胞外聚合物去除廢水中污染物的機(jī)理探討

錢勇興，李中堅，楊彬，張興旺，雷樂成

（浙江大學(xué)工業(yè)生態(tài)與環(huán)境研究所，浙江杭州310027）

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胞外聚合物去除廢水中污染物的機(jī)理探討

錢勇興，李中堅，楊彬，張興旺，雷樂成

（浙江大學(xué)工業(yè)生態(tài)與環(huán)境研究所，浙江杭州310027）

胞外聚合物（EPS）作為一種新興的生物吸附劑，在廢水處理中起著越來越重要的作用。由于其與細(xì)菌表面含有許多類似的物質(zhì)及官能團(tuán)，因此在吸附污染物性能方面與細(xì)菌相同甚至比細(xì)菌要好。介紹了EPS的組成成分、分類以及提取方法，并在此基礎(chǔ)上論述了EPS吸附去除不同類型污染物時的吸附作用機(jī)理。闡明了EPS中不同組分及官能團(tuán)在去除污染物時所起的作用，并對EPS作為生物吸附劑吸附污染廢水這一技術(shù)進(jìn)行了展望。

胞外聚合物；生物吸附；廢水處理

胞外聚合物（EPS）一般是指由微生物（主要是細(xì)菌）產(chǎn)生的，在其表面或周圍附著的代謝物或自溶物。EPS是一種多聚物，通常由蛋白質(zhì)、多糖和少量核酸等物質(zhì)組成，其不僅能保護(hù)微生物細(xì)胞，還能在缺少食物的條件下為微生物生存提供所需的物質(zhì)〔1〕。EPS是近二十幾年來較為熱門的研究課題之一，截止2014年底，關(guān)于EPS的發(fā)表文章數(shù)呈逐年線性增長趨勢。

目前對EPS的研究主要集中在：（1）對胞外聚合物的組成、生理功能、提取方法及表征手段的探討，以期在不破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的前提下達(dá)到EPS的最大提??；（2）對胞外聚合物對于污泥性能的影響研究，包括污泥的絮凝性能、沉降性能以及脫水性能的研究；（3）對胞外聚合物在生物膜結(jié)垢中的影響機(jī)制探討；（4）對胞外聚合物對廢水中不同類型污染物的去除研究。

筆者主要是針對胞外聚合物對污染物具有良好的吸附性能這一特點，綜述了胞外聚合物在吸附去除不同種類污染物時的吸附作用機(jī)理。

1　胞外聚合物的作用、分類及提取方法歸納

眾所周知，胞外聚合物作為微生物與環(huán)境接觸的最直接橋梁，它的存在對微生物本身以及在廢水處理過程中的影響都是不容忽視的。特別是在用微生物這一方法來處理廢水時，胞外聚合物的作用就顯得尤為重要——它直接關(guān)系到污泥的沉降性能、絮凝性能，并能在膜處理系統(tǒng)中對膜產(chǎn)生污染，形成膜結(jié)垢，從而使膜處理系統(tǒng)由于膜孔堵塞而減小膜通量，嚴(yán)重時甚至可以使膜處理系統(tǒng)癱瘓。同時，由于胞外聚合物含有較為豐富的官能團(tuán)（如羥基、羧基、氨基等），在吸附去除污染物方面也有較為重要的作用。

按照與微生物表面的結(jié)合方式，EPS可分為松散附著型EPS（LB-EPS）和緊密附著型EPS（TB-EPS）〔3〕。兩者之間的組成成分相差不大，但各組分的含量有較為明顯的差別，因此它們在廢水處理中所起到的作用也不盡相同。但研究者對于LB-EPS及TB-EPS在絮凝、脫水性能及吸附去除污染物的貢獻(xiàn)量方面存在著較大的分歧。因此，該領(lǐng)域仍需要大量深層次的研究。與此同時，不同研究者之間所用的微生物種類不同，以及提取EPS的方法不同，也嚴(yán)重影響了研究者之間工作成果的比對，這也是上述研究者之間存在分歧的主要原因之一。

表1列舉了一些常見的EPS提取方法（并不齊全，同時不同方法之間的組合并沒有列出）。

表1　胞外聚合物的提取方法

從表1可以看出，EPS的提取方法至今還沒有公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)方法，且各種提取方法均具有廣譜性，可以適用于不同類型的污泥及純菌的EPS提取。其提取方法主要分為物理法和化學(xué)法，以及這兩種分類方法之間的不同組合。通?；瘜W(xué)法提取的EPS比物理法提取的要多，但是化學(xué)試劑本身會污染EPS，同時也會改變EPS的性質(zhì)，影響EPS組成成分的測定。用不同的物理法提取的EPS，雖然生化成分相近（蛋白質(zhì)和多糖是主要組成成分），但其性質(zhì)卻有所差別〔11〕。戚韓英〔12〕在研究了多種EPS提取方法后，認(rèn)為加熱法不僅適用于不同結(jié)構(gòu)污泥EPS的有效提取，同時所提取的EPS成分豐富，且成分含量也較高，是一種較為理想的污泥EPS提取法。盡管提取方法較多，但EPS提取方法的選擇原則卻較為一致，都是在不破壞細(xì)胞的前提下盡可能多地提取胞外聚合物。驗證是否破壞細(xì)胞的方式是檢測EPS中的DNA含量，但最為準(zhǔn)確的還是測定EPS中2-酮基-3-脫氧辛酮酸銨鹽（一種細(xì)胞膜的組成物質(zhì)）的含量〔13〕。

2　胞外聚合物去除廢水中污染物的機(jī)理

2.1金屬污染廢水

金屬污染廢水由于具有排放量大以及危害大的特點，越來越受到人們的關(guān)注。吸附法是去除廢水中金屬離子的主要方法之一，同時用生物質(zhì)作為吸附劑（胞外聚合物）來吸附金屬廢水，由于其成本低、效率高而備受研究者的青睞。

XuefeiSun等〔8〕將從好氧顆粒污泥中提取的EPS用于吸附污水中金屬陽離子Zn2+和Co2+，并用X射線光電子能譜分析（XPS）和紅外光譜（FTIR）等手段對吸附劑進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，TB-EPS與LBEPS對金屬陽離子的吸附都符合Langmuir等溫吸附模型。與TB-EPS相比，LB-EPS中蛋白質(zhì)和多糖的含量都要小，但其吸附金屬離子的能力卻更強(qiáng)。這主要是由于LB-EPS吸附金屬離子不僅具有螯合吸附作用，而且還具有絮凝吸附作用。同時，研究還發(fā)現(xiàn)，兩種金屬離子之間還存在著對EPS上吸附位的競爭吸附。

關(guān)于金屬離子之間的競爭吸附，在其他的研究中有更深入的探討。如Yurong Yin等〔6〕提取了煙曲霉的胞外聚合物，并將其用于吸附金屬離子的實驗研究，探討了多種因素對吸附的影響。結(jié)果表明，pH、EPS濃度、金屬離子起始濃度、NaCl濃度和共存離子對EPS吸附金屬離子都有影響。研究還發(fā)現(xiàn)，EPS對不同金屬離子的吸附順序為Cu2+＞Pb2+＞Cd2+。同時進(jìn)行FTIR和掃描電鏡元素分析儀（EDX）表征手段分析，從一定程度上驗證了EPS吸附金屬的機(jī)理。FTIR分析表明，EPS中對吸附金屬離子起作用的是羧基、羥基、氨基及磷酸基等官能團(tuán)，而EDX分析則表明EPS吸附過程中存在著離子交換機(jī)制，與未吸附金屬的EPS相比，吸附了金屬離子的EPS中Ca2+和Mg2+的含量明顯減少。

S.Comte等〔11〕在用陽離子交換樹脂從厭氧顆粒污泥中提取EPS并吸附金屬離子Pb2+和Cd2+時，發(fā)現(xiàn)了除離子交換外的其他吸附機(jī)制。交換所提供的質(zhì)子與金屬離子的物質(zhì)的量比表明，EPS吸附金屬離子除了離子交換外還存在著其他機(jī)制。通過掃描電鏡-能量色散X-射線能譜法相結(jié)合的方法（SEMEDS）進(jìn)行分析，結(jié)果表明，EPS中的有機(jī)部分和以顆粒形式存在的無機(jī)部分，如Al和Fe的氧化物及其磷酸鹽等都對EPS吸附重金屬起作用。

S.Comte等〔14〕還在另一篇文章中指出，在吸附金屬離子時，EPS中含有的多糖起主要的作用，吸附機(jī)理主要是質(zhì)子（離子）交換。在吸附Cu2+時，還有靜電吸附作用和沉積作用存在。同時也指出，無論是何種EPS，在吸附金屬時，其吸附順序都是Cu2+> Pb2+>Ni2+>Cd2+。但Guoping Sheng等〔15〕則認(rèn)為蛋白質(zhì)及類腐殖酸的作用要大于多糖，他們在用熒光光譜（EEM）、等溫滴定量熱法（ITC）、FITR以及X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜（XAFS）等手段探討金屬Cu2+與EPS的結(jié)合機(jī)理時，發(fā)現(xiàn)EPS表面的帶負(fù)電的官能團(tuán)能與金屬進(jìn)行結(jié)合，從而增加EPS的結(jié)構(gòu)紊亂度，Cu2+不是簡單地與溶液分離，而是吸附到了EPS上，同時表明羧基在此過程中起到了較大的作用。EPS中與Cu2+進(jìn)行吸附的物質(zhì)主要是其中的蛋白質(zhì)及類腐殖酸。

一般認(rèn)為，EPS與金屬離子的吸附機(jī)理主要有以下幾種類型，且在大多數(shù)情況下是幾種機(jī)制共同作用的結(jié)果，如圖1所示〔16〕。

圖1　金屬離子與EPS的作用機(jī)制

（1）離子交換。是解釋金屬與EPS之間吸附的比較常見的機(jī)理。該機(jī)理表明，金屬離子形態(tài)以及EPS上許多官能團(tuán)的吸附特性都與pH直接相關(guān)。一般而言，pH較高時，溶液中的質(zhì)子較少，由于質(zhì)子會與金屬離子發(fā)生競爭吸附，因此pH較高時有利于金屬離子吸附在EPS上。除了質(zhì)子，其他離子也對離子交換產(chǎn)生影響，如Na+、Ca2+等。但該機(jī)理不能完全解釋金屬離子在EPS上的吸附。該吸附機(jī)理可以用如EDX、FTIR等測試方法分析。

（2）螯合作用（包括靜電吸附作用）。EPS中的許多官能團(tuán)在不同的pH條件下，表現(xiàn)出不同的帶電性質(zhì)。一般在中性與堿性條件下，帶負(fù)電荷的官能團(tuán)較多，因此可以通過靜電及共價鍵方式對溶液中的金屬離子進(jìn)行螯合，達(dá)到吸附去除污染物的目的。該吸附機(jī)理可以用如極譜滴定法〔17〕、熒光光譜（EEM）、等溫滴定量熱法（ITC）等測試方法分析。

（3）表面沉積。隨著pH的增加，溶液中大多數(shù)金屬的形態(tài)都會發(fā)生一系列轉(zhuǎn)變，從水合金屬陽離子到羥基單體，再到聚合體，并最終以氧化物晶體的形態(tài)沉淀下來?？梢杂萌鐠呙桦婄R（SEM）、ITC等測試方法分析。

對于EPS吸附金屬離子及其他污染物而言，許多因素都會影響這一過程，但因這樣的綜述文獻(xiàn)較為豐富，因此不再贅述。

2.2染料廢水

染料廢水排放量大、有機(jī)物含量高、色度高，直接排入水體會對人類健康和生存環(huán)境帶來極大危害，同時，由于染料廢水的獨特性，含量很低的染料廢水都會因產(chǎn)生色度而影響人的視覺感官。因此，染料廢水屬于難處理的工業(yè)廢水之一。EPS來自微生物（特別是細(xì)菌），因具有較為獨特的吸附特性，而在近十幾年來受到越來越多研究者的關(guān)注。除了在金屬廢水中作為吸附劑使用外，在染料廢水中的應(yīng)用也逐漸盛行。

孔旺盛等〔18〕對活性污泥、厭氧污泥產(chǎn)生的胞外聚合物進(jìn)行了污泥吸附染料酸性湖藍(lán)A（陰離子染料）的對比實驗研究，結(jié)果表明，無論是活性污泥還是厭氧污泥，內(nèi)層固著型胞外聚合物（BEPS）的含量都遠(yuǎn)大于外層溶解型胞外聚合物（SEPS），蛋白質(zhì)是EPS的主要成分。在吸附酸性湖藍(lán)A時，不同類型的胞外聚合物的吸附能力有差別，對活性污泥而言，其SEPS起主要作用，而厭氧活性污泥則相反。兩種污泥中的EPS吸附染料酸性湖藍(lán)A時均符合Langmuir等溫吸附模型。但需要指出的是，pH在EPS吸附染料方面占到的作用非常大，在該文獻(xiàn)中未提及吸附時溶液的pH。對于陰離子染料來說，在酸性條件下的吸附量要遠(yuǎn)大于中性或者堿性條件。文中所提到的外層溶解型胞外聚合物（SEPS），從EPS的提取方法來看，應(yīng)該就是LB-EPS或者是LB-EPS的一部分。

Zhiqiang Zhang等〔19〕用從奇異變形桿菌TJ-1中提取的EPS吸附堿性藍(lán)54（BB54）時，也發(fā)現(xiàn)EPS對染料具有較好的吸附效果。在pH=12，室溫條件下，最大吸附量可達(dá)2.005 g/g，吸附模型既符合Langmuir模型也符合Freundlich模型。動力學(xué)研究表明吸附主要受內(nèi)擴(kuò)散影響。EPS中多糖的含量較蛋白質(zhì)大，通過SEM和FTIR來表征EPS，發(fā)現(xiàn)EPS具有線性晶體結(jié)構(gòu)，同時含有較豐富的羥基、羧基及氨基的官能團(tuán)，這些特點都有利于染料BB54在EPS上的吸附。

Guoping Sheng等〔20〕分別用好氧污泥的EPS（AE-EPS）和厭氧污泥的EPS（AN-EPS）吸附去除陽離子染料甲苯胺藍(lán)，結(jié)果表明AE-EPS在吸附甲苯胺藍(lán)時比AN-EPS要大。分析組分發(fā)現(xiàn)，AE-EPS中的蛋白質(zhì)較AN-EPS的含量大，據(jù)此得出蛋白質(zhì)由于含更多的吸附位，因此更有利于對染料的吸附。

B.S.Inbaraj等〔21〕用胞外聚合物中的γ-谷氨酸吸附陽離子染料堿性棕1，發(fā)現(xiàn)吸附能在60min內(nèi)快速達(dá)到平衡，符合擬二級動力學(xué)模型。同時熱力學(xué)參數(shù)顯示，該吸附過程是自發(fā)的放熱過程。主要的吸附機(jī)理是離子交換，用IR光譜進(jìn)一步證實了堿性染料與γ-谷氨酸之間主要是通過染料陽離子和羧酸陰離子相互作用進(jìn)行吸附的。氨基酸是蛋白質(zhì)的組成成分，這也從另一側(cè)面驗證了蛋白質(zhì)在染料吸附中起著較大的作用。

關(guān)于吸附位的鑒定主要可借鑒2002年Yuzhu Fu等〔22〕的研究成果，該課題組用不同的處理方法處理黑曲霉后用于不同類型染料的吸附研究，結(jié)果表明對于陽離子染料堿性藍(lán)9而言，吸附位主要是羧基和氨基基團(tuán)；對于陰離子染料酸性藍(lán)29，靜電吸附為主要機(jī)理，因此氨基是主要的吸附位；不同于酸性藍(lán)29，另一種陰離子染料剛果紅的吸附位則主要為氨基、羧基、磷酸基以及脂類；分散紅1屬于非離子型染料，物理與化學(xué)吸附同時存在，氨基與脂類都是染料的主要吸附位。而在XingWei等〔23〕的研究中則指出，EPS提取前后只是發(fā)生了吸附位的減少，而細(xì)菌表面的功能團(tuán)的種類不會發(fā)生改變，因此EPS中的基團(tuán)類型與菌表面的基團(tuán)類型相差并不大，菌體的吸附位在一定程度上也適用于胞外聚合物。

Weijie Liu等〔24〕從曝氣生物濾池回流污泥中提取絮凝物EPS，該EPS主要成分為多糖和蛋白質(zhì)，將其碾成粉末并于4℃下保存8個月，絮凝物的穩(wěn)定性降低很少。其絮凝活性保持在80%以上，對亞甲基藍(lán)、耐曬藍(lán)的去除率分別為82.9%、77.8%。說明4℃的環(huán)境可以作為EPS的一種保存方法，但EPS還是現(xiàn)用現(xiàn)制備為宜。

也有研究者針對胞外聚合物較強(qiáng)的水溶性從而限制了其應(yīng)用范圍這一缺陷，對EPS進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母男裕瑥亩鴶U(kuò)大了EPS的應(yīng)用范圍，而且經(jīng)過改性后的EPS對污染物的吸附機(jī)理并不會發(fā)生大的改變。如V.Janaki等〔25〕就在EPS中引入了聚苯胺（PN），聚苯胺是半彈性的桿狀聚合物，具有易于合成、性質(zhì)穩(wěn)定以及易于摻雜和去摻雜的特性。用EPS與PN進(jìn)行混合反應(yīng)，合成了Pn/EPS，用該材料吸附一系列雷馬素（Remazol）染料，結(jié)果表明，該EPS改性材料對染料具有較好的去除效果，去除率高，吸附可用一級動力學(xué)擬合，同時符合Freundlich等溫吸附模型。用FTIR分析及脫附實驗表明，染料與聚合物之間的離子相互作用是吸附的主要機(jī)理。

2.3有機(jī)廢水

在有機(jī)廢水的去除方面，Juan Xu等〔26〕運用一系列技術(shù)，如熒光光譜分析、激光光散射技術(shù)和微量熱法技術(shù)對胞外聚合物與抗生素磺胺甲基吡啶的相互作用機(jī)理進(jìn)行了研究，研究表明，活性污泥的胞外聚合物能吸附去除磺胺甲基吡啶，吸附磺胺基吡啶后胞外聚合物會增大變松散，從而有利于磺胺基吡啶的傳質(zhì)。兩者吸附主要是由于疏水作用，胞外聚合物的吸附作用有利于磺胺基吡啶與微生物充分接觸最終導(dǎo)致其被生物降解。

W.O.Khunjar等〔27〕在用4種生物質(zhì)吸附4種抗生素時，發(fā)現(xiàn)胞外聚合物在吸附抗生素甲氧芐氨嘧啶（TMP）和17α-炔雌醇（EE2）時，其吸附機(jī)理有所區(qū)別，吸附EE2時主要是由于疏水作用，而吸附TMP時主要是由于靜電作用。同時還指出，胞外聚合物中蛋白質(zhì)的作用較多糖要大。也有學(xué)者認(rèn)為〔28〕，胞外聚合物的含量對于污泥表面性質(zhì)有一定的影響，比如，隨著胞外聚合物含量的減少，污泥接觸角增加了，但污泥表面能和結(jié)合自由能反而也跟著降低了，這直接影響著污泥的相對疏水特性，從而影響污泥對污染物的吸附。

ZhikangWang等〔29〕用假單胞菌提取的EPS用于吸附天然有機(jī)物質(zhì)（NOM）時發(fā)現(xiàn)，不管EPS的類型和數(shù)量如何，擴(kuò)散雙電層的存在都會限制EPS對有機(jī)物的吸附。然而天然水體中存在的二價離子卻有利于EPS對污染物的吸附，疏水作用在EPS吸附NOM時也有一定的作用，以蛋白質(zhì)為主的EPS由于含有較多的疏水鍵，因此有利于吸附疏水性的有機(jī)物。由此，他們得出EPS中的親水性羧基與NOM之間存在的架橋作用是吸附的主要形式，而以蛋白質(zhì)為主的EPS對疏水性有機(jī)物的吸附則主要以疏水作用為主要形式。

同時也有研究〔30〕表明，胞外聚合物可以提高多環(huán)芳烴等疏水性物質(zhì)的傳質(zhì)作用而有利于污染物被生物降解。更有研究表明〔31〕，有些菌的胞外聚合物由于本身含有氧化還原酶，能直接實現(xiàn)對多環(huán)芳烴的降解。

綜上所述，可以大致得到如圖2所示的胞外聚合物中不同成分對不同類型污染物的吸附貢獻(xiàn)圖。

圖2　胞外聚合物中不同成分對不同類型污染物的吸附貢獻(xiàn)

對于離子型污染物來說，pH是影響EPS吸附的主要因素。蛋白質(zhì)和多糖對離子型污染物來說都有作用，盡管文獻(xiàn)中的結(jié)果都不一致，但大體都受到物質(zhì)中帶電官能團(tuán)的影響。需要指出的是，由于EPS是以帶負(fù)電荷的官能團(tuán)為主，因此，大多數(shù)能吸附陽離子型污染物。對于陰離子型污染物則可以通過改變EPS的帶電性質(zhì)來實現(xiàn)對污染物的吸附（調(diào)節(jié)pH），其吸附機(jī)理大多數(shù)是通過離子交換和螯合吸附進(jìn)行的。而非離子型污染物由于其具有疏水性，因此主要是通過疏水作用吸附在EPS中的蛋白質(zhì)或脂類物質(zhì)上。

3　結(jié)語

胞外聚合物對不同類型廢水去除的過程中，有許多大致相同的機(jī)理。比如陽離子染料與金屬陽離子在很大程度上都存在離子交換及靜電吸附機(jī)理，這主要與EPS中含有大量帶負(fù)電的官能團(tuán)有關(guān)，因此，控制溶液的pH就顯得尤為重要；而對于非離子型的污染物，EPS中的蛋白質(zhì)及脂類物質(zhì)的疏水性能則起到主要的吸附去除作用，因此，可以選擇用產(chǎn)EPS中蛋白質(zhì)含量高的微生物作為吸附此類物質(zhì)的首選吸附材料。根據(jù)不同污染物的特性，選取合適的EPS，這是提高EPS吸附性能的有效手段。

另外，胞外聚合物作為微生物產(chǎn)生的天然吸附材料，具有成本低、對環(huán)境污染小、吸附量大的特點。在今后的工作中，需在以下幾方面盡更大的努力，才能使EPS這種吸附劑具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

（1）尋找并制定EPS提取的標(biāo)準(zhǔn)方法（可以是針對某一特定菌群或者污泥的）；（2）豐富EPS吸附污染物的機(jī)理探討手段，以便更加直觀地表征EPS對污染物的去除機(jī)制；（3）探索化學(xué)物質(zhì)與合成方法對EPS進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男?，從而擴(kuò)大EPS在廢水處理中的應(yīng)用范圍；（4）盡管對吸附機(jī)理的類型都有較為豐富的探討，但吸附過程往往都是多種吸附機(jī)理共存的，同時廢水成分也極其復(fù)雜，因此，將污染物與EPS的吸附機(jī)理研究透徹，可以充分發(fā)揮EPS在廢水處理中的作用。

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Discussions on themechanism s of the removalofpollutants from wastewaterby extracellular polymer substances

Qian Yongxing，LiZhongjian，Yang Bin，Zhang Xingwang，LeiLecheng

（Industrial Ecology and Environment Research Institute，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Extracellular polymeric substances（EPS）asa new kind ofbiosorbentplaysan important role in wastewater treatment.Since a numberofsimilar substancesand functional groupsare contained on surfacesof EPSand bacteria，the adsorbing capacity of EPS for pollutants are the same as bacteria，and even better than bacteria.The composition，classification and extractionmethods of EPSare introduced.In addition，based on this，themechanisms of EPSadsorption for removing different kinds ofpollutantsare discussed.The role of EPSwith different compositions and functional groups plays in the removal of pollutants is expounded.In addition，the technique of EPSas adsorbents for adsorbing polluted wastewater is looked forward.

extracellularpolymeric substances；biosorption；wastewater treatment

X703.1

A

1005-829X（2016）07-0016-06

錢勇興（1985—），博士。電話：0571-87952525，E-mail：qianyx312@163.com。

2016-03-10（修改稿）