胞外聚合物的研究新进展

胞外聚合物的研究新进展

侯文俊1胡明蒋海军王良刘晓东

（青岛市市政工程设计研究院有限责任公司，山东青岛266071）

摘要介绍了胞外聚合物的提取方法、不同底物对生物膜细胞外聚合物组成和含量的影响、金属离子对胞外聚合物的影响、胞外聚合物对活性污泥沉降和絮凝性能的影响及胞外聚合物对膜生物反应器运行的影响。

关键词生物膜胞外聚合物活性污泥

Study progress of extracellular polymeric substances Hou Wenjun，Hu Ming，Jiang Haijun，Wang Liang，Liu Xiaodong. (Qingdao Municipal Engineering Design & Research Institute，Qingdao shangdong 266071) Abstract：The study and development in extraction methods of extracellular polymeric substances(EPS),the effects of substrate conditions on compositions of EPS in biofilms, the effects of metal ions on the components change of EPS,the effects of EPS on bio-flocculation and settlement of activated sludge and conduction of membrane bioreactors were introduced in this paper.

Keywords：Biofilm Extracellular polymeric substances Activated sludge

胞外聚合物(EPS)是在一定环境条件下由微生物，主要是细菌，分泌于体外的一些高

分子聚合物。主要成分与微生物的胞内成分相似，是一些高分子物质，如多糖、蛋白质和

核酸等聚合物[1]。EPS普遍存在于活性污泥絮体内部及表面，具有重要的生理功能，可将

环境中的营养成分富集，通过胞外酶降解成小分子后吸收到细胞内，还可以抵御杀菌剂和

有毒物质对细胞的危害。

1 胞外聚合物的提取方法

经过近几十年的不断探索与尝试，人们已研究出十多种胞外聚合物提取方法（见表1）。

这些方法可大致分为两大类，一类是物理方法，另一类是化学试剂法。

胞外聚合物的物理提取法：主要是利用各种外力，如超声波提供的冲击力，离心提供

的重力场力来增强胞外聚合物中各成分在溶液中的溶解度；化学提取过程：首先是试剂的

离子或分子从溶液中进人生物膜与胞外聚合物相接触，即生物膜的内传质过程，然后是EPS

的大分子在试剂离子或分子的作用下成为水溶性成分，从而被提取出来。国内对以上几种

提取EPS的方法作了大量的研究：康春莉等[10]用EDTA提取时发现当萃取剂质量分数达到

2％时，糖类和蛋白质的含量已无明显的改变，但DNA的含量仍在增加；当离心转速达到6 880 r／min，蛋白质和糖类的含量基本不再变化，DNA含量的变化也不大。董德明等[11]在用磷酸氢二钾法分离自然水体中的生物膜胞外聚合物时发现随着萃取剂浓度、萃取时间和离心力的增大，萃取液中蛋白质、糖类和DNA的含量不断增加。当萃取剂摩尔浓度增加到0.06 mol/L、萃取时间为2.5 h、离心力达到10 000 g时，萃取液中糖类和蛋白质含量增大

1第一作者：侯文俊，男，1981年生，本科，助工，主要从事市政工程设计。

的趋势已不明显。罗曦等[12]采用5种方法对同一污泥在好氧和厌氧条件下的胞外聚合物进

表1 胞外聚合物的提取方法汇总表

行了提取试验，结果表明：甲醛-NaOH和硫酸法对EPS的提取产量最高，分别为232.0、159.7 mg/g且无大量细胞自溶的现象发生，是比较有效的的提取的方法；阳离子交换树脂对厌氧和好氧状态下污泥中胞外多糖的提取量仅7.6～9.4 mg/g；而戊二醛提取方法多糖的测定有严重的干扰。同时发现两种氧环境下污泥EPS中蛋白质的含量均最高，占EPS总量的50％～80％；其次为胞外多糖和DNA。王暄等[13]采用4种方法(热、超声、高压、碱处理)分别研究在不同的作用时间和方式下对好氧颗粒污泥EPS的提取效果。综合考虑各提取方法的提取效果及对于污泥细胞的破坏程度后，确定热处理(80 ℃，30 min)和超声波提取(320 W，40 s)法均是可行的，其中热处理提取产物中多糖、蛋白质分别为30.3、8.1 mg/gVSS，而超声波则分别为24.3、10.8 mg/gVSS。好氧颗粒污泥EPS中多糖含量高于蛋白质，在热处理

及超声波提取的产物中，多糖与蛋白质之比分别为3.7、2.3。钟方丽等[14]发现电场对EPS 的提取也有影响：当交流电为2.5 mA／cm2时，对生物膜内微生物细胞几乎没有影响；电流为10 mA／cm2时，对细胞有一定影响；提取剂不同则对应的最佳提取频率不同，Na0H 较适合的频率是10～100 Hz；在交流电场作用下，提取速率大小取决于离子带电量、浓度梯度和电场强度的共同作用；同一电场下，在不破坏生物膜内微生物细胞的前提下，提取剂pH偏高的提取效果较好。

2 不同底物生物膜细胞外聚合物组成和含量的影响

有研究发现不同的底物对EPS的组成和含量有很大的影响。李久义等[15]在研究发现生物膜EPS的含量随有机物浓度降低的过程逐渐下降；同时溶解态有机物的生物膜EPS中多糖的含量要高于胶体态有机物的生物膜，胶体态有机物的生物膜EPS中，多糖的含量要高于溶解态有机物的生物膜EPS中蛋白质的含量，同时蛋白质含量的变化与胶体态有机物的水解过程相一致。刘燕等[16]也发现在乙酸为底物的污泥中，胞外多糖占大部分（糖类/蛋白质的质量比为1.7～8.6），而以蛋白质为底物时，胞外蛋白质占主要成分（糖类/蛋白质的质量比为0.2～0.5）；以乙酸钠为底物形成的胞外聚合物较多。

3 金属离子对胞外聚合物的影响

胞外聚合物可以和金属离子之间相互作用。在负电性的胞外聚合物中，金属离子可以起到架桥的作用。例如，铬可以与胞外聚台物相互作用，导致胞外聚合物结构变化，并且在絮凝物中形成疏水性区域。在废水处理工程中，常利用胞外聚合物的这一特点，将其提取出来分析其组成变化和金属含量，从而对含金属离子废水处理效率做出评价，再根据这一结果不断改进技术，最终获得废水处理工艺的最佳操作条件。

曹相生等[17]考虑对活性污泥SOUR的影响，确定Mn2+、Mo6+和Zn2+的最佳促进浓度均为l mg/L；在各自促进浓度范围内，Mn2+、Mo6+和Zn2+对EPS各组分的影响程度不同：低质量浓度(0.05 g/L)Mn2+导致EPS中蛋白质、多糖和核酸含量下降，但P／C比值不变；Zn2+使EPS中多糖含量改变，进而导致P／C的改变；Mo6+则对EPS各组分基本没有影响。张道勇等[18]通过扫描电镜观察结果和处理含Cd污水生物膜的ATP变化规律表明，在丝藻细菌生物膜中，细菌在Cd的毒害下其生长受到明显抑制，并且未观察到其分泌胞外聚合物。相反，丝藻却在Cd压力下分泌出了大量的胞外聚合物。含Cd污水生物膜和对照组的生物膜ATP 的含量比较表明，Cd对藻菌生物膜整体上具有一定的毒性，并在一定程度上抑制了生物膜的活性和生物量的增长。同时发现生物膜去除水中Cd的效率及生物膜中积累的Cd的含量与丝藻所分泌的胞外多聚糖的数量明显相关，其中生物膜去除水中Cd的效率与藻菌生物膜胞外多聚糖的含量几乎是线性相关。董德明等[19]发现3种金属在胞外聚合物上的吸附均遵守Langmuir和Freundlich热力学方程；而胞外聚合物中锰的存在会影响其对Pb和Cd的吸附；Mn的存在会削弱胞外聚合物对Pb的吸附，而对胞外聚合物吸附Cd的影响比较小。这说明不同金属与胞外聚合物的作用机制可能有一定差别，因此当一种金属吸附达饱和后，其他