微生物胞外聚合物在環(huán)境工程中的應(yīng)用進(jìn)展

徐斌　楊繼飛　劉駿

摘要：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(yīng)用于給水處理、污水處理和污泥處理等領(lǐng)域中。許多學(xué)者開展了EPS處理實際廢水的實驗研究，結(jié)果均表明EPS有較好的研究價值和應(yīng)用前景。在當(dāng)今環(huán)境污染日益嚴(yán)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(yīng)用，可以在很大程度上減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)。本文主要就對微生物胞外聚合物在環(huán)境工程中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行分析和探討。

關(guān)鍵詞：微生物胞外聚合物；環(huán)境工程；應(yīng)用進(jìn)展

1 EPS的提取

提取EPS首先要破壞菌膠團(tuán)的絮體結(jié)構(gòu)，再將EPS從細(xì)胞表面剝離下來。目前EPS的提取技術(shù)已經(jīng)較為成熟，提取方法分為物理法和化學(xué)法，前者對微生物細(xì)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(xì)胞有一定破壞以外，還會引入其他藥劑，在成分分析時構(gòu)成一定干擾，常用化學(xué)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(jìn)入污泥絮體內(nèi)部，與EPS進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，改變物質(zhì)的水溶性將其提取出來；CER法是將EPS中連接細(xì)胞表面的陽離子交換出來，使菌膠團(tuán)解絮，EPS脫離細(xì)胞表面；加熱法則是通過加熱使污泥結(jié)構(gòu)松散，利于提取，另一方面增大各成分的溶解性；超聲則是利用剪切力和空穴形成的壓力沖擊來剝離細(xì)胞表面的EPS。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微生物胞外聚合物在環(huán)境工程中的應(yīng)用進(jìn)展

2.1.1給水處理

近年來，利用不同菌株產(chǎn)生的EPS來處理和修復(fù)微污染原水受到了廣泛關(guān)注。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，因此許多學(xué)者提出將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。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(yīng)用受到限制；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(fēng)險。因此，EPS在水處理領(lǐng)域的安全應(yīng)用，還需要更進(jìn)一步的研究。

2.1.3污泥脫水

EPS被認(rèn)為是影響污泥脫水性能的最主要因素。因為EPS分布在細(xì)胞周圍，阻礙細(xì)胞之間的接觸，從而形成密實的凝膠，阻止結(jié)合水從凝膠的微孔擠出，使污泥脫水性能變差。周俊等考察了污泥不同層EPS剝離前后對污泥脫水性能的影響，結(jié)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(jìn)污泥脫水。這與S.F.Yang等和王紅武等得出的結(jié)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(yīng)用。比如QiYang等將克雷白氏桿菌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。ZhiqiangZhang等也報道稱將奇異變形桿菌EPS與CaCl，聯(lián)用，不僅能強化污泥脫水，而且有利于污泥調(diào)節(jié)。

2.2金屬去除和回收

目前，EPS在廢水處理領(lǐng)域的另一個突出貢獻(xiàn)是重金屬的去除。由幾種不同菌種產(chǎn)生的EPS（如芽孢桿菌Bacillus、鹽單胞菌Halomonas、草螺菌Herbaspifillum、假單胞菌Pseudomonas和類芽孢桿菌PaenibaciHus）被認(rèn)為是工業(yè)廢水處理中頗具應(yīng)用前景的絮凝劑。在這項研究中，當(dāng)添加最適濃度的EPS（1-10mg/L）時可觀察到pb2+、zn2+和Hg2+的去除率較高（大于50%），而且EPS僅在高濃度（1000mrdL）時才能有效去除Cd2+。通過提升溫度（高達(dá)45℃）可顯著增強EPS對cd2+的去除能力（達(dá)95%）。能分泌EPS的假單胞菌被觀察到能夠耐受培養(yǎng)基中的cd2+（2mmol/L及以上），并且其耐受力與菌體產(chǎn)生的EPS濃度直接相關(guān)。

2.3有毒有機物的去除

EPS具有去除廢水、污泥和土壤中多種有毒有機物的能力。微生物降解多環(huán)芳烴（PAHs）被認(rèn)為是最可行的生物修復(fù)技術(shù)。據(jù)報道，細(xì)菌產(chǎn)生的EPS可用于去除污染土壤中的PAHs。原位接種可降解PAHs的細(xì)菌，其產(chǎn)生的EPS能夠有效清理受PAHs污染的土壤和沉積物。Jia等在2011年報道EPS對PAHs的降解具有至關(guān)重要的作用。EPS和PAHs的相互作用被認(rèn)為是自發(fā)和放熱的過程，EPS和PAHs的聯(lián)結(jié)主要受疏水作用控制。EPS具有表面活性，使疏水性底物溶解。有機菲fPHE）降解過程主要發(fā)生在硅膠油一水界面。細(xì)菌通過分泌EPS來克服PHE的傳質(zhì)限制，從而促進(jìn)PHE在硅油中的溶解。EPS能夠促進(jìn)PHE在水中的傳質(zhì)，從而提高PHE的生物有效性。

2.4土壤修復(fù)和再生

生物降解最近被認(rèn)為是最具潛力的土壤修復(fù)技術(shù)之一，尤其是在受到碳?xì)浠衔镂廴镜膬蓸O地區(qū)。許多研究集中在生物膜反應(yīng)器對難降解化合物的修復(fù)。生物膜由EPS承載的微生物群落組成。生物膜具有更高的微生物量，可以降解難降解化合物，而且生物膜可通過EPS來固定化合物。同時可加強基因在生物膜微生物群落中的轉(zhuǎn)移，并且它們的趨化性使得生物膜適合于生物修復(fù)。在最近的研究中，生物膜顯示了非常強（97%）的生物降解能力。生物修復(fù)的成功應(yīng)用依賴于微生物的降解能力和原位環(huán)境條件。生物修復(fù)可以通過基因工程來提高效率。微生物的趨化性能、混合培養(yǎng)生物膜和理化條件的優(yōu)化是基因工程的關(guān)注點。

結(jié)語

目前EPS的提取過程較為繁瑣且產(chǎn)量低，是現(xiàn)有EPS研究和應(yīng)用的主要障礙之一。因此，未來的工作應(yīng)該完善現(xiàn)有的提取方法，尋找EPS的高產(chǎn)微生物；并且還需要加大對EPS組成和作用原理的研究力度，加深對EPS的認(rèn)識；在此基礎(chǔ)上開發(fā)先進(jìn)的分析技術(shù)，提高研究效率和準(zhǔn)確度。