不同种污泥胞外聚合物的提取方法与组成特征

张念琦，钱飞跃，2*，王晓祎，刘郭洵，王 琰，王建芳，2，3

(1.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州 215009；2.江苏高校水处理技术与材料协同创新中心，江苏苏州 215009；3.苏州科技大学天平学院，江苏苏州 215009)



不同种污泥胞外聚合物的提取方法与组成特征

张念琦1，钱飞跃1，2*，王晓祎1，刘郭洵1，王 琰1，王建芳1，2，3

(1.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州 215009；2.江苏高校水处理技术与材料协同创新中心，江苏苏州 215009；3.苏州科技大学天平学院，江苏苏州 215009)

针对废水生物处理系统中各类污泥的功能与结构特点，比较了常用胞外聚合物(EPS)提取方法的效能优劣，并从反应器溶解氧条件、微生物营养类型和污泥空间形态等方面对不同种污泥的EPS组成特征进行了分析，重点强调了EPS组分在培养全自养脱氮颗粒污泥等特殊微生物聚集体中的重要作用。

胞外聚合物；提取方法；污泥类型；蛋白质；聚多糖

胞外聚合物是分布于细胞表面及周边的重要结构性物质，通常包括蛋白质(PN)、聚多糖(PS)、腐殖质(HA)和核酸(DNA)等多种高分子化合物，其主要来源于细胞的营养摄取、生长代谢和自溶衰减等过程[1-2]。在废水生物处理系统中，EPS的组成分布不仅会直接影响污泥的形态结构与功能活性，还能在外界环境发生变化时发挥响应作用[3-6]。例如，EPS的分泌和积累是促进菌胶团、生物膜及颗粒污泥形成的重要条件。当污泥进入内源呼吸阶段时，作为储备性碳源与能源的EPS组分会逐渐减少。当环境中生存竞争日趋激烈时，EPS组分的增多将有助于抑制对手生长和抵挡外界压力[7-8]。

为探究EPS组分在微生物聚集体中发挥的独特功能，有必要针对污泥样品特点，选择相适宜的EPS提取方法。以往该领域的报道通常只针对某一类或某几类污泥，从未对不同提取方法的优缺点和适用范围作出系统阐述[3-5]。鉴于此，笔者介绍了常用的EPS提取方法及其效能，并依据反应器内溶解氧条件(好氧与厌氧)、微生物营养类型(自养与异养)和污泥空间形态(絮状与颗粒)等条件，总结了不同种污泥EPS的组成特征，以期为建立EPS组分与污泥性能之间的响应关系提供参考。

1　常用的EPS提取方法

根据提取的难易程度，EPS通常可分为细胞壁周边的紧密型(tightly-bound EPS)、细胞间隙的松散型(loosely-bound EPS)和悬浮液中的可溶型(Soluble EPS)三大类[9-10]。从相对含量上看，遵循紧密型>松散型>可溶型。由于反应器运行条件和污泥结构形态的巨大差异，目前，EPS的提取过程尚没有统一标准，较常用的方法如表1所示，其优选依据是在有效抑制细胞质溶出的前提下，尽可能多地提取EPS组分。

EPS的提取方法可分为物理法和化学法。一般认为，化学法的提取效率要高于物理法，但前者对细胞结构的破坏程度更大，提取液中DNA等胞内物质含量和胞浆酶(G6PDH)活性均更高[6，9]。有研究表明，预先使用甲醛或甲酰胺处理污泥样品，可对细胞起到缓冲和固定作用，后续加入NaOH将使带负电的EPS组分脱稳并溶出[11-12，15]。该操作的广谱性和可靠性要优于酸碱法和加热法，但也存在外加试剂残留、干扰组分分析的弊端，如引起荧光峰红移等。尽管都利用了组分间的络合效应，但EDTA法对蛋白质和腐殖酸的直接提取效率较低，而阳离子交换树脂(CER)法通过争夺络合态Ca2+和Mg2+等金属离子，可实现EPS组分的自然释放，后者通常适用于处理絮状污泥[5，9，11]。此外，受制于颗粒污泥的内部传质，采用单位功率(J/mL)优化后的超声波法可显著提高后续工序对EPS的提取效率[14-15]。

2　不同种污泥的EPS组成特征

从反应器内溶解氧条件、微生物营养类型和污泥空间形态3个方面，对文献报道中不同污泥的EPS组成情况(表2)进行归类分析。

尽管EPS组分与提取方法、负荷条件和泥龄(SRT)长短等密切相关，但好氧微生物的增殖速率(μ)远大于厌氧菌，因此，在表2中好氧污泥的EPS总量普遍更高，厌氧污泥中含有更多的腐殖酸类物质。当活性污泥由好氧转至厌氧环境时，由于脂类载体的流失，EPS中的蛋白质含量会有所降低，厌氧/好氧条件下的EPS比值为0.59～0.91[13，20]。对于好氧颗粒污泥而言，设置较高的曝气速率(2.0～6.0 L/min)，可提供充足的DO和水力剪切条件，明显增强微生物活性(SOUR值)和污泥表面疏水性，有效促进EPS(尤其是PN和PS)的分泌，有利于维持密实的颗粒结构和光滑的泥相界面[21]。然而，在低营养条件下的过度曝气又会导致较强的内源呼吸作用，使EPS中可用作能源的聚多糖含量明显减少[22]。

表1　常用EPS提取方法的效能比较

表2　不同污泥样品中EPS的组成

注：CSTR.连续搅拌釜反应器;SBR.序批次反应器；UASB.上流式厌氧污泥床；EGSB.厌氧膨胀颗粒污泥床。

Note：CSTR was continuous stirred tank reactor；SBR was sequence batch reactor；UASB was upflow anaerobic sludge blanket digestion；EGSB was anaerobic expanded granular sludge bed.

出于维持空间结构稳定的需要，颗粒污泥中紧密型EPS的含量要明显高于絮状污泥[5，9]。在大多数情况下，以易降解有机物为生长基质时，颗粒污泥EPS中强疏水性的蛋白质要多于亲水性的聚多糖，PN/PS比值在1～6[27]。但在实际废水的处理过程中，两者的比值可能出现颠倒。例如，Ni等[28]利用中试规模的SBR反应器，以COD仅为170 mg/L的低浓度市政污水为基质培养好氧颗粒污泥，运行300 d后平均粒径稳定在0.2～0.8 mm，其EPS的PN/PS比值仅为0.4～0.5。比较特别的是，由EPS与微生物共同构成的层状空间结构是Canon颗粒污泥实现全自养脱氮功能的重要原因。其中，分布于颗粒表面的氨氧化菌可获得充足的DO，通过完成亚硝化步骤为内部的厌氧氨氧化菌提供生长基质，而后者在被大量EPS包裹的情况下，才能在严格厌氧的环境中逐渐富集[9]。

注：a.对比图；b.蛋白质(蓝色)；c.α-聚多糖(红色)；d.β-聚多糖(蓝色)；e.脂类(粉色)；f.b-e合成图。Note：a.Contrast figure；b.Proteins(green)；c.α-polysaccharides(red)；d.β-polysaccharides(blue)；e.Lipids(pink)；f.b-e Composite image.图1　厌氧颗粒污泥接触纳米ZnO颗粒前后胞外聚合物的FISH-CLSM视图Fig.1　FISH-CLSM images of the EPS of anaerobic granule sludge with or without the exposure of nano-scale ZnO particles

注：a.所有细菌(蓝色)；b.亚硝酸盐氧化菌(绿色)；c.氨氧化菌(红色)；d.异养菌(黄色)；e.合成图。Note：a.All bacteria(blue)；b.Nitrite oxidizing bacteria(green)；c.Ammonia oxidizing bacteria(red)；d：Heterotrophic bacteria(yellow)；e.Merge image.图2　好氧颗粒污泥中功能菌与EPS的FISH-CLSM视图Fig.2　FISH-CLSM images of the EPS of aerobic granule sludge

作为传统“先提取、后测定”研究方法的重要补充，利用荧光原位杂交-激光共聚焦扫描显微镜(FISH-CLSM)技术，可以更加直观地表征功能菌与EPS组分的空间分布情况，为建立污泥结构与性能之间的响应关系提供了研究平台[7，29]。Mu等[8]借助FISH-CLSM技术，比较了厌氧颗粒污泥在接触纳米ZnO颗粒前后，EPS组分分布的变化情况(图1)。图2给出了好氧颗粒污泥中各类功能菌与主要EPS组分的相对位置[30]。

3　结论与展望

综上所述，在常用的EPS提取方法中，甲醛-NaOH法能在有效保护细胞结构的同时获得较高的提取效率，因而被普遍推荐。但对于颗粒污泥而言，设置超声波预处理工序是值得借鉴的。作为对传统方法的补充，FISH-CLSM技术的应用能更好地反映微生物与EPS组分的空间分布与潜在联系，已成为今后研究EPS相关功能的重要手段。

实际上，不同种污泥的EPS组成特征与反应器运行条件、微生物类型和污泥空间形态等条件都密切相关，很难做出准确概括。但可以明确的是，EPS是微生物聚集体自适应外界环境变化的自然产物。EPS的大量分泌在维持污泥结构稳定、改善界面物化特性的同时，有助于截留生长周期较长的自养微生物，实现不同功能菌的分层分布，这对于培养全自养脱氮颗粒污泥至关重要。当前，随着生物处理技术的快速发展，有必要以污泥性能和结构为出发点，建立EPS类型分布与微生物种群结构之间的响应关系，探明特定功能菌分泌EPS的调控机理，以期为工艺操作的优化提供理论支撑。

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Extraction Method and Structural Characteristics of Extracellular Polymeric Substances in Different Sludge Samples

ZHANG Nian-qi1, QIAN Fei-yue1,2*, WANG Xiao-yi1et al

(1.College of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou, Jiangsu 215009; 2. Jiangsu High Education Collaborative Innovation Center of Water Treatment Technology and Material, Suzhou, Jiangsu 215009)

According to the functional and structural characteristics of sludge in wastewater biological treatment systems, the performance comparison among the extraction methods of extracellular polymeric substances (EPS) were conducted in this research. The EPS composition of different sludge samples were also analyzed, based on dissolved oxygen level in reactors, microbe nutritional types and spatial structure etc. In addition, the important role of EPS component on cultivation of some microbial aggregates, such as completely autotrophic nitrogen removal granular sludge, was emphasized.

Extracellular polymeric substances; Extraction method; Sludge type; Protein; Polysaccharide

国家自然科学基金项目(51308367)；江苏省高校自然科学研究基金项目(15KJB610013)；江苏省大学生创新创业训练计划项目(201510332049X)；江苏高校优势学科建设工程项目。

张念琦(1994- )，女，河南焦作人，本科生，专业：环境工程。*通讯作者，讲师，博士，从事水污染控制化学研究。

2016-06-13

X 703.1

A

0517-6611(2016)24-013-04