Ca2+吸附量大于K+，因為Ca2+更容易通過靜電作用搶占EPS表面的吸附位點[18].近年來文獻中不同反應(yīng)條件下EPS吸附重金屬能力及相關(guān)模型結(jié)果見表1.

表1 吸附反應(yīng)條件、吸附效能及相關(guān)模型

2 EPS對污泥活性性質(zhì)的影響

2.1 促進顆粒污泥的形成

顆粒污泥是以微生物個體為基本單元，菌膠團為初級結(jié)構(gòu)單元，直徑大于0.2 mm具有一定結(jié)構(gòu)強度的生物團聚體[22-23].顆粒污泥的形成機理眾說紛紜，目前最被信服的是“胞外聚合物假說”，胞外多聚物的親疏水性、化學(xué)鍵力、靜電力及機械作用對顆粒污泥形成具有重要意義.有報道稱微生物在形成顆粒污泥過程中LB-EPS中的蛋白質(zhì)含量先增加后減少，TB-EPS呈遞增趨勢[24]，猜測可能是在顆粒污泥形成初期LBEPS中的蛋白質(zhì)與金屬離子結(jié)合形成顆粒污泥內(nèi)核，造成LB-EPS減少，TB-EPS增加.同時由于蛋白質(zhì)中富含丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸等疏水性氨基酸可促進疏水性分子間的“黏連”[7].隨著顆?；^程，含量較少的多糖呈增長的趨勢[25].多糖是EPS的另一宏量組分，并且由于具有反向平行纏繞形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)、立體構(gòu)型和特殊的電荷分布等因素，部分多糖分子的糖鏈形成螺旋后高度難溶，具有一定剛性，對微生物個體或菌膠團等具有機械連接的作用，因此在好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)中起骨架作用[26].相反，若EPS中存在較高濃度的多糖含量，由于多糖較高的親水性，則會不利于微生物絮體凝結(jié)及顆?；痆27].

但不同的顆粒污泥內(nèi)核雖然以蛋白質(zhì)為主體，成分卻略有不同，以醋酸鹽為碳源的好氧顆粒污泥是以蛋白質(zhì)和β-D-吡喃葡萄糖多糖為內(nèi)核，細胞和α-D-吡喃葡萄糖多糖積聚在顆粒外層.而以苯酚為碳源的好氧顆粒污泥則以蛋白質(zhì)為內(nèi)核，細胞和α-和β-D-吡喃葡萄糖多糖聚集在外層[28].表明顆粒污泥結(jié)構(gòu)與微生物聚集體及基質(zhì)種類類型密切相關(guān).

2.2 抵御外界環(huán)境帶來的不利影響

EPS的一個常見功能是其對微生物的保護作用[29]，以抵抗來自外界環(huán)境帶來的不利影響.例如，在初始厭氧階段觀察到EPS顯著增加[30]，可能是由于從有氧環(huán)境到厭氧環(huán)境的突然轉(zhuǎn)變刺激了微生物，EPS的產(chǎn)生是作為一種自我保護機制[31].同時，人們經(jīng)常觀察到生物膜中微生物較絮體微生物可以耐受更高濃度的殺菌劑（包括消毒劑和抗生素）[32].王海波等人發(fā)現(xiàn)在含磺胺嘧啶和環(huán)丙沙星的污水中，銅綠假單胞菌、肺炎單胞菌、禽流感單胞菌及其更廣泛的分支桿菌屬等EPS明顯增多，分析證實磺胺嘧啶和環(huán)丙沙星的作用使抗藥性細菌增加了EPS的產(chǎn)生[33].由此推測EPS能對抗生素產(chǎn)生抵抗.

根據(jù)現(xiàn)有研究總結(jié)了以下幾種可能的機制來解釋這種現(xiàn)象：①EPS帶電荷的基團可以與有機物中帶異性電荷的基團及離子結(jié)合；②物理吸附作用；③EPS具有抗氧化活性；④抑制病毒顆粒侵入宿主細胞[34].

2.3 碳源功能及其生物降解性

由于EPS主要由蛋白質(zhì)（protein，簡稱PN）、多糖（polysaccharide，簡稱PS）等有機物構(gòu)成，故有較高的可生物降解性.研究表明，污泥在饑餓條件下會降解EPS中PS作為碳源，PN作為氮源，以維持微生物正常生命活動[35]，但同時會產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸，導(dǎo)致污泥pH值降低，長久不利于污泥生長[36].需要指出的是，不是所有EPS均可被生物降解，一方面取決于EPS結(jié)構(gòu)及降解EPS酶的數(shù)量[37]，另一方面取決于分子量的大小.朱等人[35]發(fā)現(xiàn)，饑餓狀態(tài)下與細胞距離較遠的溶解態(tài)EPS以及LB-EPS的大分子蛋白和大分子多糖含量較低，而與細胞緊密相連的TB-EPS中大分子蛋白和大分子多糖的含量明顯較多，這也可能是微生物已經(jīng)代謝了與自己距離較近的小分子物質(zhì).Wang等人發(fā)現(xiàn)好氧顆粒物產(chǎn)生的EPS中至少50%的PS和30%的PN是可生物降解的，其降解速率比乙酸鹽慢5倍，但比不可生物降解的胞外聚合物快50倍；通?？缮锝到獾腜S位于好氧顆粒的核心，不可生物降解的存在于外殼上，以維持顆粒污泥的基本結(jié)構(gòu)[38].

2.4 EPS對污泥沉降性、絮凝性的影響

目前，EPS學(xué)說是闡述污泥絮凝、沉降普遍認可的說法.對活性污泥絮凝機理主要包括以下三種：聚合物的陽離子架橋理論、XDLVO理論和疏水作用力理論.其中，陽離子架橋理論認為：多價陽離子可以結(jié)合EPS中帶負電荷的位點以吸附或架橋的方式附著在細菌或污泥絮體表面，以此種方式聚集穩(wěn)定細菌和EPS基質(zhì)[39].Caudan等人[40]對不同EPS組分的好氧顆粒物進行酶解試驗，結(jié)果表明，顆粒污泥在α-淀粉酶水解后，蛋白質(zhì)與水中微粒發(fā)生分離，同時Ca2+的釋放得到增加，證明了陽離子橋聯(lián)理論在維持細胞間水平結(jié)構(gòu)中有重要作用.XDLVO理論是范德華力、靜電力和酸堿水合作用相結(jié)合后形成的理論，其中范德華力通常表現(xiàn)為引力，靜電力為斥力，酸堿水合作用力既可以表現(xiàn)為排斥作用，又可以表現(xiàn)為吸附作用，這取決于微生物自身的表面張力分量和分散相的變化[41].Hou等[38]運用XDLVO理論，很好解釋了厭氧氨氧化污泥較活性污泥聚集能力更好的原因.疏水作用力理論表明EPS中蛋白質(zhì)是疏水性的，因此EPSP（EPS中蛋白質(zhì)）組分通常被認為是維持聚集體結(jié)構(gòu)和絮凝能力的關(guān)鍵.而EPS中碳水化合物由于其親水性，更傾向于從環(huán)境中吸引更多的流體，從而增加含水量和孔隙率，并放松相鄰細胞之間的連接強度，因此，EPS中高含量的碳水化合物則對絮凝不利[42].何等[43]以污水處理廠污泥作為研究對象，發(fā)現(xiàn)當(dāng)EPS中PN/PS增大時，絮凝性能增強，同時出水懸浮物濃度明顯下降.

2.5 EPS對污泥脫水性的影響

在污水處理過程中，細菌會不斷向溶液中分泌EPS，高含水率的EPS會增加污泥結(jié)合水，嚴(yán)重影響污泥的脫水性能[44]，但對活性污泥脫水性能起決定作用的不是EPS總量而是其各組分及類別間含量的差異.多糖內(nèi)的氫鍵可抑制羥基與水之間的相互作用，使EPS疏水性相對提高，但多糖易形成凝膠狀網(wǎng)絡(luò)將疏水組分作為填充材料固定在微生物細胞周圍，使脫水困難[1].關(guān)于蛋白質(zhì)的作用仍然存在爭論.夏等[45]認為蛋白質(zhì)中疏水基團和氨基中攜帶的正電荷有利于污泥絮體脫水，但李政等[46]發(fā)現(xiàn)污泥脫水性能隨蛋白質(zhì)提取率的升高而增強，證明蛋白質(zhì)不利于污泥脫水.劉軼等[47]對EPS組分與污泥脫水性能相關(guān)性分析后顯示，脫水性能與PN/PS相關(guān)性較高，PN/PS越大，污泥絮體的親水性越強、脫水性能越差.王紅武等人的研究表明，當(dāng)TB-EPS相對于LB-EPS量越多，則對污泥脫水越有利[48].同時，腐殖類物質(zhì)對污泥脫水性沒有明顯影響，類脂類則不利于污泥脫水[49].

3 EPS在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

EPS具有獨特的特性，如生物相容性、膠凝性和增稠性，因此具有很高的工業(yè)應(yīng)用價值.如生物胞外多糖可以通過保持環(huán)境濕度和捕獲養(yǎng)分從而增強土壤顆粒的聚集性，并有利于植物生長.表2、表3分別總結(jié)了國內(nèi)外微生物胞外聚合物的生態(tài)學(xué)功能及其在醫(yī)療食品等領(lǐng)域的應(yīng)用，以期為今后研究的開展提供一定的參考.通過比較國內(nèi)外胞外聚合物的研究進展，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)對胞外聚合物的應(yīng)用仍處在基礎(chǔ)階段，主要利用胞外聚合物的絮凝性和吸附性，同時缺乏對胞外聚合物安全性的研究.今后在確保安全的前提下，應(yīng)拓展胞外聚合物的應(yīng)用領(lǐng)域，如食品、醫(yī)療、化工等方面，實現(xiàn)可循環(huán)利用.

表2 EPS在國內(nèi)各領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用

表3 EPS在國外各領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用

4 結(jié)語

EPS在生物污水處理中有著不可替代的作用，不僅吸附去除有機污染物及重金屬，同時參與細胞的代謝活動，對微生物有很強的保護作用.近年來，EPS在土壤修復(fù)、化工冶煉等方面具有重要的生態(tài)意義.基于EPS重要特性，通過提取EPS來操縱和改善生態(tài)環(huán)境具有很大的潛力.今后，應(yīng)重點研究以下幾方面.

（1）EPS的生產(chǎn).由于環(huán)境意識的提高和化石資源的限制，預(yù)計可再生生物聚合物將取代合成聚合物市場的很大一部分.生產(chǎn)細菌性EPS的需求可能也會越來越大，所以研究批量EPS生產(chǎn)方法迫在眉睫.

（2）EPS成分的提取和分析.不同的EPS成分在各研究領(lǐng)域作用不同，如何高純度的提取EPS成分有待研究.

（3）廣泛開展各領(lǐng)域的中試研究，為EPS的環(huán)境應(yīng)用提供更多的參考依據(jù).胞外多糖在細菌種類的金屬礦化中的作用以及氧化還原循環(huán)尚不清楚.此外，細菌分泌的脲酶、金屬硫蛋白等酶在重金屬修復(fù)中起著舉足輕重的作用，但其機理尚不清楚.