可溶性微生物產(chǎn)物對偶氮染料廢水脫色及產(chǎn)電性能的影響

朱　超， 解井坤， 王　媛， 易維潔

(1.陜西科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安　710021； 2.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院， 貴州 貴陽　550025)

?

可溶性微生物產(chǎn)物對偶氮染料廢水脫色及產(chǎn)電性能的影響

朱超1， 解井坤1， 王媛1， 易維潔2

(1.陜西科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安710021； 2.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院， 貴州 貴陽550025)

摘要：可溶性微生物產(chǎn)物(Soluble Microbial Product，SMP)是活性污泥污水處理體系中的微生物的重要代謝產(chǎn)物，是污泥絮體形成以及保證體系穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素之一.本文對CASS和A2O工藝產(chǎn)生的脫水污泥進行了好氧和厭氧培養(yǎng)，提取了SMP和胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)，表征并探究了兩者對含偶氮染料廢水的微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響，以及對脫色效率的改善情況.紅外分析表明，不同工藝和培養(yǎng)方法得到的SMP和EPS的成分構(gòu)成相似度很高；PACl沉降試驗表明，SMP中的大分子物質(zhì)含量普遍低于EPS.SMP和EPS均可提升微生物燃料電池的電壓，最高可達130 mV，且兩者均可提高偶氮染料的脫色率，最高可達93%.這些研究表明SMP和EPS有作為染料廢水產(chǎn)電資源化助劑的價值.

關(guān)鍵詞：可溶性微生物產(chǎn)物； 胞外聚合物； 偶氮染料； 微生物燃料電池

0引言

可溶性微生物產(chǎn)物(Soluble Microbial Products，SMP)，是指微生物在降解底物、合成細胞生物質(zhì)過程中產(chǎn)生的有機大分子，如溶解性的胞外酶、多糖等[1].有時,其也以胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)的形式存在.EPS是一些不同類型高分子物質(zhì)[2]的聚合體，是一類附著于細胞表面的不溶性有機物，主要來源于微生物的新陳代謝和細胞自溶，由多糖、蛋白質(zhì)、核酸和腐殖酸等組成[3].SMP通常溶解于出水中，從而降低了出水水質(zhì)，使出水難以達到排放標準[4].此外，SMP自身的毒性以及膜生物反應(yīng)器中對膜的污染亦引起了人們越來越廣泛的關(guān)注[5].

由于SMP本身是多種有機質(zhì)的復(fù)合體，又包含氧化還原載體，故可作為電子載體，有成為微生物燃料電池燃料的潛力.微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells,MFC)是一種利用微生物作為催化劑氧化有機和無機物質(zhì)產(chǎn)生電流的裝置[6].陽極附近的微生物氧化代謝基質(zhì)產(chǎn)生的電子被轉(zhuǎn)移至陽極并通過連有負載的外電路流至陰極，繼而伴隨產(chǎn)生相反的電流[7].其中，產(chǎn)生的電子可通過電子中介體、電子穿梭體或細胞膜的直接接觸轉(zhuǎn)移至陽極，有的微生物還具有轉(zhuǎn)移電子的納米導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也有可能存在目前不為人知的電子轉(zhuǎn)移機制[8].將微生物燃料電池代謝SMP這一思路用于基于活性污泥的污水處理系統(tǒng)，可在減緩系統(tǒng)中SMP污染的同時產(chǎn)生電能，并可偶聯(lián)電解或產(chǎn)氫其它后續(xù)單元[9].

目前,關(guān)于SMP和EPS對微生物燃料電池(MFC)性能影響的研究仍然很有限.從SMP和EPS的組分構(gòu)成角度來看，兩者都有成為微生物燃料電池(MFC)燃料的潛力.SMP和EPS中眾多氧化還原脫氫酶系能夠促進微生物燃料電池(MFC)處理復(fù)雜的有機質(zhì)[10].更重要的是，微生物燃料電池(MFC)中的電子轉(zhuǎn)移機制之一是微生物依靠內(nèi)源分泌的可溶性氧化還原介體作為電子載體來進行電子轉(zhuǎn)移，但是其對MFC處理含偶氮染料廢水體系產(chǎn)電能力的貢獻度尚不清楚[11].

本研究對不同污水處理工藝中的脫水污泥進行了好氧和厭氧培養(yǎng)，提取了SMP和EPS，進行了表征，并進一步用于處理偶氮染料廢水的單室微生物燃料電池的產(chǎn)電研究.通過監(jiān)測其電壓變化，探究了SMP和EPS對含偶氮染料廢水的微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響.同時，還探究了SMP和EPS對偶氮染料脫色效率的改善情況，并闡明了可能機制.這對于利用MFC進行偶氮染料廢水資源化技術(shù)的推廣發(fā)展具有十分重要的意義.

1材料和方法

1.1材料和設(shè)備

試驗用活性污泥樣品均取自于污泥脫水車間.樣品1取自陜西咸陽市某污水處理廠.該污水處理廠使用CASS工藝，運行效果良好，其進出水指標如表1所示；樣品2取自陜西西安市第五污水處理廠.該污水處理廠使用A2O工藝，運行工藝良好，其進出水指標如表2所示.

表1　CASS工藝水質(zhì)指標

表2　A2O工藝水質(zhì)指標

本研究所使用的MFC為單室無膜MFC，設(shè)備的搭建如圖1所示.磁力攪拌器上放置一個100 mL的燒杯，用銅線將表面摩擦處理后的石墨棒與石墨片固定分別作為陰極和陽極.陰陽兩極出線分別和萬用表(上海優(yōu)利德電子有限公司)、外接可變電阻箱(上海東茂電子科技有限公司),以及連接電腦的電流數(shù)據(jù)采集卡(National Instrument Corporation)串接.MFC運行條件為室溫，無刻意避光處理.

圖1　MFC實驗裝置

1.2試驗方法

1.2.1SMP和EPS的培養(yǎng)富集

所采集不同工藝的原始污泥一部分采用連續(xù)曝氣進行好氧培養(yǎng).實驗裝置采用2個5.0 L的平底塑料燒杯.反應(yīng)器中分別加入150 g污泥和1 500 mL蒸餾水，在運行過程中保持溶解氧大于2 mg，溫度保持在25 ℃，通過補加蒸餾水補償水分蒸發(fā)損耗.

原始污泥的另一部分進行厭氧培養(yǎng).使用4個500 mL的玻璃培養(yǎng)瓶，分別裝入25 g污泥和250 mL蒸餾水，將培養(yǎng)瓶放入恒溫箱中，保持在35 ℃，避光培養(yǎng).培養(yǎng)時間為2個月，結(jié)束時所得污泥即為富集了EPS和SMP的消化污泥.

1.2.2SMP和EPS的分離

SMP和EPS的提取方法較多，沒有建立標準方法[12,13].本實驗所用方法建立在已有報道基礎(chǔ)上[14,15]，具體是：將章節(jié)1.2.1中所得污泥消化液在7 330 rpm(相對離心力)下離心10分鐘，分離上清液，加入2倍體積的丙酮， 于4 ℃下放置24 h進行沉淀，所收集到的沉淀物即為SMP.

將上述離心分離后的沉淀物懸浮于0.85%(w/w)的NaCl溶液中，容器中放置多個玻璃珠，在20 kHz、330 W的條件下超聲(上海喬躍電子有限公司生產(chǎn)的超聲儀)處理2分鐘，之后在120 rpm下振蕩10分鐘，最后再次超聲處理2分鐘,所得裂解液以10 460 rpm離心10分鐘，再向所得上清液加入2倍體積的丙酮，于4 ℃放置24 h后沉淀EPS.

上述所得樣品按照“分離物-(培養(yǎng)方式-工藝)”格式分別命名為EPS(好氧CASS)、EPS(好氧A2O)、EPS(厭氧CASS)、EPS(厭氧A2O)、SMP(好氧CASS)、SMP(好氧A2O)、SMP(厭氧CASS)和SMP(厭氧A2O)等.

1.2.3SMP和EPS的基本性質(zhì)測定

對所得到的EPS和SMP，進行傅立葉紅外光譜(德國Bruker公司生產(chǎn)的光譜儀)分析[16]以及電導(dǎo)(上海三信儀表廠生產(chǎn)的筆式電導(dǎo)率儀)和pH(上海精科公司生產(chǎn)的pH計)的測定.同時，對所得EPS和SMP溶液進行聚合氯化鋁(PACL)沉降試驗.通過進行PACL沉降試驗，可以將水樣中的膠體顆粒和大分子物質(zhì)沉降下來，并可以比較SMP和EPS中的大分子物質(zhì)量.

具體方法為：配置含11%Al2O3的1 000 mg/L的PACL溶液.將不同處理得到的SMP和EPS水溶液在200 rpm下離心1 min，然后將PACL緩慢地注入到磁力攪拌下的溶液中，再將混合溶液以50 rpm離心8.5 min，使用濁度計(上海昕瑞儀器儀表有限公司生產(chǎn))測定離心后的溶液濁度.進行PACL沉降試驗時，PACL的加入量分別為0.5 mg、1.0 mg、1.5 mg等.

1.2.4SMP和EPS對MFC產(chǎn)電性能的影響

首先,配制1 L濃度為 100 mg/L的金橙I溶液和1 L 濃度為4 g/L的葡萄糖溶液，將穩(wěn)定啟動后的微生物燃料電池MFC中的原溶液移除，隨即加入60 mL金橙Ⅰ溶液和20 mL葡萄糖溶液，并測定此時的電壓值.

在電壓穩(wěn)定時(25 mV左右)，向其中加入4 mL的SMP或EPS，并測量隨后的電壓變化，記錄電壓峰值和持續(xù)時間；當(dāng)電壓再次下降到25 mV時，再加入另一種SMP或EPS溶液，如此交替，直到試驗完所有的SMP和EPS樣液，共有8個循環(huán).

1.2.5SMP和EPS對MFC偶氮染料脫色性能的影響

為了考察SMP和EPS對偶氮染料金橙I的脫色率的影響,分別將3 mL不同處理得到的SMP或EPS溶液及0.5 mL接種液(分離株的對數(shù)生長期菌液)、6.5 mL金橙I溶液加到空白試管，避光室溫培養(yǎng)，0小時和48小時后測量其吸光度，然后計算脫色率.

在研究偶氮染料脫色降解的過程中，采用分光光度法作為主要的分析手段.當(dāng)染料內(nèi)發(fā)生鍵的斷裂，使其分子內(nèi)離域的π鍵變化，從而影響其顏色時，染料的最大吸收峰處的數(shù)值會明顯下降[17].因此，可以通過不同染料的最大吸收峰處吸光度的變化來表征染料的降解.將含有染料以及菌體的培養(yǎng)基離心(8 000 rpm，10 min)，取上層清液，以未加染料的培養(yǎng)基作為參照，來測量染料最大吸收波長處的吸光度.

2結(jié)果與討論

2.1SMP和EPS的基本性質(zhì)

圖2為從不同工藝活性污泥及富集方式得到的SMP和EPS溶液的pH值比較情況.從圖2可以看出，所得SMP和EPS溶液均為中性偏堿性；圖3為不同處理SMP和EPS樣液的電導(dǎo)值比較情況.從圖3可知，EPS的電導(dǎo)值明顯高于SMP.厭氧CASS中的EPS電導(dǎo)值最高為49.9 ms，而SMP樣液的最高電導(dǎo)值卻只有不到10 ms.

一般來說，溶液電導(dǎo)率和溫度、摻雜程度及各向異性有關(guān)[18].在相同的測量溫度下，推測EPS中的摻雜程度高一些，其中的可移動的離子濃度高，離子所帶的電荷數(shù)多，所以測得的電導(dǎo)率高.已有報道[19]指出，相同工藝和運行條件下的活性污泥分理出的EPS的蛋白質(zhì)和碳水化合物含量要高于SMP，該結(jié)論證實了此處EPS摻雜程度高的推測.

在EPS的四個樣品中，厭氧CASS的EPS電導(dǎo)值最高,這是因為厭氧培養(yǎng)中動力消耗少，可以更好地儲存物質(zhì)，其所分泌的代謝物也更多，包括有機大分子物質(zhì)和可移動離子，所以厭氧培養(yǎng)下的CASS工藝污泥中提取的EPS樣液電導(dǎo)值最高.這一推論也通過PACL沉降試驗得以證實.

如圖4所示，厭氧培養(yǎng)下的SMP和EPS中的大分子物質(zhì)含量普遍高于好氧培養(yǎng)，且不同培養(yǎng)方式下EPS中的大分子物質(zhì)含量均高于SMP，其中A2O活性污泥厭氧培養(yǎng)中提取的EPS中的大分子物質(zhì)最多.這同時說明不同工藝來源污泥對SMP和EPS的性質(zhì)影響不大，而有氧或厭氧的培養(yǎng)模式則對兩者的性質(zhì)影響較大.

圖2　不同處理SMP和EPS的pH值

圖3　不同處理SMP和EPS的電導(dǎo)值

圖4　不同處理SMP和EPS樣液的PACl沉降結(jié)果

2.2SMP和EPS的紅外分析

通過提取丙酮中分離的沉淀物質(zhì)，將其干燥并進行傅里葉紅外光譜分析，所得圖譜如圖5所示.從圖5可以發(fā)現(xiàn)，好氧和厭氧所提取的SMP和EPS的波形相似度很高，其中所有圖的出峰位置多集中在3 500 cm-1、2 900 cm-1、1 600 cm-1、1 400 cm-1、1 000 cm-1和500 cm-1.而在紅外光譜分區(qū)中，第一峰區(qū)4 000～2 500 cm-1為X—H伸縮振動區(qū)(X=O，N，C，S)；第二峰區(qū)2 500～2 000 cm-1為三鍵、累積雙鍵伸縮振動區(qū)；第三峰區(qū)2 000～1 500 cm-1為雙鍵伸縮振動區(qū)；第四峰區(qū)1 500～600 cm-1為X—Y伸縮、X—H變形振動區(qū).

由此可知，本研究所得SMP和EPS中的物質(zhì)多為蛋白質(zhì)和多聚糖，相互間相似度很高.在相關(guān)研究中，有部分學(xué)者認為SMP和EPS是相互獨立的兩個范疇，它們之間并沒有任何關(guān)系；還有部分學(xué)者認為，在混合廢水中可溶性的EPS等同于松散的EPS結(jié)合在一起，也就是我們常說的SMP[20].本實驗結(jié)果表明，SMP和EPS是一類多組分混合物，不同工藝和培養(yǎng)方式并未改變SMP和EPS的物質(zhì)組成.

圖5　不同處理SMP和EPS的傅里葉紅外分析圖

2.3SMP和EPS對MFC產(chǎn)電性能和染料脫色的影響

MFC與常規(guī)電池產(chǎn)能的原理基本相同，只是在電子產(chǎn)生及傳遞路徑上稍有不同.目前,公認的微生物染料電池的電子轉(zhuǎn)移機制有三種[21]：納米導(dǎo)線、細胞膜蛋白介導(dǎo)和電子載體.前兩者為直接傳遞;最后一種為間接傳遞，比較普遍.不同微生物能夠分泌產(chǎn)生類型不同的電子載體，可能存在于SMP和EPS中.

由圖6可知，添加SMP和EPS均能提高MFC的輸出電壓，其中厭氧培養(yǎng)提取的SMP和EPS對電壓的提升更為明顯，最高可達130 mV(EPS厭氧A2O).這是因為厭氧培養(yǎng)下積累的微生物代謝產(chǎn)物更多，可能包含更多的可溶性電子載體來進行電子的傳遞，這同章節(jié)2.1所述的結(jié)果相符；電壓提升的持續(xù)時間普遍很短，因為在偶氮染料溶液MFC中分別只加入了4mL的EPS和SMP樣液，從而起作用的電子載體摩爾濃度低，作用時間有限.

觀察結(jié)果證實源自活性污泥的SMP和EPS中存在微生物分泌的外源電子載體，且能實現(xiàn)不同微生物種間共享，從而提高了MFC的電子轉(zhuǎn)移速率和電能輸出.但SMP和EPS中的氧化還原穿梭體為何種物質(zhì)，還需要進一步地研究論證.

圖6　不同處理SMP和EPS對MFC產(chǎn)電性能的影響

圖7為SMP和EPS對MFC處理金橙I溶液時脫色率的影響結(jié)果.試驗表明,SMP和EPS均可加快偶氮染料的脫色速度.EPS(厭氧A2O)的脫色率最高為93%，EPS(好氧CASS)的脫色率最低為69%.這說明SMP和EPS所帶入的外源電子載體加快了電子轉(zhuǎn)移速率，從而加快了微生物把從電子供體得到的電子用于攻擊偶氮染料分子偶氮鍵的速率，最終表現(xiàn)為有限時間內(nèi)脫色率的改善.

另一方面，如圖7中折線所示，不同SMP和EPS添加造成了微生物培養(yǎng)物進入對數(shù)生長期的時間差異.所需時間最短的處理，即EPS(厭氧A2O)，在有限時間內(nèi)脫色效果最好.這說明SMP和EPS通過刺激微生物生長加快了脫色速率.

圖7　不同處理SMP和EPS對MFC中偶氮染料脫色率的影響

3結(jié)論

本文通過對不同工藝來源的活性污泥進行好氧和厭氧饑餓培養(yǎng)，分別提取SMP和EPS并進行表征，研究了其對微生物燃料電池產(chǎn)電性能和對偶氮染料脫色的影響，主要結(jié)論如下：

(1)不同工藝和培養(yǎng)條件下SMP和EPS的物質(zhì)組成基本一致，為蛋白質(zhì)和多糖類，但存在大分子物質(zhì)濃度和自由離子濃度的差異.

(2)SMP和EPS均可通過引入外源電子載體的方式來使微生物燃料電池中電子轉(zhuǎn)移速率加快，從而電壓提升.

(3)SMP和EPS均可以促進微生物的生長，使脫色菌更快地進入對數(shù)生長期和靜止期，從而產(chǎn)生足量的偶氮還原酶，提高了有限時間內(nèi)偶氮染料的脫色效率.

參考文獻

[1] 陳宏字.生物反應(yīng)器中SMP的特性及其對膜污染的影響[D].天津:天津大學(xué),2007.

[2] 孟凡松,馮雷雨.污水厭氧處理系統(tǒng)中可溶性微生物產(chǎn)物的研究進展[J].工業(yè)水處理,2012,32(6):6-10.

[3] 孔曉英,李連華,孫永明.微生物燃料電池產(chǎn)能原理及輸出功率的影響因素[J].現(xiàn)代化工,2007,27(2):282-286.

[4] Barker D.J.,Stuckey D.C..A review of soluble microbial products(SMP) in wastewater treatment systems[J].Water Res.,1999,33(14)：3 063-3 082.

[5] Yao M,Ladewig B,Zhang K.Identification of the change of solublemicrobial products on membrane fouling in membrane bioreactor(MBR)[J].Desalination,2011,278(1)：126-131.

[6] Berk R.S.,Canfield J.H..Bioelectrochemical energy conversion[J].Appl. Microbiol,1964,12(1):10-12.

[7] Rao J.R.,Richter G.J.,Von Sturm F.,et al.The performance of glucose electrodes and the haracteristics of different biofuel cell constructions[J].Bioelectrochem. Bioenerg,1976,3(1):139-150.

[8] Loqan B.E.,Hamelers B.,Rozendal R.,et al.Microbial fuel cells:Methodology and technology[J].Environ.Sci.Technol,2006,40(17):5 181-5 192.

[9] Mei X.J.,Wang Z.W.,Zheng X..Soluble microbial products in membrane bioreactors in the presence of ZnO nanoparticles[J].J.Membr.Sci.,2014,451(1):169-176.

[10] Lefebvre O.,Tan Z.,Shen Y.J..Optimization of a microbial fuel cell for wastewater treatment using recycled scrap metals as a cost-effective cathode material[J].Bioresour Technol,2013,127:158-64.

[11] Tommasi T.,Chiolerio A.,Crepaldi M..A microbial fuel cell powering an all-digital piezoresistive wireless sensor system[J].Microl.Technol.,2013,20(5):1 023-1 033.

[12] Jiang T.,Myngheer S.,Pauw D.J.W.,et al.Modelling the production and degradation of soluble microbial products(SMP)in membrane bioreactors(MBR)[J].Water Res.,2008,42(20):4 955-4 964.

[13] Largus T.A.,Khursheed K.,Muthanna H.A.,et al.Production of bioenergy and biochemicals from industrial and agricul tural waste[J].Trends Biotechnol.,2004,22(9):477-485.

[14] Ibeid S.,Elektorowicz M.,Oleszkiewicz J.A..Impact of electro-coagulation on the fate of soluble microbial products (SMP) in submerged membrane electro-bioreactor (SMEBR)[J].Annual Conference-Canadian Society for Civil Engineering (CSCE),2010,1:634-640.

[15] Laspidou C.S.,Rittmann B.E..Non-steady state modeling of extracellular polymeric substances, soluble microbial products and active and inert biomass[J].Water Res.,2002,36(8):1 983-1 992.

[16] Chen L.,Tian Y.,Cao C.Q.,et al.Interaction energy evaluation of soluble microbial products (SMP) on different membrane surfaces: role of the reconstructed membrane topology[J].Water Res,2012,46(8):2 693-2 704.

[17] Chang J.S.,Chen B.Y.,Lin Y.C..Stimulation of bacterial decolorization of an azo dye by extracellular metabolites from Escherichia coli strain NO3[J].Bioresour.Technol.,2004,91(3):243-248.

[18] Oh S.,Logan B.E..Proton exchange membrane and electrode surface areas as factors that affect power generation in microbial fuel cells[J].Appl. Microbiol.Biotechnol.,2006,70(2):162-169.

[19] Liang D,Wei J.,Song Y.H.,et al.The characteristics of extracellular polymeric substances and soluble microbial products in moving bed biofilm reactor-membrane bioreactor[J].Bioresour.Technol,2013,148(9):436-442.

[20] A.Ramesh,Duu Jong,Lee S.G.Hong. Soluble microbial products(SMP) and souble extracellular polymeric substances(EPS) from wastewater sludge[J].Appl.Microbiol and Biotechnol,2006,73(1):219-225.

[21] Bruce E.Logan.微生物燃料電池[M].馮玉杰，王鑫.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009:18-30．

The effect of soluble microbial product on the decoloration and

concomitant electricity recovery of azodye-containing wastewater

ZHU Chao1, XIE Jing-kun1, WANG Yuan1, YI Wei-jie2

(1.College of Resources and Environment, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China; 2.College of Agriculture, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

Abstract:Soluble microbial product (SMP),being an important metabolite of the microbes in activated sludge system of wastewater treatment,plays an essential role in the formation of sludge flocs and the stable operation of treatment system.The characteristics of SMP and extracellular polymeric substances (EPS) from the sludge of Cyclic Activated Sludge System (CASS) and Anaeroxic-Anoxic-Oxic (A2O) treatment processes,cultured anaerobically and aerobically,were investigated after long-term (60 days) cultivation and used for the enhancement of the electricity generation and decoloring rate of the microbial fuel cell (MFC) to treat azodye-containing wastewater.The results showed that the SMP and EPS from different processes and cultivating methods were of high similarity in composition while the EPS had higher content of macromolecular substances than that in SMP according to the data of PACL sedimentation test.Both SMP and EPS were confirmed to be effective in enhancing the voltage to its peak value of 130 mV and the decoloring rate to 93% of the MFC for azodye-containing wastewater.The present study suggests that EPS and SMP are of valuable as auxiliary in the electricity reclamation from azodye-containing wastewater treatment.

Key words:soluble microbial product (SMP); extracellular polymeric substances (EPS); azodye; microbial fuel

中圖分類號：X172

文獻標志碼：A

文章編號：1000-5811(2015)01-0036-06

作者簡介:朱超 (1981-)， 男， 陜西西安人，講師， 博士，研究方向:污染環(huán)境微生物和微生物生態(tài)毒理學(xué)

基金項目：陜西省教育廳專項科研計劃項目(2013JK072); 陜西科技大學(xué)博士科研啟動基金項目(BJ12-29)

收稿日期:*2014-11-23