胞外聚合物在微生物細(xì)胞吸附藥物中的作用探析

劉吉

摘?要：本文就胞外聚合物在微生物細(xì)胞吸附藥物中的作用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析出胞外聚合物是微生物細(xì)胞藥物吸附作用的關(guān)鍵要素，但并非全部要素，無胞外聚合物的微生物細(xì)胞對(duì)藥物仍具有一定的吸附作用，推測(cè)與微生物細(xì)胞自身結(jié)構(gòu)特征、活性有關(guān)。但ESP能夠大大加強(qiáng)微生物細(xì)胞的藥物吸附作用。

關(guān)鍵詞：胞外聚合物;微生物細(xì)胞吸附藥物;作用

1 胞外聚合物的概念

胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）是微生物在特定環(huán)境下分泌的一種高分子聚合物，主要由細(xì)菌分泌產(chǎn)生。其成分和微生物細(xì)胞內(nèi)成分基本一致，是多糖、蛋白質(zhì)、核酸等聚合物組成的高分子物質(zhì)。

研究表明，胞外聚合物在活性污泥絮體內(nèi)和表面普遍存在，可通過吸附作用將外界環(huán)境中零散的營(yíng)養(yǎng)成分富集起來，并通過胞外酶降解為小分子材料后吸收到細(xì)胞內(nèi)，從而提高自身營(yíng)養(yǎng)供給。近期研究表明，胞外聚合物在抵御殺菌劑和對(duì)細(xì)胞有害的毒性物質(zhì)時(shí)也有良好表現(xiàn)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 材料與設(shè)備

涉及材料有CIP、SMX、ACP、SA、BSA、多種金屬鹽類化合物;甲醇、甲酸、甲酸銨等試劑;活性污泥取自周邊污水處理廠周圍。

涉及儀器有相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、SPE萃取儀、HLB固相萃取小柱、純水機(jī)、等離子體發(fā)射光譜儀、變換紅外光譜儀、電位分析儀、干燥劑、離心機(jī)、超聲波儀等。

2.2 EPS獲取

對(duì)活性污泥進(jìn)行初步處理后，離心提取并使用純水清洗，冷凍干燥后得到活性污泥微生物胞體，獲得樣本1;應(yīng)用陽(yáng)離子樹脂交換法提取污泥中EPS，離心并使用濾膜處理，獲得樣本2;使用純水清洗提取EPS后污泥，冷凍干燥后獲得不含EPS的微生物胞體，獲得樣本3。分別得到3份樣本，樣本1：微生物胞體;樣本2：純EPS;樣本3：不含EPS微生物胞體;

3 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

3.1 紅外光譜分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)光譜分析結(jié)果，樣本1和樣本2的紅外光譜分布特征基本一致，這提示兩者在官能團(tuán)上基本相同。同時(shí)兩者的蛋白質(zhì)和多糖頻段的振動(dòng)頻率相差不大，相差不足150cm-1，再結(jié)合金屬離子存在頻段進(jìn)行分析后可以認(rèn)定微生物胞體對(duì)金屬離子存在名曲的吸附作用，并且這一吸附作用和微生物胞體表面EPS密切聯(lián)系（不排除胞體結(jié)構(gòu)對(duì)金屬離子具有一定吸附作用，只是可認(rèn)定EPS具有較強(qiáng)的吸附金屬離子的效果。）

3.2 改變pH實(shí)驗(yàn)

將樣本分別置于不同pH環(huán)境下，發(fā)現(xiàn)隨著pH變化吸附作用發(fā)生改變。主要變化為：隨著pH增加實(shí)驗(yàn)藥物的固液分配系數(shù)指數(shù)型減少，推測(cè)與實(shí)驗(yàn)藥物表面陽(yáng)離子在pH影響下向陰離子轉(zhuǎn)變以及細(xì)胞表面負(fù)電勢(shì)逐漸降低有關(guān)。然而多種實(shí)驗(yàn)藥物均呈現(xiàn)這一特征，這提示pH可影響細(xì)胞表面對(duì)金屬離子的架橋作用而使吸附能力發(fā)生改變。不過無論pH如何改變，樣本1、樣本2的對(duì)藥物的最大吸附容量均高于樣本3，這提示EPS對(duì)金屬離子具有良好的吸附作用。

3.3 添加不同金屬離子的吸附效果

添加不同濃度的金屬離子時(shí)EPS的固液分配系數(shù)會(huì)發(fā)生改變，這提示EPS對(duì)不同金屬離子的吸附能力存在差異。對(duì)各類金屬離子進(jìn)行分類匯總后發(fā)現(xiàn)，添加金屬離子為2價(jià)時(shí)，以pH=7為外部環(huán)境，隨著金屬離子濃度的增加，EPS的固液分配系數(shù)逐漸增加，該項(xiàng)結(jié)果提示EPS對(duì)金屬離子的吸附作用隨著濃度增加而增加（金屬離子價(jià)位不變，外部pH環(huán)境不變時(shí)），但是當(dāng)吸附能力達(dá)到最大值后，濃度的增加會(huì)阻礙EPS對(duì)金屬離子的吸附能力，推測(cè)可能是過量金屬離子在EPS上吸附點(diǎn)上具有競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，提示EPS對(duì)金屬離子的吸附能力具有飽和值，該飽和值與最大吸附值接近。當(dāng)添加金屬離子為3價(jià)時(shí)，以pH=7為外部環(huán)境，隨著金屬離子濃度的增加，EPS的固液分配系數(shù)逐漸增加，該項(xiàng)該項(xiàng)結(jié)果提示EPS對(duì)金屬離子的吸附作用隨著濃度增加而增加（金屬離子價(jià)位不變，外部pH環(huán)境不變時(shí)），同時(shí)也出現(xiàn)了添加2價(jià)金屬離子時(shí)的特點(diǎn)，超過最大吸附值后EPS吸附能力逐漸降低。

當(dāng)添加不同金屬離子時(shí)發(fā)現(xiàn)，同等濃度下EPS對(duì)2價(jià)鎂離子吸附能力高于高于3價(jià)鐵離子，推測(cè)可能是因?yàn)殒V離子具有更大的離子半徑，因此在吸附點(diǎn)上有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。但是同時(shí)加入ACP與金屬離子時(shí)發(fā)現(xiàn)（pH=7），EPS對(duì)ACP的吸附能力不受到金屬離子的影響，推測(cè)這是由于在pH=7的環(huán)境下ACP處于分子態(tài)，ACP與EPS之間的作用機(jī)制以親疏水性為主，離子正負(fù)電性影響效果無關(guān)，提示正負(fù)電性是EPS吸附離子態(tài)物質(zhì)的主要機(jī)制。

4 結(jié)論

（1）胞外聚合物是微生物細(xì)胞藥物吸附作用的關(guān)鍵要素，但并非全部要素，無胞外聚合物的微生物細(xì)胞對(duì)藥物仍具有一定的吸附作用，推測(cè)與微生物細(xì)胞自身結(jié)構(gòu)特征、活性有關(guān)。但ESP能夠大大加強(qiáng)微生物細(xì)胞的藥物吸附作用。

（2）pH值會(huì)對(duì)微生物細(xì)胞藥物吸附作用產(chǎn)生顯著影響，推測(cè)與pH可影響藥物在水中的存在形態(tài)以及微生物細(xì)胞表面電位，當(dāng)藥物在水中以離子態(tài)存在是，其離子半徑越大，吸附點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)力越大，吸附能力越強(qiáng)，而分子態(tài)并不會(huì)受到吸附點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的影響。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況確定是利用吸附點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制或親疏水性質(zhì)實(shí)現(xiàn)吸附，兩種機(jī)制作用效果不同，但相互影響并不明顯。

（3）在吸附飽和值之前，濃度增加可提高微生物細(xì)胞藥物吸附能力，飽和值之后，濃度增加會(huì)因競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制導(dǎo)致微生物細(xì)胞藥物吸附能力降低。因此應(yīng)用EPS進(jìn)行藥物吸附或離子吸附時(shí)，需要根據(jù)溶液中離子分布濃度進(jìn)行計(jì)算，以單位EPS吸附容量為限度添加EPS，使之達(dá)到配比的平衡，以達(dá)到最大吸附值。

（4）當(dāng)物質(zhì)以離子態(tài)存在時(shí)，pH的增加可提高微生物細(xì)胞表面金屬離子架橋作用，從而提高微生物細(xì)胞的藥物吸附作用。因此想要提高單位微生物細(xì)胞離子吸附能力，可適當(dāng)調(diào)高pH來增強(qiáng)其吸附作用。

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