解偶聯(lián)劑鄰氯苯酚與活性污泥溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)的相互作用研究

王蘇娜，方芳,，徐潤澤，操家順,

(1.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098)

活性污泥法是一種有效的污水處理方法[1]，但同時會產(chǎn)生大量的剩余污泥[2]。研究表明，在活性污泥系統(tǒng)中投加化學(xué)解偶聯(lián)劑能夠?qū)崿F(xiàn)污泥減量[3-4]。但是解偶聯(lián)劑的投加會影響系統(tǒng)中微生物產(chǎn)物的形成[5]。

溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)是由多糖、蛋白質(zhì)等物質(zhì)組成的高分子聚合物，其存在大量的活性官能團和疏水區(qū)域，能夠與有機物進行吸附、絡(luò)合等作用[6-7]。目前研究多關(guān)注SMP與重金屬之間的相互作用，缺少SMP與解偶聯(lián)劑間相互作用的研究。

本文以鄰氯苯酚(oCP)為解偶聯(lián)劑，通過一系列光譜方法研究oCP與SMP之間的相互作用，從而為解偶聯(lián)劑與SMP的相互作用機制提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

接種污泥來自無錫市某污水處理廠;無水乙酸鈉、氯化銨、磷酸二氫鉀、七水硫酸鎂、七水硫酸亞鐵、氯化鈣、乙二胺四乙酸、硫酸銅、氯化錳、鉬酸銨、硫酸鋅、氯化鈷均為分析純。

α-1506紫外-可見分光光度計;F-7000熒光分光計;NEXUS 870FT傅里葉紅外光譜儀;Labconco真空冷凍干燥機。

1.2 污泥培養(yǎng)及廢水配制

接種前將原污泥用蒸餾水沖洗3遍，以消除原有基質(zhì)對后續(xù)實驗的影響。污泥培養(yǎng)采用有效容積為3 L的SBR，其運行周期為360 min，其中進水5 min，反應(yīng)320 min，沉淀20 min，排水7 min，閑置8 min。反應(yīng)器運行過程中排水比為50%，污泥齡(SRT)通過人工排泥的方式保持在15 d。污泥培養(yǎng)過程中反應(yīng)器內(nèi)溶解氧濃度維持在(6±0.5) mg/L左右，溫度為室溫。

實驗采用人工合成廢水，其組分為無水乙酸鈉(300 mg COD/L)、NH4Cl(86 mg/L)、KH2PO4(22 mg/L)、MgSO4·7H2O(25 mg/L)、CaCl2(25 mg/L)，此外，還添加微量元素，包括FeSO4·7H2O(5 mg/L)、EDTA(50 mg/L)、CuSO4·5H2O(1.8 mg/L)、MnCl2·4H2O(5.8 mg/L)、(NH4)6Mo7O24·4H2O(1.1 mg/L)、ZnSO4·7H2O(22 mg/L)和CoCl2·6H2O(1.6 mg/L)。

1.3 實驗方法

活性污泥馴化1個月，然后從穩(wěn)定運行的系統(tǒng)中提取足量的SMP溶液，此時反應(yīng)器內(nèi)混合液懸浮固體(MLSS)濃度約3 000 mg/L。當SBR反應(yīng)器運行至沉降時間段，取反應(yīng)器中上清液，在5 000 r/min下離心15 min，再經(jīng)0.45 μm 醋酸纖維素膜過濾后得到SMP溶液。在5個燒杯中，分別裝入250 mL提取的SMP溶液，投加不同量的oCP(ClC6H4OH),使5個燒杯中的oCP濃度依次為0，5，10，15,20 mg/L，磁力攪拌6 h。采集樣品，采用紫外可見光譜、紅外光譜和熒光光譜解析反應(yīng)前后SMP溶液性質(zhì)的變化。所得的光譜數(shù)據(jù)利用Origin 8.5處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 SMP與oCP相互作用的熒光解析

采用熒光分光計對SMP中的物質(zhì)成分進行表征，激發(fā)波長(Ex)為200～600 nm，間隔10 nm，發(fā)射波長(Em)為200～600 nm，掃描步長2 nm。激發(fā)和發(fā)射縫均保持在5 nm，掃描速度為12 000 nm/min。圖1為SMP溶液中投加不同濃度oCP后三維熒光圖譜的變化。

由圖1可知，出現(xiàn)了4個位置不同的熒光光譜峰，第1個峰A的位置位于Ex/Em=275～280/335～350 nm，其代表的是色氨酸類蛋白質(zhì)；第2個峰B的位置位于Ex/Em=325～330/410～415 nm，為富里酸類物質(zhì)，第3個峰C的位置位于Ex/Em=255～260/415～430 nm，為胡敏酸類物質(zhì)[8]，峰B和峰C均屬于腐殖質(zhì)類物質(zhì)。第4個峰D的位置位于Ex/Em=240/345～350 nm，為色氨酸氨基酸[9](表1)。投加不同濃度oCP后，A、B熒光峰的位置并沒有較大移動，但是峰A和峰D的熒光強度有所變化，且該變化與oCP濃度呈負相關(guān)。這可能是由于色氨酸類物質(zhì)與oCP發(fā)生了相互作用，使部分色氨酸類物質(zhì)失去了熒光性。峰A和峰D的變化說明SMP中的蛋白類物質(zhì)和oCP發(fā)生了作用，使得SMP本身的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化[10]。

圖1 SMP與不同濃度oCP反應(yīng)的熒光光譜圖

對于熒光峰D，隨著oCP濃度的升高，其熒光強度逐步降低，在oCP濃度達到20 mg/L時，峰D消失，即熒光峰被oCP淬滅。常用的熒光猝滅方法有動態(tài)猝滅和靜態(tài)猝滅2種。激發(fā)熒光團與淬火劑之間的擴散碰撞導(dǎo)致動態(tài)淬火過程，而熒光團與淬火劑之間的絡(luò)合導(dǎo)致靜態(tài)淬火過程[11]。基于熒光淬滅方法，我們進一步分析oCP與SMP的作用機制。

表1 SMP與不同oCP濃度反應(yīng)的三維熒光光譜分析結(jié)果Table 1 Analysis results of three-dimensional fluorescence spectra of SMP reacting with different oCP concentrations

由于單純通過熒光光譜不能判斷熒光淬滅的類型，可以先假設(shè)峰D的淬滅過程為動態(tài)淬滅，那么它將符合Stern-Volmer方程[12](假設(shè)oCP在所選擇的激發(fā)波長下沒有吸收)：

F0/F=1+KSV[Q]=1+Kqτ0[Q]

(1)

式中,Kq為生物大分子的淬滅速率常數(shù)，KSV為動態(tài)淬滅常數(shù)，τ0為沒有淬滅劑oCP存在下的熒光分子的平均壽命，F(xiàn)0和F分別為未加入oCP和加入oCP的SMP提取物的水溶液的熒光強度，Q為淬滅劑oCP的濃度[13]。

將F0/F-1對Q(mol/L)作圖，擬合峰D的熒光強度，計算得到Ksv=2.57×103L/mol，Kq=2.57×1011L/mol/s，對于生物大分子，τ0通常取10-8s，R2=0.84。動態(tài)淬滅過程中，淬滅物質(zhì)(本研究中為oCP)對生物大分子的最大擴散碰撞淬滅速率常數(shù)一般為2.0×1010L/mol/s[14]，而計算得到的Kq值遠大于該值，證明oCP和SMP中熒光基團峰D的淬滅過程不是動態(tài)碰撞導(dǎo)致的，而應(yīng)該是靜態(tài)淬滅。即SMP與oCP發(fā)生了結(jié)合作用，生成了不發(fā)光的絡(luò)合物。

2.2 oCP作用下SMP紫外可見光譜的變化

以雙蒸水為參照對比，光程為1 cm。不同濃度的oCP與SMP溶液反應(yīng)后的紫外-可見吸收光譜圖見圖2。

圖2 (A)不同濃度oCP和(B)SMP與不同濃度oCP反應(yīng)后的紫外-可見光譜圖

由圖2可知，去離子水中oCP特征峰出現(xiàn)在215 nm和273 nm處，215 nm表示苯酚的E2帶，而273 nm是由于oCP中的苯環(huán)引起的[15-16]。oCP與SMP作用后，273 nm處的特征峰發(fā)生了紅移，產(chǎn)生了281 nm處的吸收峰和292 nm處的肩峰。SMP中的主要成分是多聚糖和蛋白質(zhì)，因此可以表明，oCP的投加明顯改變了SMP中芳香族氨基酸殘基的微環(huán)境，即oCP與SMP產(chǎn)生了相互作用。這與熒光光譜圖中峰A和峰B所代表的芳環(huán)氨基酸結(jié)構(gòu)物質(zhì)的變化相吻合。

2.3 SMP與oCP作用下形成的官能團

SMP提取液由真空冷凍干燥機，在-40 ℃下冷凍干燥至固狀粉末后，用傅里葉紅外光譜儀根據(jù)GB/T 6040—2002紅外光譜分析通則進行分析。SMP與不同濃度oCP反應(yīng)后的傅里葉紅外光譜圖見圖3。

圖3 SMP與不同濃度oCP反應(yīng)的紅外光譜圖

3 結(jié)論

(1)三維熒光光譜及熒光淬滅分析說明SMP中的蛋白類物質(zhì)提供了結(jié)合位點，且SMP中色氨酸類氨基酸與oCP發(fā)生相互作用。

(2)紫外-可見吸收光譜圖表明，oCP的投加明顯改變了SMP中芳香族氨基酸殘基的微環(huán)境，證明oCP與SMP發(fā)生了相互作用。

(3)傅里葉紅外光譜圖表明，oCP投加之后，SMP的紅外圖譜中1 694 cm-1處的蛋白質(zhì)峰消失，進一步證明SMP中的蛋白類物質(zhì)與oCP發(fā)生相互作用。