γ-射线辐照和酸碱预处理对活性污泥胞外聚合物的影响研究

罗志平 ，，吴宇琦 ，谢水波 ，，蔡 婷

（1.南华大学污染控制与资源化技术湖南省高校重点实验室，湖南 衡阳 421001；2.湖南省核农学与航天育种研究所，湖南 长沙 410125；3.铀矿冶生物技术国防重点学科实验室，湖南 衡阳 421001）

活性污泥胞外聚合物（extracellular polymers substance，EPS），是微生物细胞壁周围用来保护细胞的小合胶囊或粘液的聚合体。微生物的新陈代谢、水中的基质与细胞溶解是EPS的主要来源，其主要成分为蛋白质和多聚糖以及少量腐殖质、糖醛酸、核酸等[1-2]。EPS的质量（包括其中结合水）约占活性污泥质量的80%，总有机物的50%～90%，它能够影响污泥的多种性质，如表面电荷和疏水性、沉降性、絮凝性、脱水性、重金属吸附性等[3-5]。有研究表明，利用60Coγ-射线辐照污泥可以改善污泥脱水性、沉降性或者污泥中难降解物质的可降解性，有效减少污泥固体量，杀灭病原微生物。同时辐射法具有操作简便、无二次污染等优点，近年来越来越受到重视[6-12]。污泥的酸碱处理对EPS影响显著，也可能影响污泥特性[4]。该研究通过γ-射线和酸碱预处理考察了其对活性污泥中EPS的影响与组分的变化，并用红外光谱分析表征了辐照条件对其分子结构的影响，采用扫描电镜揭示了辐照和酸碱预处理对活性污泥性能影响的机理，旨在为揭示EPS变化对活性污泥性能的影响提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试材料采用湖南省衡阳市城西污水处理厂的剩余活性污泥，含水率99%以上。取样后将污泥样品过筛（孔径10 mm），除去较大的杂质，在实验室进行处理和测定。原始污泥相关指标参数见表1。辐照源为60Coγ源，由湖南省核农学与航天育种研究所提供，放射性活度约为1×1016Bq。

表1 原始污泥基本理化性质

1.1.2 仪器与试剂供试仪器为紫外分光光度计（UVmini-1240，日本岛津公司）；扫描电子显微镜（FEI Quanta-200，美国FEI公司）；智能型傅里叶红外光谱仪（Nicolet6700，美国）等。所有试剂均为分析纯。

1.2 方法

1.2.1 酸碱预处理用 2 mol/L HCI、2 mol/L NaOH，分别将其中3组污泥的pH值调至2.5、9.8、11.8，另一组保持原始pH值，将混合均匀的泥样分装后进行搅拌培养，温度为（25±2）℃，震荡速度为50 r/min，震荡时间为3 h。

1.2.2 γ-射线辐照将泥样分装于250 mL塑料瓶中，每瓶泥样约200 mL，盖紧瓶塞，置于标定好剂量的位置供辐照。辐照剂量分别为0、2、4、6、10、15 kGy，剂量率为0.56 Gy/s。辐照过程中不通氧、不搅拌。

1.2.3 胞外聚合物提取及分析活性污泥经过3 000 r/min离心20 min，上清液经0.45μm滤膜过滤，得到EPS。重量法测定其含量；紫外分光光度计测其UV-vis光谱；智能型傅里叶红外光谱仪分析基团组成。

1.2.4 扫描电镜分析用刀片切取少量活性污泥，用2.5%磷酸缓冲戊二醛固定液在4℃黑暗中固定24 h，然后用 30%、50%、70%、80%、90%和 100%乙醇依次脱水10 min后自然干燥、镀金观察分析。

2 结果与分析

2.1 γ-射线辐照和酸碱预处理对EPS组分的影响

剩余活性污泥经酸碱预处理和γ-射线辐照后提取EPS，得到的UV-vis谱图结果见图1至图4。研究结果表明，与未辐照污泥相比，辐照后的污泥在260～300 nm范围内出现了新峰。纯核酸的紫外吸收高峰在260 nm，蛋白质的紫外吸收高峰在280 nm，UV-vis光谱分析可以间接反映辐照对污泥的破解程度。由试验结果可以推断，在辐照过程中，生物细胞结构在直接作用和间接作用的共同作用下被破坏[13-15]，进而新生成蛋白质、核酸等物质。图2至图4表明，酸预处理不利于污泥组分的辐射溶解，而碱处理本身是一种水解污泥组分的方法[16-18]，与辐照同时使用，可以显著提高污泥破解效率。

图1 不同辐照剂量下污泥EPS的UV-vis谱图（原始污泥）

图2 不同辐照剂量下污泥EPS的UV-vis谱图（pH 2.50）

图3 不同辐照剂量下污泥EPS的UV-vis谱图（pH 9.80）

图4 不同辐照剂量下污泥EPS的UV-vis谱图（pH 11.80）（注：样品用去离子水稀释3倍）

辐照后EPS的吸收峰均出现在260 nm处，其变化如图5所示，随着辐照剂量加大和pH值升高，吸收峰值升高。从图5中也可以看出，酸预处理不利于污泥组分的辐射溶解。图6是不同辐照剂量下污泥EPS浓度的变化情况，如图6所示，随着辐照剂量加大和pH值升高，EPS含量升高，pH值为11.80时，EPS含量最高；经过15 kGy辐照后，原始污泥可提取的EPS增幅达到101%。由试验结果可以推断，γ-射线辐照、碱性条件和Na离子三者可以产生良好的协同效应，共同促进污泥的辐射溶解和EPS释放。

图5 不同辐照条件下EPS吸收峰处（260 nm）峰值

2.2 γ-射线辐照和酸碱预处理对EPS分子结构的影响

不同辐照条件下提取所得EPS的红外谱图如图7所示。谱图中特征明显的强频段指示着蛋白质基团（1 580～1 630 cm-1和 1 630～1 680 cm-1）、多聚糖基团（1 030～1 150 cm-1）和 OH（3 000～3 400 cm-1）的存在[4]。红外谱图的变化表明，EPS部分功能基团受辐照条件影响很大。辐照前位于2 517 cm-1的具有POH基的化合物经过不同辐照条件后消失，出现了位于2 350 cm-1附近的具有PH基的化合物；辐照后在1 580～1 680 cm-1出现了裂峰，产生了酰胺Ⅱ基团，这种情况在碱预处理条件下更加显著；1 030～1 150 cm-1的吸收峰在辐照后发生右移，表明多聚糖物质发生变化。由此可以推断，辐照可以改变EPS的部分主要组成成分，对污泥性质产生影响，有利于污泥破解和减量。

图6 不同辐照条件下EPS浓度的变化

图7 不同辐照条件下EPS红外分析结果

2.3 扫描电镜分析

图8是不同辐照条件下污泥的扫描电镜观测结果。如图8所示，原始污泥的絮体由大量丝状物相连，细胞表面光滑、结构完整；在酸性条件下辐照，污泥絮体和细胞结构不会遭受明显破坏，而单纯的辐照和碱预处理都可以使污泥絮体和细胞结构产生显著破坏，表现为丝状物大量消失，出现了很多分散的细胞，细胞壁（膜）被破坏。水分子受到辐射后产生了大量过氧化物和自由基，这些产物的反应能力很强，可以破坏微生物的关键靶位，即DNA分子，使其损伤并导致微生物死亡；而另一部分微生物的死亡是因DNA分子直接接受电离辐射所致[8]。扫描电镜结果表明，辐照和碱处理同时使用，更加有利于污泥破解和EPS的释放，最终影响污泥的性质。

图8 不同辐照条件下活性污泥扫描电子显微镜分析

3 结论

（1）UV-vis谱图分析结果表明，污泥经过碱预处理和γ-射线辐照处理后，污泥絮体结构和生物细胞被破坏，细胞内含物的流出增加了EPS中蛋白质和核酸等物质的含量；EPS的可提取量相比处理前有很大增加，经过15 kGy的辐照后，原始污泥中可提取EPS的含量增幅达到101%。污泥的破解将大大有利于污泥减容，并且碱预处理和辐照可以产生良好的协同效应，而酸性条件不利于污泥辐射溶解。

（2）红外谱图分析结果表明，不论是单独辐照处理还是与碱处理相结合，都可以改变EPS中的主要功能基团，如蛋白质和多聚糖等，从而使污泥朝着有利于处理处置的方向变化。

（3）扫描电镜分析结果表明，在酸性条件下辐照，污泥絮体结构和微生物细胞没有发生显著破坏，而单独辐照和在碱性条件下辐照对于污泥絮体和细胞结构都会产生显著破坏，从而增加EPS的溶解度。

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