微生物胞外聚合物在水环境中的应用研究

康得军，谢丹瑜，唐虹，匡帅，周高婷

微生物胞外聚合物在水环境中的应用研究

康得军，谢丹瑜，唐虹，匡帅，周高婷

（福州大学土木工程学院，福建福州350116）

介绍了微生物胞外聚合物（EPS）组成、EPS的絮凝性能、吸附性能及生物降解性，简述了EPS的提取及制备过程。结合EPS在给水处理、污水处理及污泥处理中的潜在应用，分析了使用EPS的优越性和局限性。最后展望了EPS作为生物絮凝剂、吸附剂在水处理领域里的应用前景和发展方向。

微生物；胞外聚合物；絮凝；吸附；水处理

近年来，微生物胞外聚合物（EPS）因其出色的絮凝和吸附性能，被广泛应用于给水处理、污水处理和污泥处理等领域中。许多学者开展了EPS处理实际废水的实验研究，结果均表明EPS有较好的研究价值和应用前景。在当今环境污染日益严重的背景下，EPS作为一种新型的絮凝剂、吸附剂，将其规模化生产、应用，可以在很大程度上减轻环境负担。

通过综述近年来EPS在水处理领域里的研究，讨论EPS应用的可行性、优越性，同样也提出在实际应用中需要解决的问题。为今后研究的开展提供一定的参考。

1　EPS的组成和主要性质

1.1EPS的空间构成及化学组成

EPS的构成包括细胞分泌的荚膜、黏液、排泄物、水解代谢产物以及附着的有机物等多种物质〔1〕。通过电子显微镜可以观察到纯培养菌、活性污泥和生物膜中均含有EPS，EPS是包裹在细胞外用于保护微生物细胞的高分子聚合物。根据EPS的存在形式，将EPS分为溶解态（SEPS）与附着态（BEPS），有研究表明，SEPS的吸附能力要强于BEPS〔2-4〕。BEPS根据其与细胞结合的紧密程度，进一步分为松散附着态（LB）与紧密黏附态（TB）。TB与细胞壁紧密结合，不易脱落，对活性污泥絮体性质影响较小；相反，LB结构松散，无明显边缘，对污泥絮凝、脱水和沉降性能有较大影响〔5〕。SEPS和BEPS化学成分主要是多糖和蛋白质，二者约占EPS总量的70%～80%，其次是腐殖质，约占20%，剩余成分为脂肪、核酸及无机物质〔6-7〕。这些成分所占的比例受微生物生长阶段、生物反应器类型、工艺参数、分析手段等多种因素的影响，主要取决于提取方法与污泥来源〔8〕。

1.2EPS的吸附性能和生物降解性

EPS对活性污泥的物理化学性质有显著影响，包括团聚体的结构、表面电荷、絮凝沉淀性质、脱水性质以及吸附能力等〔1，9〕。其中最受关注的主要是其絮凝性能、吸附性能及生物降解性。

胞外聚合物絮凝机理目前被普遍接受的是离子键、氢键架桥学说。生物絮凝剂分子质量较大，单个分子可同时与多个悬浮颗粒通过离子键、氢键的作用相结合，形成网状结构而沉积，从而表现出絮凝能力〔10〕。研究表明，LB数量增加不利于生物絮凝，而TEPS投加量的增加反而能够促进生物絮凝〔11〕。

在生物吸附的过程中，EPS发挥了重大的作用〔8〕，EPS的吸附性质与微生物细胞的黏附性和团聚性密切相关〔10〕。由于EPS表面带负电荷，很容易与带正电的金属离子螯合形成阴阳离子相结合的复合物，该性质常用来处理含重金属的废水〔1〕。EPS可以为有机物和金属提供大量吸附位点，如蛋白质中的芳香族化合物和多糖中的疏水区。EPS上有诸多官能团，如羧基、磷酰基、巯基、酚类和羟基，这些官能团具备了阳离子交换潜力，并增强了与重金属离子的络合〔12-13〕。

EPS的另一重要特性是生物降解性，可作为碳源和能源，在营养缺乏的条件下，被活性污泥中的细菌利用。但不是所有EPS都能被生物降解，Z.W. Wang等〔14〕的研究表明，好氧颗粒污泥EPS中，只有内层的EPS才能降解，而外层不能。此外，张云霞等〔15〕对EPS中可生物降解的部分进行了量化，结果表明，有40%是可生物降解的，能够作为污泥自身的能源；其余60%虽然不可生物降解，但是对污泥的立体结构有重要影响。

2　EPS的提取与制备

2.1EPS的提取

提取EPS首先要破坏菌胶团的絮体结构，再将EPS从细胞表面剥离下来。目前EPS的提取技术已经较为成熟，提取方法分为物理法和化学法，前者对微生物细胞破坏程度较小，如高速离心、超声破碎、加热等；后者除了对细胞有一定破坏以外，还会引入其他药剂，在成分分析时构成一定干扰，常用化学方法有阳离子交换树脂法（CER法）、NaOH法、硫酸法等。酸碱法是利用H+或OH-进入污泥絮体内部，与EPS进行化学反应，改变物质的水溶性将其提取出来〔16〕；CER法是将EPS中连接细胞表面的阳离子交换出来，使菌胶团解絮，EPS脱离细胞表面〔17〕；加热法则是通过加热使污泥结构松散，利于提取，另一方面增大各成分的溶解性〔18〕；超声则是利用剪切力和空穴形成的压力冲击来剥离细胞表面的EPS〔19〕。因此，EPS的提取量与不同成分所占比例很大程度上取决于提取方法。

2.2EPS的制备

用温和的物理或化学方法使EPS溶解出来，再通过离心即可分离出细胞，进行EPS的再生。T.T. More等〔20〕将细菌产生的EPS分为无需加工、纯化及后处理等三种形式。无需加工的EPS是性价比较高的生物絮凝材料，比如有些菌株的EPS絮凝性能好，在应用时不需要进一步处理。此外，可以通过膜过滤来浓缩EPS提取液，通过浓缩来减小EPS体积，增大产品的稳定性及相对活性。把EPS经过干燥后形成粉末，在应用时再进行溶解，这种形式得到的EPS也可作为生物絮凝材料。

3　EPS的环境应用

EPS作为一种潜在的生物絮凝剂，在给水处理、污水处理及污泥处理等领域都有较好的应用前景。T.T.More等〔20〕在EPS的应用上做了大量研究，提出了EPS在环境领域中的潜在应用。

3.1给水处理

近年来，利用不同菌株产生的EPS来处理和修复微污染原水受到了广泛关注，EPS作为生物絮凝剂在水处理中的应用情况如表1所示。

表1　EPS在给水处理中的应用

有研究表明，单独投加EPS无法有效絮凝和吸附去除原水中的污染物〔25〕，因此许多学者〔21-22〕提出将EPS与无机絮凝剂联用，利用无机絮凝剂的吸附电中和、压缩双电层作用，以及EPS大分子的吸附架桥作用，不仅可以强化对污染物的去除，还能减少无机絮凝剂的投加量。S.P.Buthelezi等〔23-24，26〕提出，将EPS用于河水处理，去除河水中的浊度、革兰氏阳性菌及自然有机物等。

多数研究均表明，EPS可作为传统无机絮凝剂的替代或辅助品，但是生物絮凝剂制备过程繁琐，生产费用高，应用受到限制〔27〕；此外，由于微生物可能会产生污染物，在处理饮用水时存在一定的风险。因此，EPS在水处理领域的安全应用，还需要更进一步的研究。

3.2废水处理

EPS的絮凝性能同样也可以用在废水处理中。与给水处理相比，由于不用考虑安全性的问题，EPS在废水处理中的应用研究更为广泛。近年来将EPS的絮凝特性用于废水处理的研究结果如表2所示。

由表2可见，EPS作为一种生物絮凝剂对生活污水、农业废水和工业废水都有较好的处理效果。同时用EPS处理废水时，不会引入“三致”和其他有害物质，因此成为各类污水处理剂的理想选择〔10〕。

吸附性能是EPS另外一个重要的特征，EPS上含有诸多官能团，可为各种重金属和有机污染物等提供吸附位点。人们常常利用EPS的这一特点来处理重金属废水或印染废水，如表3所示。

表2　利用EPS絮凝性进行废水处理

表3　利用EPS吸附性进行废水处理

由表3可见，在EPS的强大吸附能力下，废水大部分重金属和染料能得以去除。EPS对金属的吸附量在10～2 000mg/g之间〔32-33，36〕，不同文献所报道的值差异较大，主要是缺乏统一的EPS提取和定量标准；另外，EPS的类型、金属类型、分析手段等因素也导致了EPS吸附量的巨大差异。目前，利用EPS吸附染料的应用研究还不及重金属广泛，吸附规律和机制都是今后值得探究的方向。

此外，EPS的吸附性能还能用于生物除磷，万金保等〔37〕指出，在生物除磷工艺中，污泥中的EPS吸附相当数量的磷。刘亚男等〔38〕通过实验考察了EPS在除磷中的作用，电镜EXD能谱表明，EPS中磷含量很高，说明在生物除磷过程中EPS也发挥了一定作用。

虽然多数研究表明EPS在废水处理中发挥了巨大的作用，不仅能去除大部分COD、浊度及色度，还能通过吸附作用去除废水中的重金属和染料。但大多数研究仅在实验室规模下实施，因此，关于EPS在废水处理中的实际应用，还需要开展更多的中试研究。

3.3污泥脱水

EPS被认为是影响污泥脱水性能的最主要因素。因为EPS分布在细胞周围，阻碍细胞之间的接触，从而形成密实的凝胶，阻止结合水从凝胶的微孔挤出，使污泥脱水性能变差〔39〕。周俊等〔40〕考察了污泥不同层EPS剥离前后对污泥脱水性能的影响，结果表明污泥黏液层的影响最显著，黏液层与TB含量越高越不利于污泥脱水，而LB在一定程度上促进污泥脱水。这与S.F.Yang等〔41〕和王红武等〔42〕得出的结论类似。最近，人们开始研究EPS作为生物絮凝剂在污泥脱水中应用。比如Qi Yang等〔43〕将克雷白氏杆菌EPS用于污泥脱水，与明矾、PAC和PAM等相比，表现出相似的脱水效果。他们还发现，将EPS用于前处理或者与明矾联用，可以显著降低污泥比阻，提高污泥含固率。Zhiqiang Zhang等〔44〕也报道称将奇异变形杆菌EPS与CaCl2联用，不仅能强化污泥脱水，而且有利于污泥调节。

4　结语与展望

EPS作为一种新型的生物絮凝剂、吸附剂，具有可生物降解性、高效性、无毒性等特点，并且无二次污染，在水处理、污水处理及污泥处理领域中有巨大的潜能。但出于EPS制备的复杂性以及处理饮用水的安全性等问题，研究人员仍需要攻克很多难题。

根据目前的发展情况以及存在的问题，今后该领域有以下研究方向：（1）利用基因工程技术，培养出EPS产量高的工程菌，实现EPS的批量提取；（2）构建一套统一完善的EPS提取和成分分析系统，有利于实验结果的对比与实验条件的优化；（3）广泛开展水处理、污水处理和污泥处理各领域的中试研究，为EPS的环境应用提供更多的参考依据；（4）利用先进的分析手段，探讨EPS的絮凝机理和吸附机理，有助于反应模型的构建，为实际生产的设计和运行提供方便。

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·水处理知识讲座·

什么是超过滤技术？

超过滤是一种薄膜分离技术，就是在一定的压力下（压力为0.07～0.7MPa，最高不超过1.05MPa），水在膜面上流动，水与溶解盐类和其他电解质是微小的颗粒，能够渗透超滤膜，而分子质量大的颗粒和胶体物质就被超滤膜所阻挡，从而使水中的部分微粒得到分离的技术。超滤膜的孔径是数十至几百埃、介于反渗透与微孔膜之间。超滤膜的孔径是由一定分子质量的物质进行截留试验测定的，并以分子质量的数值来表示的。

在水处理中，应用超滤膜来除去水中的悬浮物质和胶体物质。在医药工业上超滤膜的应用也十分广泛。

超过滤膜的种类很多，其中醋酸纤维素（CA）、聚砜（PS）、聚丙烯腈（PAN）、聚醚砜（POS）等超过滤膜已广为应用。当超过滤膜受到污染或结垢时，一般采用双氧水或次氯酸钠溶液来清洗，不能通过反洗来清洗膜面。超过滤最高运行温度为45℃，pH为1.5～13.0。超过滤是去除水中有机物质的一项措施，也可以去除微量胶体物、生物体以及树脂碎末等。超过滤常置于除盐系统之后，或置于反渗透装置之前来保护反渗透膜。

（摘自《工业水处理技术问答及常用数据》）

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，Fuzhou University，Fuzhou 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

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

2016-06-02（修改稿）

福建省教育厅科技项目（JA15094）；福州市科技计划项目（2014-G-58）；福州大学博士后科研启动基金（0041-510119）；福州大学贵重仪器设备开放测试基金（2016T040）