微生物胞外聚合物在水環(huán)境中的應用研究

康得軍，謝丹瑜，唐虹，匡帥，周高婷

微生物胞外聚合物在水環(huán)境中的應用研究

康得軍，謝丹瑜，唐虹，匡帥，周高婷

（福州大學土木工程學院，福建福州350116）

介紹了微生物胞外聚合物（EPS）組成、EPS的絮凝性能、吸附性能及生物降解性，簡述了EPS的提取及制備過程。結合EPS在給水處理、污水處理及污泥處理中的潛在應用，分析了使用EPS的優(yōu)越性和局限性。最后展望了EPS作為生物絮凝劑、吸附劑在水處理領域里的應用前景和發(fā)展方向。

微生物；胞外聚合物；絮凝；吸附；水處理

近年來，微生物胞外聚合物（EPS）因其出色的絮凝和吸附性能，被廣泛應用于給水處理、污水處理和污泥處理等領域中。許多學者開展了EPS處理實際廢水的實驗研究，結果均表明EPS有較好的研究價值和應用前景。在當今環(huán)境污染日益嚴重的背景下，EPS作為一種新型的絮凝劑、吸附劑，將其規(guī)?；a(chǎn)、應用，可以在很大程度上減輕環(huán)境負擔。

通過綜述近年來EPS在水處理領域里的研究，討論EPS應用的可行性、優(yōu)越性，同樣也提出在實際應用中需要解決的問題。為今后研究的開展提供一定的參考。

1　EPS的組成和主要性質

1.1EPS的空間構成及化學組成

EPS的構成包括細胞分泌的莢膜、黏液、排泄物、水解代謝產(chǎn)物以及附著的有機物等多種物質〔1〕。通過電子顯微鏡可以觀察到純培養(yǎng)菌、活性污泥和生物膜中均含有EPS，EPS是包裹在細胞外用于保護微生物細胞的高分子聚合物。根據(jù)EPS的存在形式，將EPS分為溶解態(tài)（SEPS）與附著態(tài)（BEPS），有研究表明，SEPS的吸附能力要強于BEPS〔2-4〕。BEPS根據(jù)其與細胞結合的緊密程度，進一步分為松散附著態(tài)（LB）與緊密黏附態(tài)（TB）。TB與細胞壁緊密結合，不易脫落，對活性污泥絮體性質影響較??；相反，LB結構松散，無明顯邊緣，對污泥絮凝、脫水和沉降性能有較大影響〔5〕。SEPS和BEPS化學成分主要是多糖和蛋白質，二者約占EPS總量的70%～80%，其次是腐殖質，約占20%，剩余成分為脂肪、核酸及無機物質〔6-7〕。這些成分所占的比例受微生物生長階段、生物反應器類型、工藝參數(shù)、分析手段等多種因素的影響，主要取決于提取方法與污泥來源〔8〕。

1.2EPS的吸附性能和生物降解性

EPS對活性污泥的物理化學性質有顯著影響，包括團聚體的結構、表面電荷、絮凝沉淀性質、脫水性質以及吸附能力等〔1，9〕。其中最受關注的主要是其絮凝性能、吸附性能及生物降解性。

胞外聚合物絮凝機理目前被普遍接受的是離子鍵、氫鍵架橋學說。生物絮凝劑分子質量較大，單個分子可同時與多個懸浮顆粒通過離子鍵、氫鍵的作用相結合，形成網(wǎng)狀結構而沉積，從而表現(xiàn)出絮凝能力〔10〕。研究表明，LB數(shù)量增加不利于生物絮凝，而TEPS投加量的增加反而能夠促進生物絮凝〔11〕。

在生物吸附的過程中，EPS發(fā)揮了重大的作用〔8〕，EPS的吸附性質與微生物細胞的黏附性和團聚性密切相關〔10〕。由于EPS表面帶負電荷，很容易與帶正電的金屬離子螯合形成陰陽離子相結合的復合物，該性質常用來處理含重金屬的廢水〔1〕。EPS可以為有機物和金屬提供大量吸附位點，如蛋白質中的芳香族化合物和多糖中的疏水區(qū)。EPS上有諸多官能團，如羧基、磷?；?、巰基、酚類和羥基，這些官能團具備了陽離子交換潛力，并增強了與重金屬離子的絡合〔12-13〕。

EPS的另一重要特性是生物降解性，可作為碳源和能源，在營養(yǎng)缺乏的條件下，被活性污泥中的細菌利用。但不是所有EPS都能被生物降解，Z.W. Wang等〔14〕的研究表明，好氧顆粒污泥EPS中，只有內層的EPS才能降解，而外層不能。此外，張云霞等〔15〕對EPS中可生物降解的部分進行了量化，結果表明，有40%是可生物降解的，能夠作為污泥自身的能源；其余60%雖然不可生物降解，但是對污泥的立體結構有重要影響。

2　EPS的提取與制備

2.1EPS的提取

提取EPS首先要破壞菌膠團的絮體結構，再將EPS從細胞表面剝離下來。目前EPS的提取技術已經(jīng)較為成熟，提取方法分為物理法和化學法，前者對微生物細胞破壞程度較小，如高速離心、超聲破碎、加熱等；后者除了對細胞有一定破壞以外，還會引入其他藥劑，在成分分析時構成一定干擾，常用化學方法有陽離子交換樹脂法（CER法）、NaOH法、硫酸法等。酸堿法是利用H+或OH-進入污泥絮體內部，與EPS進行化學反應，改變物質的水溶性將其提取出來〔16〕；CER法是將EPS中連接細胞表面的陽離子交換出來，使菌膠團解絮，EPS脫離細胞表面〔17〕；加熱法則是通過加熱使污泥結構松散，利于提取，另一方面增大各成分的溶解性〔18〕；超聲則是利用剪切力和空穴形成的壓力沖擊來剝離細胞表面的EPS〔19〕。因此，EPS的提取量與不同成分所占比例很大程度上取決于提取方法。

2.2EPS的制備

用溫和的物理或化學方法使EPS溶解出來，再通過離心即可分離出細胞，進行EPS的再生。T.T. More等〔20〕將細菌產(chǎn)生的EPS分為無需加工、純化及后處理等三種形式。無需加工的EPS是性價比較高的生物絮凝材料，比如有些菌株的EPS絮凝性能好，在應用時不需要進一步處理。此外，可以通過膜過濾來濃縮EPS提取液，通過濃縮來減小EPS體積，增大產(chǎn)品的穩(wěn)定性及相對活性。把EPS經(jīng)過干燥后形成粉末，在應用時再進行溶解，這種形式得到的EPS也可作為生物絮凝材料。

3　EPS的環(huán)境應用

EPS作為一種潛在的生物絮凝劑，在給水處理、污水處理及污泥處理等領域都有較好的應用前景。T.T.More等〔20〕在EPS的應用上做了大量研究，提出了EPS在環(huán)境領域中的潛在應用。

3.1給水處理

近年來，利用不同菌株產(chǎn)生的EPS來處理和修復微污染原水受到了廣泛關注，EPS作為生物絮凝劑在水處理中的應用情況如表1所示。

表1　EPS在給水處理中的應用

有研究表明，單獨投加EPS無法有效絮凝和吸附去除原水中的污染物〔25〕，因此許多學者〔21-22〕提出將EPS與無機絮凝劑聯(lián)用，利用無機絮凝劑的吸附電中和、壓縮雙電層作用，以及EPS大分子的吸附架橋作用，不僅可以強化對污染物的去除，還能減少無機絮凝劑的投加量。S.P.Buthelezi等〔23-24，26〕提出，將EPS用于河水處理，去除河水中的濁度、革蘭氏陽性菌及自然有機物等。

多數(shù)研究均表明，EPS可作為傳統(tǒng)無機絮凝劑的替代或輔助品，但是生物絮凝劑制備過程繁瑣，生產(chǎn)費用高，應用受到限制〔27〕；此外，由于微生物可能會產(chǎn)生污染物，在處理飲用水時存在一定的風險。因此，EPS在水處理領域的安全應用，還需要更進一步的研究。

3.2廢水處理

EPS的絮凝性能同樣也可以用在廢水處理中。與給水處理相比，由于不用考慮安全性的問題，EPS在廢水處理中的應用研究更為廣泛。近年來將EPS的絮凝特性用于廢水處理的研究結果如表2所示。

由表2可見，EPS作為一種生物絮凝劑對生活污水、農(nóng)業(yè)廢水和工業(yè)廢水都有較好的處理效果。同時用EPS處理廢水時，不會引入“三致”和其他有害物質，因此成為各類污水處理劑的理想選擇〔10〕。

吸附性能是EPS另外一個重要的特征，EPS上含有諸多官能團，可為各種重金屬和有機污染物等提供吸附位點。人們常常利用EPS的這一特點來處理重金屬廢水或印染廢水，如表3所示。

表2　利用EPS絮凝性進行廢水處理

表3　利用EPS吸附性進行廢水處理

由表3可見，在EPS的強大吸附能力下，廢水大部分重金屬和染料能得以去除。EPS對金屬的吸附量在10～2 000mg/g之間〔32-33，36〕，不同文獻所報道的值差異較大，主要是缺乏統(tǒng)一的EPS提取和定量標準；另外，EPS的類型、金屬類型、分析手段等因素也導致了EPS吸附量的巨大差異。目前，利用EPS吸附染料的應用研究還不及重金屬廣泛，吸附規(guī)律和機制都是今后值得探究的方向。

此外，EPS的吸附性能還能用于生物除磷，萬金保等〔37〕指出，在生物除磷工藝中，污泥中的EPS吸附相當數(shù)量的磷。劉亞男等〔38〕通過實驗考察了EPS在除磷中的作用，電鏡EXD能譜表明，EPS中磷含量很高，說明在生物除磷過程中EPS也發(fā)揮了一定作用。

雖然多數(shù)研究表明EPS在廢水處理中發(fā)揮了巨大的作用，不僅能去除大部分COD、濁度及色度，還能通過吸附作用去除廢水中的重金屬和染料。但大多數(shù)研究僅在實驗室規(guī)模下實施，因此，關于EPS在廢水處理中的實際應用，還需要開展更多的中試研究。

3.3污泥脫水

EPS被認為是影響污泥脫水性能的最主要因素。因為EPS分布在細胞周圍，阻礙細胞之間的接觸，從而形成密實的凝膠，阻止結合水從凝膠的微孔擠出，使污泥脫水性能變差〔39〕。周俊等〔40〕考察了污泥不同層EPS剝離前后對污泥脫水性能的影響，結果表明污泥黏液層的影響最顯著，黏液層與TB含量越高越不利于污泥脫水，而LB在一定程度上促進污泥脫水。這與S.F.Yang等〔41〕和王紅武等〔42〕得出的結論類似。最近，人們開始研究EPS作為生物絮凝劑在污泥脫水中應用。比如Qi Yang等〔43〕將克雷白氏桿菌EPS用于污泥脫水，與明礬、PAC和PAM等相比，表現(xiàn)出相似的脫水效果。他們還發(fā)現(xiàn)，將EPS用于前處理或者與明礬聯(lián)用，可以顯著降低污泥比阻，提高污泥含固率。Zhiqiang Zhang等〔44〕也報道稱將奇異變形桿菌EPS與CaCl2聯(lián)用，不僅能強化污泥脫水，而且有利于污泥調節(jié)。

4　結語與展望

EPS作為一種新型的生物絮凝劑、吸附劑，具有可生物降解性、高效性、無毒性等特點，并且無二次污染，在水處理、污水處理及污泥處理領域中有巨大的潛能。但出于EPS制備的復雜性以及處理飲用水的安全性等問題，研究人員仍需要攻克很多難題。

根據(jù)目前的發(fā)展情況以及存在的問題，今后該領域有以下研究方向：（1）利用基因工程技術，培養(yǎng)出EPS產(chǎn)量高的工程菌，實現(xiàn)EPS的批量提??；（2）構建一套統(tǒng)一完善的EPS提取和成分分析系統(tǒng)，有利于實驗結果的對比與實驗條件的優(yōu)化；（3）廣泛開展水處理、污水處理和污泥處理各領域的中試研究，為EPS的環(huán)境應用提供更多的參考依據(jù)；（4）利用先進的分析手段，探討EPS的絮凝機理和吸附機理，有助于反應模型的構建，為實際生產(chǎn)的設計和運行提供方便。

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·水處理知識講座·

什么是超過濾技術？

超過濾是一種薄膜分離技術，就是在一定的壓力下（壓力為0.07～0.7MPa，最高不超過1.05MPa），水在膜面上流動，水與溶解鹽類和其他電解質是微小的顆粒，能夠滲透超濾膜，而分子質量大的顆粒和膠體物質就被超濾膜所阻擋，從而使水中的部分微粒得到分離的技術。超濾膜的孔徑是數(shù)十至幾百埃、介于反滲透與微孔膜之間。超濾膜的孔徑是由一定分子質量的物質進行截留試驗測定的，并以分子質量的數(shù)值來表示的。

在水處理中，應用超濾膜來除去水中的懸浮物質和膠體物質。在醫(yī)藥工業(yè)上超濾膜的應用也十分廣泛。

超過濾膜的種類很多，其中醋酸纖維素（CA）、聚砜（PS）、聚丙烯腈（PAN）、聚醚砜（POS）等超過濾膜已廣為應用。當超過濾膜受到污染或結垢時，一般采用雙氧水或次氯酸鈉溶液來清洗，不能通過反洗來清洗膜面。超過濾最高運行溫度為45℃，pH為1.5～13.0。超過濾是去除水中有機物質的一項措施，也可以去除微量膠體物、生物體以及樹脂碎末等。超過濾常置于除鹽系統(tǒng)之后，或置于反滲透裝置之前來保護反滲透膜。

（摘自《工業(yè)水處理技術問答及常用數(shù)據(jù)》）

Research on the app lication ofm icroorganism extracellular polymeric substances to waterenvironm ent

Kang Dejun，Xie Danyu，Tang Hong，Kuang Shuai，Zhou Gaoting
（Collegeof Civil Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China）

The composition ofmicroorganism extracellular polymeric substances（EPS）togetherwith their flocculability，adsorbability and biodegradability are introduced.Then，the extraction and preparation process of EPSare described briefly.Combined with EPSpotential applications to feed-water treatment，wastewater treatmentand sludge treatment，the advantages and limitation of EPSapplication are analyzed.The prospectand developing directions of EPSas flocculentand adsorbentapplied towater treatment fieldsare predicted.

microorganism；extracellularpolymeric substances；flocculation；adsorption；water treatment

X703

A

1005-829X（2016）09-0011-05

康得軍（1981—），博士，副教授。E-mail：djkang@fzu.edu. cn。

2016-06-02（修改稿）

福建省教育廳科技項目（JA15094）；福州市科技計劃項目（2014-G-58）；福州大學博士后科研啟動基金（0041-510119）；福州大學貴重儀器設備開放測試基金（2016T040）