右旋氨基酸对废水处理反应器中微生物聚集体的作用机制

摘要

随着人口的不断增长，人类活动范围的不断增大，社会GDP在快速增长的同时，水污染问题日益严重，废水生物处理作为解决水污染问题的重要技术之一而被广泛应用。微生物聚集体作为生物处理中的核心物质，其稳定性影响出水水质，处理效率、固液分离效果而至关重要。随着分子生物学技术的不断发展，人们已经将研究的焦点从影响微生物聚集体的传统因素转移到新的领域-信号分子。右旋氨基酸类物质作为一种信号分子，能够通过调节细菌基因的表达，以及胞外聚合物的合成来改变微生物群体行为从而应对外界的变化。这种群体行为包括抑制细菌在膜上的粘附，促进细菌在膜表面的脱落等效应。因此研究右旋氨基酸类物质对微生物聚集体稳定性的影响及其在水处理中应用具有重要的理论和实际意义。本文从右旋氨基酸类物质对活性污泥絮体的剪切稳定性以及表面性质的影响方面展开研究，探讨其影响效应，然后继续考察了右旋氨基酸类物质对生物膜的影响及其缓解膜污染方面的应用。主要研究内容和研究结果如下:
　　研究结果表明污泥在外源投加的右旋酪氨酸的影响下，絮体的剪切稳定性变差，剪切敏感性常数随酪氨酸浓度增大而增大，溶液中平衡初级粒子的浓度随着酪氨酸的投加量出现线性增长。此外，氨基酸改变了污泥絮体的表面性质，随着酪氨酸浓度的升高，污泥疏水性降低，絮体粒子之间的粘附自由能上升，污泥絮体zeta电位值越来越大，这些变化不利于污泥絮体间的絮凝和聚集。而且，酪氨酸明显抑制了污泥絮体胞外聚合物(EPS)的量尤其是蛋白质的量，随酪氨酸浓度的增加，EPS含量持续减少，蛋白质与多糖的比值持续降低，并且该比值与氨基酸浓度呈较好的相关性。污泥的疏水性、zeta电位的值与蛋白质/多糖的值有较好的相关系数，这种相关系数表明污泥絮体表面性质的改变是由EPS含量的改变引起的。利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和核磁共振(NMR)技术分析表征污泥胞外EPS，结果表明酪氨酸不改变EPS的官能团。因此酪氨酸作用下污泥絮体稳定性变差的主要原因是酪氨酸抑制了污泥中微生物胞外聚合物的分泌。
　　右旋氨基酸作用后的细菌在膜过滤过程中表现出不同的过滤性能。右旋氨基酸(D-AAS)能够有效缓解膜过滤过程中由微生物聚集体引起的膜污染，而且这种减缓效应具有普遍性，在亲水性膜PES（聚醚砜）和疏水性膜PVDF（聚偏氟乙烯）上均有缓解效应。通过对比D-AAS作用下枯草杆菌和铜绿假单胞菌的过滤行为，发现D-AAS减缓革兰氏阳性菌污染膜的效应比革兰氏阴性菌更明显。进一步实验表明D-AAS通过减少细菌在膜上的粘附，细菌EPS的含量从而缓解膜污染。细菌溶解性微生物产物(SMP)作为膜过滤过程的一种重要污染物，并没有受到D-AAS的影响，经过氨基酸作用后和空白组细菌的SMP在过滤过程中对膜具有相同的污染行为。被污染的膜通过物理清洗和化学清洗之后，恢复部分通量。D-AAS作用下的细菌通过清洗，通量恢复率提高，革兰氏阳性菌更易通过物理清洗恢复通量，而革兰氏阴性菌更易通过化学清洗恢复通量。与研究D-AAS对污泥絮体的EPS一样，右旋氨基酸同样抑制了两种细菌胞外EPS的含量而不改变EPS的官能团。EPS的减少使细菌在膜上的粘附减少，同时EPS本身作为一种污染物质，D-AAS减少了细菌EPS的分泌，降低了其对膜的污染程度。
　　本研究阐明了D-AAS对微生物聚集体稳定性的影响效应和机制，为解决膜污染提供了一种潜在手段，具有重要的理论意义和实用价值。