翻译 丁锐 2901100126

含氧絮体与颗粒污泥中胞外聚合物的分布

和构成

印第安纳美国圣母大学土木工程与生命科学系，德国加兴慕尼黑大学水质量控制与废物处理

系

2004年7月定为标准/2004年得到公认

胞外聚合物是在絮凝剂和好氧污泥颗粒在两批同样的剪切力但不同的沉淀时间的反应当中生成。少量胞外聚合物的分离与研究胞外聚合物化学成分特性影响的方法大不相同，需要用荧光染色剂着色20微米长的完整的胞外聚合物的冰冻切片。1号反应器（沉淀时间为10分钟）主要将污泥指数在120±12ml/g的污泥浓缩为絮状污泥，而2号反应器（沉淀时间为2分钟）使污泥指数为50±2ml/g从而形成结构紧凑的好氧颗粒污泥。在所有的样本当中用阳离子交换树脂分离胞外聚合体的蛋白质含量比多糖要高，而且颗粒胞外聚合物的蛋白质含量比絮状胞外聚合物高50%。在NaOH和热的作用下，细胞溶解产生更多的蛋白质和多糖。在对原位EPS进行染色后，发现细胞和多糖位于颗粒的边缘部位，而蛋白质则位于中心部位。这些研究证实了化学提取数据的可能性，并表明颗粒的形成和稳定依赖于非细胞的蛋白质核。通过这些方法的比较可以解释为什么细胞溶解物和非生物污染物会产生不一样甚至相反的作用。

生物废水的处理效率首先取决于微生物代谢能力的增长，其次取决于微生物从处理污水分离的速率。细菌通常会聚合生成悬浮絮状体，如果有丝状细菌的存在，便会引起污泥膨胀或者产生泡沫等问题。活性污泥絮体沉淀相当缓慢，需要多个初次沉淀池和二沉池才能得到清洁的可排放的水。不可或缺的，好氧颗粒污泥聚合物在填补时间短并包含各种填补物的测序批式反应堆中形成。与絮状体不同，颗粒物排列紧密而且沉淀速率相当快。这可以描述为细胞自身固化为一些球状体，也可以描述为生物膜成长的特殊情况。

细胞和胞外聚合体（EPS）的共同作用使微生物聚集体形成生物膜，生物膜也包括一些生物性污染悬浮物。简写“EPS”通常扩展为extracellular polysaccharides 或exopolysaccharides。然而，胞外聚合物已被证明是一个富含聚合物的基质,包括多糖、蛋白质、糖蛋白、核酸、磷脂和胡敏酸。通常认为胞外聚合物是一种促使细菌和生物膜黏在一起的凝胶网状物，使生物膜粘附在细胞表面，从而保护细菌不受有害环境条件的影响。

由于胞外聚合体是细胞絮体和生物膜

的主要成分，它们在所有的生物膜形成过成当中都扮演着最为重要的角色，在絮凝和颗粒化过程当中也是如此。到底是什么因素导致了胞外聚合体的形成，这还没有完全弄明白，尽管研究人员假想这可能是液体剪切力造成的。根据Tay et al的报道，在颗粒SBR 法中增加曝气速度会增加多糖的量，系统中一旦没有了多糖，就会导致颗粒污泥的分解。降低曝气速率，好氧颗粒则无法在系统中形成。研究人员推断液体剪切力可能会增加胞外多糖的产生，细胞多糖有助于好氧颗粒的成型和稳定。然而一些现象的存在表明液体剪切力并不是颗粒成型的必要因素。最明显的是，颗粒在沉淀时间较长曝气速率较高的空气反应堆操作当中并不稳定。因此剪切力，EPS的成型以及颗粒稳定性这三者之间的关系并不明确。

本实验采用曝气速率和表面气体上升速度相同但沉淀时间却不相同的两组SBR 法。沉淀时间的不同是为了在同样的条件下得到絮状污泥和颗粒污泥。EPS在稳定的状态下提取，以便判定在同样的曝气速度下絮状污泥和颗粒污泥中的多糖和蛋白质的含量是否会发生改变。同样，水花絮体和颗粒污泥用荧光着色用来辨别细胞，多糖和蛋白质。

材料和方法

反应器操作：两个5升的SBR反应柱分别用六个月的时间培养絮状污泥和颗粒污泥。反应器是由树脂玻璃定型为筒状构成（高，100cm；直径，9cm）。它们在50%的体积交换率下以275L/h的速率曝气（表面气速为1.2cm/s）反应器接种的5L污泥来自于城市污水处理厂

（MLSS=2.5g/L）。反应器壁每两周清洗一次，以去掉增长的生物膜。两个反应器的都采用同样的葡萄糖和蛋白胨作为来源，COD

的容量负荷为2.4kg∙m3-∙day1-

（800mgCOD/L/cycle）。总循环次数为每天六次，即每4小时循环一次（90分钟静态填补，120分钟反应，2-10分钟沉淀，15分钟抽离，5-13分钟闲置）。操作当中唯一会发生变化的是沉淀和闲置时间（一号反应器沉淀10分钟，2号反应器沉淀2分钟）

分析过程：MLSS和VSS含量，ESS含量，以及SVI每周测量三次，所有的指数都根据APHP标准工算法得来（4）。循环期间每周测量的基质去除是根据朗格博士提出的COD测量法（根据比色COD标准方法）（德国科学家，Lange GmbH, Du ，sseldorf）。循环期间的SOUR在运行每周测量一次，内源SOUR每周测量两次（4,12）.内源OUR样本在OUR测量前反应周期末曝气两个小时收集得到，OUR样本则是在反应末取样后直接测量得到。絮体污泥和颗粒污泥的形成过程用立体显微镜观察（Leica Wild

MPS 46/52; Leica, Vienna, Austria），照片则用Kodak数码照相机拍摄获得。

EPS的分离和化学分析：EPS在两种分离方法得到的是均匀和不均匀的样品，这两种方法是：阳离子树脂交换法（Dowex）和碱性热疗法（NaOH）。

样品预处理：SBR循环周期末需要从每个反应器当中取大约0.5g的VS。从反应器

取得的0.5gVS靠先前测得的VSS估算得到。真实的EPS抽离VS

团样本决定于样本

时间测量的MLSS 和VSS 含量。

表格1.标准测量稳态值（运行时间为

120-220天）

样本在 4°C 的温度下维持在1000rpm 下离心分离15分钟。上清液被收集用来决定反应器冲洗的化学成分以及EPS 的松弛程度。样本在密理博水中重悬和再次离心分离。对于非均匀样本，剩余颗粒在磷酸盐缓冲剂中重悬至总体积100ml 。对于均匀的样本，剩余颗粒用40ml 磷酸盐缓冲剂重悬并分成两等份。每一等份在最大转速为980rpm 的均质器 (RW 20 DZM; Janke & Kunkel, Staufen, Germany)当中摇匀，均匀的两部分最后在100ml 的磷酸缓冲剂当中混合。

阳离子交换树脂的提取：EPS 的分离需要用到50×8的离子交换树脂，Na +，阳离子交换树脂（Fluka ），然后根据Frølund 法以0.5g 的VS ：35g 阳离子交换树脂得到。（7）。样本在4℃750rpm 的转速下搅拌4h 。混有阳离子交换树脂和磷酸盐缓冲剂的空白试样最为对比。

NaOH 和热分离：试样（悬浮在100ml 的缓冲器当中）适合在PH 为11的条件下用1M NaOH 在温度达到80℃之前在塑料瓶中得到（由Tay et al. [21]修正得到）。空白试样则为磷酸盐缓冲剂以NaOH 将PH 调解到11。

EPS 的提取与特征：在用阳离子交换 和NaOH 提取分离之后，各样本在10000rmp 的转速下离心分离1min 。上清液转移至干

净的离心机中再次分离10min 。然后，细胞溶解物用葡萄糖—6—磷酸盐脱氢酶进行定量（Fisher Scientific 345-A ），剩余EPS 上清液在进行化学分析前在—20℃下等份保存。总有机碳（TOC ）以元素分析高

TOC2(Elementar, Hanau,Germany)定量。蛋白质和多糖的测量根据 Frølund et al 测量标准测量。（7）即分别用牛白蛋白血清和葡萄糖标准测量。用阳离子树脂EPS 分离的细胞溶解物，直接用葡萄糖—6—磷酸盐脱氢酶进行定量的部分可以忽略不计。用

NaOHEPS 分离的细胞溶解物无法用此方法定量，因为此方法会存在葡萄糖—6—磷酸盐脱氢酶的干扰。此种霉仅在PH 在5-9范围内有活性，用此装备和NaOH 提取物（PH11）做对照实验并不合适。

荧光染色剂和样品形貌：完整的具有活性的含水颗粒和絮体用不同的激发和发射状态的荧光标记针进行着色用于显现样品中细胞多糖和蛋白质的分布。着色后，整个样本用共聚光激光扫描显微术 (CLSM ，LSM510 META ，Zeiss, Jeve, Germany)观察或者镶嵌在冰冻切割化合物 (Microm, Walldorf, Germany)中20-um 处进行直接观察。

着色：样品在1.5ml 的埃普多夫管中进行着色，用铝箔覆盖放置在振动台（100rmp ）15分钟。异硫氰酸荧光素（FITC ）（0.01%）是一种胺活性染料并能够着色所有的蛋白质和细胞氨基以及EPS （19）。伴刀豆球蛋白A （ConA ）凝固素与德克萨斯红（100ug/ml ）共轭体在此实验中用于凝固α-鼠李糖和α-吡喃葡萄糖基 的糖残留。Syto 63是一种活性细胞佩尔酶核酸染色剂，它被用于显现所用的细胞。所有的探测器都使用分子探针，待着色稳定后，样品用磷酸缓冲液冲洗。颗粒污泥在切割成两部分的前后进行着色，这样是为了排除颗粒结构中着色的扩散干扰。基于以上的实验以及相似着色扩散系数，并