废水处理微生物胞外聚合物成分及表面特性

摘要

在废水生物处理系统中，微生物胞外聚合物(EPS)在促进微生物细胞聚集、加快生物膜形成、维持聚集体结构、污染物的去除以及抵抗冲击负荷等方面发挥着重要作用。EPS包裹在微生物细胞表面，改变了细胞的表面性质，从而影响了细胞的粘附和聚集，以及污染物的吸附与传质过程。由于EPS成分复杂，性质多变，且其在微生物粘附与聚集以及污染物结合的表面作用过程尚不十分清楚。为了鉴定 EPS的成分以推断其功能，促进生物膜快速形成、维持反应器运行稳定以及污染物的去除，本研究分离和鉴定了 EPS中的胞外蛋白和多糖；进一步研究了不同聚集形态微生物 EPS的成分与聚集体结构、表面特性和功能的关系；最后对EPS的表面特性和功能开展了深入研究：研究了EPS在不同表面的附着动力学及其影响因素；探讨了 EPS与重金属和纳米颗粒的微观作用过程。主要研究内容和结果如下：
　　为研究EPS的主要成分信息和功能，本工作提取和分离了城市污水厂中厌氧、缺氧和好氧池污泥 EPS中的蛋白质和多糖。鼠李糖、木糖、甘露糖和葡萄糖广泛存在于污水厂厌氧、缺氧和好氧污泥的胞外多糖中。使用shotgun法鉴定了分离的胞外蛋白，结果厌氧、缺氧和好氧污泥样品中分别有130、108和114种蛋白成功分类。约60％的蛋白质来源细胞和细胞部分，且其主要分子功能为催化活性和结合活性。这表明活性污泥中胞外蛋白的主要作用是结合多价阳离子和有机分子，以及催化和降解。相比缺氧和好氧污泥样品，厌氧污泥中含有更多的催化活性蛋白。厌氧污泥和好氧污泥的结果差异可能与催化活性蛋白有关。
　　对比研究了生物膜和悬浮污泥的形貌、微生物群落、胞外蛋白、多糖和表面特性的差异，以阐释 EPS与聚集体结构和功能的关系。结果表明，相比生物膜，反硝化主要发生在悬浮污泥。生物膜中存在一种能够促进粘附的胞外蛋白。相比之下，悬浮污泥中存在更多的与催化活性有关的胞外蛋白，从而降低了聚集体的密实度，并为异养菌提供了碳源。并且两种聚集体胞外多糖中单糖的组分也不同。随着各组分EPS的去除，两种聚集体的zeta电位升高且更疏水。溶解型EPS和松散结合型EPS(LB-EPS)同时存在时，悬浮污泥样品的聚集度提高了23%，而对生物膜无明显影响。LB-EPS和紧密结合型EPS(TB-EPS)对悬浮污泥样品的聚集度分别贡献了16%和30%，而对生物膜细胞的聚集没有促进作用。这表明，悬浮污泥细胞聚集依赖于EPS，而生物膜细胞本身具有较强的聚集能力，这与生物膜细胞表面存在的粘附蛋白有关。
　　为了研究 EPS在不同表面的附着行为，促进反应器中微生物在表面最初的粘附以及生物膜的形成，本工作制备了4个末端官能团为甲基(CH3-SAM)、氨基(NH2-SAM)、羟基(OH-SAM)和羧基(COOH-SAM)的自组装单分子层来模拟不同的有机表面(SAMs)，结合表面等离子体共振来研究 TB-EPS和细菌细胞在模拟表面的附着/粘附动力学。结果表明，细菌粘附和 TB-EPS附着-脱附速率依赖于表面性质。CH3-SAM和NH2-SAM表面促进细胞粘附，而TB-EPS在CH3-SAM表面的附着速率最大。中性且亲水的表面(OH-SAM)得到了最低的细菌粘附量和最低的 TB-EPS附着亲和力。这些结果表明了疏水表面比亲水表面更有利于细胞固定和TB-EPS沉积。本工作同时研究了不同pH和外加阳离子条件下，TB-EPS在CH3-SAM, NH2-SAM, OH-SAM,和COOH-SAM表面的附着行为。结果表明，随着pH的升高， TB-EPS的附着量急剧下降。相同条件下，TB-EPS在 CH3-SAM表面的附着量最大。Na+促进TB-EPS附着在COOH-SAM表面，而Ca2+及其与TB-EPS的复合体分别被COOH-SAM吸引和NH2-SAM排斥。加入Fe3+后，TB-EPS在4个表面的附着量均显著升高。这些结果证明TB-EPS附着在不同有机表面依赖于溶液pH和阳离子。
　　为研究 EPS在抵抗有毒有害污染物（重金属和纳米颗粒）对微生物细胞影响中的微观表面作用过程，本工作首先研究了 EPS在重金属对细菌聚集过程影响中的作用，使用表面等离子体共振仪测定了重金属在保留了EPS和去除了EPS的细胞表面的结合动力学和亲和力，使用圆二色光谱和红外光谱测定了重金属在 EPS和细胞表面的结合构象。结果显示 EPS包裹在细胞表面削减了重金属对细菌聚集的影响，而去除了 EPS后，Pb2+比 Cd2+对细菌聚集沉降具有更强的抑制作用。拉曼光谱和红外光谱证明，EPS中含有大量的磷酸化大分子和多糖类物质。保留了EPS的细胞表面对各重金属的结合动力学行为类似。而去除了EPS细胞表面对重金属的亲和具有高度差异性，其对Pb2+具有很强的亲和性。红外光谱表明，保留了EPS的细胞表面主要是磷酸基和羧基结合重金属，而去除了EPS后，重金属将改变细胞表面的蛋白质二级结构。同时，本工作研究了 NP对保留了 EPS和去除了EPS的细菌细胞的表面电性、润湿性和聚集沉降特性。使用表面等离子体共振仪观察保留了EPS和去除了EPS的细菌细胞与TiO2 NP作用后在疏水和亲水表面的粘附特性，使用红外光谱测定了TiO2 NP与细胞表面的结合特征。结果表明，TiO2 NP对EPS包裹的细胞表面的zeta电位和疏水性没有显著影响。由于TiO2 NP和EPS中磷酸化大分子和多糖等成分作用而减弱了其对细胞表面蛋白二级结构的影响，去除EPS后，TiO2NP改变了细胞表面蛋白的二级结构。在0和10 mg/L TiO2NP下，EPS有助于细菌粘附到亲水表面以及有助于细胞聚集沉降，而在100 mg/L TiO2 NP下，这种促进作用消失。

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1 绪 论

1.1 EPS概述

1.2 EPS的功能

1.3 EPS的分离鉴定研究

1.4 EPS的表面特性研究进展

1.5 研究内容、目的和意义

1.6 技术路线

2 EPS分离及成分鉴定

2.1 材料和方法

2.2 结果与讨论

2.3 小结

3 不同聚集形态微生物EPS的成分和功能

3.1 材料和方法

3.2 结果与讨论

3.3 小结

4 不同聚集形态微生物EPS的表面特性

4.1 材料和方法

4.2 结果与讨论

4.3 小结

5 TB-EPS表面附着过程

5.1 TB-EPS表面附着动力学分析

5.2 TB-EPS表面附着的影响因素

5.3 小结

6 EPS抵抗重金属负荷的表面作用过程

6.1 材料与方法

6.2 结果和讨论

6.3 本章小结

7 EPS抵抗二氧化钛纳米颗粒负荷的表面作用过程

7.1 材料与方法

7.2 结果和讨论

7.3 本章小结

8 结论和创新点

8.1 结论

8.2 创新点

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文

B. 准备中的论文

C. 作者攻读博士期间所获奖励