鹽度沖擊下MBR污泥SMP和EPS的三維熒光光譜解析

安 瑩,王志偉,李 彬,韓小蒙,吳志超(.上海電力學院環境與化學工程學院,上海 00090；.同濟大學環境科學與工程學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 0009)

鹽度沖擊下MBR污泥SMP和EPS的三維熒光光譜解析

安 瑩1,王志偉2*,李 彬2,韓小蒙2,吳志超2(1.上海電力學院環境與化學工程學院,上海 200090；2.同濟大學環境科學與工程學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092)

利用三維熒光(EEM)技術研究了不同鹽度沖擊下膜-生物反應器(MBR)污泥微生物溶解性產物(SMP)和胞外聚合物(EPS)的變化規律,分析不同鹽度沖擊下MBR污泥SMP和EPS的EEM圖譜.結果表明,當沖擊鹽度大于2.5g/L時,SMP的EEM圖譜中色氨酸熒光峰B(270nm,350nm)、類胡敏酸熒光峰C(375,475nm)、類富里酸熒光峰D(260,460nm)以及EPS的EEM圖譜中色氨酸熒光峰B的熒光強度隨沖擊鹽度的提升而增加,EPS的EEM圖譜中類胡敏酸C峰的熒光強度則隨沖擊鹽度的提升而下降.用平行因子分析(PARAFAC)方法確定EEM圖譜中存在的4個組分,分別為類蛋白質組分C1(230/280,350nm),類胡敏酸組分C2(290/310,380nm)、C3(290/360,460nm)和C4(270/340,440nm);當沖擊鹽度大于2.5g/L時,SMP中C1、C3和C4組分的熒光強度與沖擊鹽度呈正相關,而EPS中C3和C4組分的熒光強度分別與沖擊鹽度呈正相關和負相關,其相關系數均≥0.90;SMP中類蛋白質熒光組分和類胡敏酸組分的熒光強度之和分別與測定的蛋白質含量和胡敏酸含量呈明顯的正相關性,相關系數均＞0.93,可作為熒光組分強度定量計算的依據,而 EPS中此相關性并不明顯.

溶解性微生物產物；胞外聚合物；三維熒光光譜；平行因子分析；膜-生物反應器

膜-生物反應器(MBR)是由膜過濾取代傳統二次沉淀的水處理技術,具有出水水質好,占地面積小,污泥產率低等優點,在一些地區已經得到推廣和應用[1-2].隨著淡水資源的日益緊缺,近年來沿海許多城市開始推行海水直接利用,主要途徑為工業冷卻水、工業生產用水和城市生活用水(用于洗廁、道路沖洗和景觀)等,由此形成的鹽度沖擊對 MBR的穩定運行形成巨大挑戰[3]. MBR污泥中溶解性微生物產物(SMP)和胞外聚合物(EPS)被普遍認為是影響膜污染的2個重要因素,膜污染一直是制約MBR工藝應用的技術障礙[4-5].Zou等[6]研究了在污泥體系中鹽度沖擊對于SMP、EPS的影響,認為在較低鹽度沖擊下, EPS的累積是菌群自我保護的反應,過高的鹽度沖擊會使菌群失去產生 EPS的能力,在鹽度5g/L以內,鹽度沖擊不會對SMP產生影響,鹽度超過 5g/L時,污泥系統會出現SMP的累積.Reid等[7]認為MBR污泥受到鹽度沖擊(5g/L以下)時,污泥SMP和EPS的含量會隨著鹽度的增加而增加.

熒光分光光度法是近20多年發展起來的新型化學分析技術,它利用分子在特定波長的激發光照射下發出特征發射光的原理來檢測待測物質的含量.三維熒光技術是將熒光強度表示為激發波長(λex)—發射波長(λem)兩個變量的函數,即三維熒光(EEM)光譜.EEM光譜能同時獲得熒光強度隨激發波長和發射波長的關系,每一種熒光物質都有其特有的 EEM 信息,具有較高的選擇性.此外,EEM光譜技術的測定靈敏度比紫外-可見分光光度法高2～3個數量級[8],且操作簡單,無需復雜的預處理,已廣泛用于各種化學物質的定性和定量分析[9-10].Stedmon等[11-12]率先提出利用平行因子分析(PARAFAC)的統計手段來對有色溶解性有機物(CDOM)的 EEMs進行解譜,鑒別其中的單一熒光組分及其濃度.在環境工程領域中,Yu等[13]利用EEMs-PARAFAC研究城市污水廠污泥的脫水性能,Li等[14]利用 EEMs-PARAFAC研究了不同鹽度下常規活性污泥中SMP的形成.

目前利用該技術對MBR污泥進行的研究還較少見,本實驗利用EEMs-PARAFAC研究了不同鹽度沖擊下MBR污泥SMP和EPS中熒光組分的變化規律和產生機理并探索了定量計算熒光組分的方法,以期為 MBR在處理含鹽廢水領域的應用及膜污染產生的機理和控制措施的研究提供有益借鑒.

1 材料與方法

1.1 試驗方法

試驗污泥取自某生活污水處理廠 A/A/OMBR工藝的膜區,污泥曝氣24h后用蒸餾水洗滌并將污泥濃度稀釋到約3g/L.試驗在15℃恒溫箱中進行,污泥平均置于5個燒杯中,放入轉子并在磁力攪拌器上慢速攪拌,采用微孔曝氣,溶解氧(DO)控制在 6mg/L左右,向各燒杯分別投加0,2.5,7.5,12.5和17.5g/L的NaCl鹽度,24h后提取污泥的SMP和EPS測定其EEM光譜及測定蛋白質、胡敏酸含量.

1.2 SMP和EPS的提取

取適量的污泥放入離心管中,在 6000r/min下離心15min,取上清液過濾后即為SMP.向離心管中加入與上清液等體積的 0.9%NaCl溶液,攪拌均勻后沸水浴1h,在6000r/min下離心15min,取上清液過濾即為EPS(此法所提取的EPS為總EPS).

1.3 三維熒光光譜的測定

三維熒光光譜采用HORIBA Scientific公司的HORIBA MAX熒光分光光度計進行測定,激發和發射狹縫分別為5nm和5nm,掃描波長范圍為λex220～550nm,λem220～650nm.

1.4 PARAFAC分析

分別將不同鹽度沖擊下SMP和EPS的EEM圖譜轉化為矩陣的形式,應用Matlab軟件運行熒光溶解有機物工具包進行 PARAFAC模擬分析.比較各組分殘差值的大小,用一分為二法確定四組分模型是合適的,并得到各個組分的最大激發和發射波長的位置以及相應的熒光強度.

1.5 蛋白質和胡敏酸的測定

蛋白質和胡敏酸的測定均采用修正后的Lowry法[15].

2 結果與討論

2.1 不同沖擊鹽度下MBR中SMP和EPS的 EEM圖譜分析

不同鹽度沖擊時MBR污泥SMP的EEM圖譜如圖1所示.

圖1 不同鹽度沖擊條件下MBR污泥SMP的EEM圖譜Fig.1 EEM spectra of SMP in MBR sludge under different salinity shock

圖2 不同鹽度沖擊條件下MBR污泥EPS的EEM圖譜Fig.2 EEM spectra of EPS in MBR sludge under different salinity shock

由圖1可知,SMP的EEM圖譜中主要有3個熒光峰 B、C和 D,分別位于(Ex/Em)270/ 350nm、375/475nm和 260/460nm,其中 B峰與類蛋白質物質有關,為色氨酸熒光,C峰和D峰分別為類胡敏酸物質和類富里酸物質,其熒光強度相對較弱[16].觀察不同鹽度沖擊下SMP的EEM圖譜變化情況可知,B峰、C峰和D峰的熒光強度均隨著沖擊鹽度的提高而增加,增加幅度各不相同,其中 B峰的增加幅度最大.

不同鹽度沖擊時MBR污泥EPS的EEM圖譜如圖2所示.由圖2可知,EPS的EEM圖譜中主要有 3個熒光峰 A、B和 C,分別位于235/360nm、270/350nm和375/475nm,其中A峰與類蛋白質物質有關,為酪氨酸熒光[5],B峰和C峰的位置與圖1相同,可確定為相同的熒光組分.觀察不同鹽度沖擊下,EPS的EEM圖譜變化情況可知,B峰的熒光強度均隨著沖擊鹽度的提高而增加,C峰的熒光強度大體隨著沖擊鹽度的提升而下降(沖擊鹽度 2.5g/L時的熒光強度較沖擊鹽度為 0g/L時略有上升,其余均為下降趨勢),D峰熒光強度的變化規律和沖擊鹽度的相關性在圖中不明顯.

2.2 不同沖擊鹽度下MBR中SMP和EPS的EEMs- PARAFAC分析結果

如圖3所示,應用Matlab軟件運行熒光溶解有機物工具包,分析不同鹽度沖擊下的MBR污泥SMP和EPS的EEM圖譜,最終確定出4個熒光組分,分別是 C1(230/280nm,350nm), C2(290/ 310nm,380nm),C3(290/360nm,460nm)和 C4(270/ 340nm,440nm),其組分特征見表1,除組分C1為類蛋白質組分外,其余 3個組分均為類胡敏酸物質.

PARAFAC在確定熒光組分的同時可以得到其熒光強度.圖4給出SMP和EPS中各組分熒光強度和沖擊鹽度的關系.由圖 4可知,對于SMP,當沖擊鹽度低于2.5g/L時,C1、C3和C4組分的熒光強度與無鹽度沖擊時大致相等,當沖擊鹽度高于 2.5g/L時,其熒光強度與沖擊鹽度正相關,其相關系數見表 2.與其他組分的變化規律不同,C2組分的熒光強度隨著沖擊鹽度的提升先下降后上升.相比于 SMP,低濃度的鹽度沖擊對于 EPS中組分的熒光強度影響較大,當沖擊鹽度為2.5g/L時,C1和C3組分的熒光強度均較無鹽度沖擊時有所下降,與之相反,C2和C4組分的熒光強度則較無鹽度沖擊時有所上升,當沖擊鹽度大于2.5g/L時,C1和C2組分的熒光強度和沖擊鹽度無明顯相關性,而C3和C4組分的熒光強度分別與沖擊鹽度呈負相關和正相關.

根據各組分的熒光強度可以得到不同沖擊鹽度下類蛋白質組分 C1和類胡敏酸組分C2、C3和C4在SMP和EPS中的分布,結果如圖5所示,由此可推測不同鹽度沖擊下SMP和EPS中各熒光組分變化的機理.從圖 5(a)可知,沖擊鹽度在 2.5g/L之內,微生物細胞結構幾乎沒有被破壞,鹽度對微生物的正常生理活動有抑制作用,微生物正常分泌的蛋白質有所減少,因此EPS中類蛋白質C1的組分減少,SMP中C1組分的與無沖擊鹽度時基本相同,當沖擊鹽度大于 2.5g/L,微生物的細胞結構被不同程度的破壞,此時類蛋白質組分C1可能來自胞內物質的溶出,且溶出量隨沖擊鹽度的提高而不斷增加,其在EPS中的含量基本保持穩定,增加的部分出現在SMP中;類胡敏酸組分C2、C3和C4的變化規律見圖5(b),可以看出C2、C3和C4的熒光強度在SMP和EPS中的總和基本保持穩定,推測類胡敏酸組分變化的原因可能是同一熒光組分在SMP和EPS之間相互轉化以及不同熒光組分之間的相互轉化,目前對鹽度沖擊下類胡敏酸組分變化規律的研究較少,其具體機理尚待進一步研究.

SMP和 EPS中主要成分是類蛋白質組分(C1)和類胡敏酸組分(C2、C3和 C4),分別分析SMP和EPS中的C1的最大熒光強度和C2、C3、C4的最大熒光強度之和與圖5(a)和圖5(b)測定的蛋白質和胡敏酸含量的關系,結果見圖 7.由于沖擊鹽度 2.5g/L以內的熒光組分產生機理較特殊,本試驗僅定量分析沖擊鹽度在2.5～17.5g/L的各組分的熒光強度.

圖3 EEMs-PARAFAC確定的熒光組分及其激發吸收峰位置Fig.3 Four different components identified by the EEMs-PARAFAC model and their excitation and emission loadings

表1 不同鹽度沖擊時MBR污泥SMP和EPS的EEMs中的熒光組分及其特征Table 1 Fluorescence components from the EEMs of SMP in MBR sludge under different salinity shock

圖4 SMP和EPS中不同組分的熒光強度和沖擊鹽度的關系Fig.4 Changes in the fluorescence intensity of four components in SMP and EPS with the addition of salinity

表2 SMP和EPS的EEMs中的熒光組分的最大熒光強度和沖擊鹽度的相關性Table 2 Correlation between the fluorescence intensity of the components in SMP and EPS and salinity shock

圖5 EPS和SMP中熒光組分的變化規律Fig.5 Distribution of fluorescence components in SMP and EPS

2.3 熒光組分定量分析的探索

不同鹽度沖擊下MBR污泥SMP和EPS中蛋白質和胡敏酸的含量見圖6.

由圖7可知,在SMP中類蛋白質熒光組分的熒光強度和類胡敏酸熒光組分的熒光強度總和分別與測定的蛋白質含量和胡敏酸含量呈明顯的正相關性,為利用EEMs圖譜進行定量計算提供了依據,其相關系數和定量計算結果見表 3.對于 EPS,其中的類蛋白質組分的熒光強度和測定的蛋白質含量之間沒有明顯相關性,而類胡敏酸的熒光強度總和與測定的胡敏酸含量分別穩定在1600000和200mg/L左右.

圖6 不同鹽度沖擊下SMP和EPS中蛋白質和胡敏酸的含量Fig.6 The concentrations of the protein-like and humic acid-like substances of EPS and SMP under different salinity shock

由表 3可知,類蛋白質熒光組分和類胡敏酸熒光組分與測定所得的蛋白質含量和胡敏酸含量的相關性在SMP和EPS中的差別較大,其中在SMP中的相關性較好,相關系數均可達0.93以上.此外,相同的胡敏酸含量在 SMP和 EPS中的所對應熒光組分的熒光強度也不相同,其在EPS中所對應光強度是SMP中的所對應熒光強度3倍以上.

圖7 SMP和EPS中熒光強度和蛋白質、胡敏酸含量的關系Fig.7 Relationships between the fluorescence intensity and protein-like and humic acid-like concentrations of EPS and SMP

表3 SMP和EPS中熒光強度和蛋白質、胡敏酸含量的定量分析Table 3 Quantitative calculation between the fluorescence intensity and protein-like and humic acid-like concentrations of EPS and SMP

3 結論

3.1 不同鹽度沖擊下,SMP的EEM圖譜中均存在色氨酸熒光峰B、類胡敏酸熒光峰C和類富里酸熒光峰 D,其峰強度均隨著沖擊鹽度的提高而增加,其中B峰的增幅最大,EPS的EEM圖譜中均存在酪氨酸熒光峰A、色氨酸熒光峰B和類胡敏酸熒光峰C,其中B峰的熒光強度和沖擊鹽度的呈正相關,C峰的熒光強度和沖擊鹽度呈負相關,D峰熒光強度的變化規律和沖擊鹽度的相關性不明顯.

3.2 PARAFAC在SMP和EPS的熒光圖譜中識別出 4個熒光組分,分別是類蛋白質組分 C1 (230/280nm,350nm),類胡敏酸組分 C2(290/310nm,380nm)、C3(290/360nm,460nm)和C4(270/ 340nm,440nm).

3.3 鹽度小于 2.5g/L時,類蛋白質組分 C1在EPS中的熒光強度較無鹽度沖擊時下降,而在SMP中的熒光強度保持不變;鹽度大于 2.5g/L時,SMP中C1、C3和C4的熒光強度和沖擊鹽度呈正相關,EPS中C1保持不變,C3、C4分別和沖擊鹽度呈負相關和正相關,但C2、C3和C4的熒光強度在SMP和EPS中的總和基本保持穩定.

3.4 SMP中類蛋白質熒光組分和類胡敏酸組分的熒光強度總和分別與測定的蛋白質含量和胡敏酸含量呈明顯的正相關性,相關系數大于0.93,可以作為熒光組分強度定量計算的依據; EPS中類蛋白質組分和測定的蛋白質含量之間沒有明顯的規律,而類胡敏酸的熒光強度總和與測定的胡敏酸含量分別穩定在 1600000和200mg/L左右.

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Analysis of the EEM Fluorescence Spectra of the SMP and EPS in MBR sludge under salinity shock.

AN Ying1,

WANG Zhi-wei2*, LI Bin2, HAN Xiao-meng2, WU Zhi-chao2(1.College of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China；2.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China). China Environmental Science, 2014,34(7)：1754～1762

Variations of soluble microbial products (SMP) and extracellular polymeric substances (EPS) extracted from MBR sludge under different salinity shock were studied using excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy. Analysis of the EEM spectra showed that the fluorescence intensity of tryptophan protein-like peak B (270nm, 350nm), humic-acid-like Peak C (375, 475nm), fulvic-acid-like Peak D (260, 460nm) in the EEM spectra of SMP and Peak B in the EEM spectra of EPS increased as salinity shock increased. Peak C in the EEM spectra of EPS decreased as salinity shock increased when salinity shock was over 2.5g/L. Four components were identified from the EEMs by PARAFAC, which were protein-like C1 (230/280, 350nm), humic-acid-like C2 (290/310, 380nm), C3 (290/360, 460nm) and C4 (270/340, 440nm), respectively. When the salinity shock was over 2.5g/L, the fluorescence intensity of C1, C2 and C3 in SMP were positively correlated with the salinity shock. The fluorescence intensity of C3 and C4 in EPS were positively and negatively correlated (with correlation coefficients≥0.90) with the salinity shock, respectively. The total fluorescence intensity of the protein-like component and humic acid-like component had positive correlations with humic acid and protein content determined by chemical methods (with correlation coefficients＞0.93) which can be used for the quantitative calculation. However, there were no obvious correlations in EPS.

soluble microbial products；extracellular polymers；excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy；parallel factor analysis；membrane bioreactor

X703.5

A

1000-6923(2014)07-1754-09

安 瑩(1981-),女,山東濱州人,講師,博士,主要從事水污染控制方面研究.發表論文10余篇.

2013-10-14

國家科技支撐計劃項目(2012BAJ21B05);上海市科學技術委員會科研計劃項目(11231200400)

* 責任作者, 副教授, zwwang@tongji.edu.cn