受四環(huán)素影響的活性污泥胞內(nèi)外聚合物特征

張俊珂,曾　萍,宋永會(huì),于會(huì)斌,關(guān)東明,劉瑞霞,2(.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 00083；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 0002；3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地,北京 0002；4.清華大學(xué),國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境微生物利用與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京00084)

?

受四環(huán)素影響的活性污泥胞內(nèi)外聚合物特征

張俊珂1,2,3,曾萍2,3,4*,宋永會(huì)2,3,于會(huì)斌2,3,關(guān)東明1,劉瑞霞1,2(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地,北京 100012；4.清華大學(xué),國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境微生物利用與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084)

摘要：利用離心加超聲的方法對(duì)處理四環(huán)素抗生素廢水的活性污泥胞外聚合物(EPS)和胞內(nèi)聚合物(IPS)進(jìn)行提取,將其分為-溶解型胞外聚合物(slime)、松散附著型胞外聚合物(LB)、緊密附著型胞外聚合物(TB)、胞內(nèi)聚合物(IPS).用BCA法和蒽酮-硫酸法測(cè)定了各層EPS和IPS溶液中的蛋白質(zhì)和多糖含量,同時(shí)用三維熒光光譜掃描(EEM)和同步熒光光譜掃描(SFS)對(duì)其中的溶解性有機(jī)物(DOM)進(jìn)行定性和定量分析,結(jié)果表明在EPS中的蛋白質(zhì)和多糖的含量高于IPS,且蛋白質(zhì)含量均比多糖含量高,而在slime和IPS中的蛋白質(zhì)和多糖的含量高于LB 和TB;低激發(fā)波長(zhǎng)類色氨酸和高激發(fā)波長(zhǎng)類色氨酸是EPS和IPS溶液的主要成分,且溶液中的溶解性代謝產(chǎn)物和芳香蛋白類物質(zhì)相對(duì)含量在slime、LB、TB和IPS逐漸增加,而難降解有機(jī)物-腐殖酸類物質(zhì)的相對(duì)含量逐漸降低;進(jìn)水四環(huán)素濃度與污泥各層EPS和IPS溶液中DOM也具有較好的相關(guān)性;三維熒光法檢測(cè)溶液中的DOM與化學(xué)分析測(cè)試出的蛋白質(zhì)含量具有較好的相關(guān)性.

關(guān)鍵詞：活性污泥；胞外聚合物(EPS)；胞內(nèi)聚合物(IPS)；熒光檢測(cè)技術(shù)；四環(huán)素

* 責(zé)任作者, 研究員, zengping71@hotmail.com

Key words：activated sludge；extracellular polymeric substance (EPS)；intracellular polymeric substance (IPS)；fluorescence detection technology；tetracycline

近年來,四環(huán)素作為一種廣譜抗生素在醫(yī)藥和養(yǎng)殖行業(yè)普遍使用.大量殘留的四環(huán)素隨著人畜排泄物等進(jìn)入到自然環(huán)境中,在各國(guó)的污水處理廠進(jìn)水中其濃度可達(dá)毫克級(jí),其對(duì)微生物及人類健康存在的潛在危險(xiǎn)不容忽視[1].傳統(tǒng)污水處理廠大多采用活性污泥法處理污水,而四環(huán)素在活性污泥表面具有較強(qiáng)吸附性能[2],抗生素對(duì)活性污泥,尤其是活性污泥的胞外聚合物(EPS)的影響不可忽視[3],但抗生素對(duì)活性污泥胞外和胞內(nèi)聚合物各成分的影響尚不明晰.

EPS是一定微生物在一定條件下產(chǎn)生的高分子物質(zhì),普遍存在于活性污泥絮體內(nèi)部和表面.EPS可以吸附外界的有機(jī)物和無機(jī)離子,達(dá)到去除污染物的目的;可以消化外界大分子物質(zhì)以滿足營(yíng)養(yǎng)需求;還可以形成保護(hù)層抵抗有害的外部環(huán)境[2,4].研究認(rèn)為EPS可以改變污泥的表面電荷、疏水性、顆粒粒徑、絮凝沉淀和脫水性能等性質(zhì)[4-8].

胞內(nèi)聚合物(IPS)是微生物體內(nèi)碳源或能量?jī)?chǔ)藏的一種形式,主要包括多糖、類脂、多聚磷酸鹽和硫粒等.有研究表明,污水中部分COD的去除主要是被微生物吸收后以IPS的形式儲(chǔ)存起來了[9].

由于EPS和IPS在污水處理中的重要作用,越來越多的研究者對(duì)于EPS和IPS的組成及分布特征進(jìn)行了研究.有研究表明[6,10],EPS的70%～80%是由蛋白質(zhì)和多糖構(gòu)成.在結(jié)構(gòu)上[5,11],EPS可以分為溶解型EPS和結(jié)合型EPS(bound EPS).溶解型EPS包含了溶解性的大分子、膠體、黏性物質(zhì),又被稱為黏液層,而結(jié)合型EPS包括了微生物的鞘、莢膜、松散結(jié)合聚合物和吸附的有機(jī)物,又被稱為莢膜層.其中,結(jié)合型EPS又可分為位于外層的松散附著型胞外聚合物(LB)和內(nèi)層的緊密附著型胞外聚合物(TB).逐層提取EPS后,溶液中就是由細(xì)胞組成的細(xì)胞相(pellet).超聲處理可以將pellet打破,使得IPS從細(xì)胞內(nèi)釋放出來[12].

然而在污水生物處理系統(tǒng)中污泥的EPS和IPS組成成分的影響因素眾多,變化較大,而目前對(duì)其成分和含量的研究還沒有形成一種特定的研究方法.曹秀芹等[13]用蛋白質(zhì)和多糖含量的測(cè)定來表征EPS的組成,劉燕等[14]用掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡來確認(rèn)EPS的存在和形式,周健等[6]用多糖和DNA的含量來表征EPS的組成和數(shù)量,王紅武等[7]、姚萌[15]用TOC、蛋白質(zhì)和多糖來表征EPS的組成變化.近年來也有許多研究者利用三維熒光光譜技術(shù)對(duì)EPS的特征進(jìn)行了研究[12,15-16].但對(duì)于EPS和IPS這個(gè)復(fù)雜的體系,大多數(shù)只是針對(duì)EPS進(jìn)行了研究,缺乏IPS的研究數(shù)據(jù)以及兩者間作為一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)[9,13,15,17-18],有一些研究者只對(duì)LB和TB進(jìn)行了研究,較少關(guān)注slime的組成及成分含量特征[7].已有的研究或者只是利用一種方式進(jìn)行了研究,或者是沒有將幾種方式結(jié)合起來分析樣品,缺乏方法間的比較[7,15].

為了更好的認(rèn)識(shí)受四環(huán)素影響的活性污泥的EPS和IPS的組成和分布特征,本文將傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法與熒光檢測(cè)技術(shù)結(jié)合起來,在分別考察EPS溶液和IPS溶液中各組成成分的基礎(chǔ)上,分析了EPS溶液和IPS溶液中溶解性有機(jī)物(DOM)含量變化與測(cè)定的蛋白質(zhì)和多糖濃度的相關(guān)性,以期考察樣品的各指標(biāo)間的相互關(guān)系.同時(shí)還分析了進(jìn)水四環(huán)素濃度與EPS和IPS中DOM的相關(guān)性,以期明確污泥EPS和IPS與四環(huán)素之間的相互作用.

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置及操作條件

本研究所用樣品采自實(shí)驗(yàn)室膜生物反應(yīng)器(MBR),MBR反應(yīng)器總?cè)莘e為18L有效容積為15.5L,如圖1所示.其運(yùn)行采用序批式運(yùn)行(SBR)方式,反應(yīng)器運(yùn)行周期為4h,其中進(jìn)水10min,靜置30min,排水10min.每個(gè)周期排水2L,HRT為4.17h.反應(yīng)器的底部安裝了微孔曝氣盤為反應(yīng)器供氧.反應(yīng)器內(nèi)放置兩片聚偏氟乙烯(PVDF)平板膜(上海斯納膜分離科技有限公司),有效膜面積為0.10m2/片,膜孔徑≤0.1μm.額定膜通量10.0L/ (m2?h). MBR樣品在反應(yīng)器每個(gè)周期的排水前半個(gè)小時(shí)采集,樣品1,2,3,4的采集時(shí)間分別為反應(yīng)器開始運(yùn)行后10,14,18,22d.采樣后保存于4℃冰箱,24h內(nèi)進(jìn)行測(cè)試.

圖1　MBR反應(yīng)器示意Fig.1　Scheme of MBR

1.2進(jìn)水水質(zhì)

MBR進(jìn)水以一定量的葡萄糖和四環(huán)素及無機(jī)鹽溶液配置,平均COD為830mg/L.其中四環(huán)素濃度在63.4mg/L左右.無機(jī)鹽溶液組成為: (NH4)2SO4500mg/L,KH2PO4400mg/L, K2HPO4100mg/L,MgSO4?7H2O 250mg/L,FeSO45mg/L, CaCl225mg/L,NiSO416mg/L,Na2BO7?10H2O 3.6mg/L,(NH4)6Mo7O24?H2O 7.2mg/L,ZnCl2?4H2O 11.5mg/L,CoCl2?6H2O 10.5mg/L,CuCl2?2H2O 5mg/L, MnCl2?4H2O 15mg/L.

1.3污泥胞外和胞內(nèi)聚合物的提取

采用離心加超聲組合的方式[12],將污泥樣品分為slime、LB、TB、IPS.具體提取步驟如圖2所示.

1.4樣品測(cè)試

污泥樣品MLSS、MLVSS按照標(biāo)準(zhǔn)法[19]測(cè)定. EPS溶液和IPS溶液中蛋白質(zhì)采用改良型BCA測(cè)定法[17],多糖采用蒽酮-硫酸法[17].

上清液中四環(huán)素的測(cè)定:取沉降后上清液經(jīng)0.45μm玻璃纖維濾膜過濾后的溶液,利用高效液相色譜法(HPLC,Agilent 1100,USA)測(cè)定其四環(huán)素含量.色譜柱為Agilent Eclipse XDB-C18柱(4.6x220mm 5μm),流動(dòng)相為甲醇:含0.1%甲酸的純水(25:75),檢測(cè)波長(zhǎng)為365nm,流速為1mL/min,柱溫為30℃,進(jìn)樣量為20μL.三維熒光光譜掃描和同步熒光掃描:對(duì)提取的EPS溶液和IPS溶液分別進(jìn)行三維熒光光譜掃描和同步熒光掃描(Hitachi F-7000,日立,日本).以氙燈為光源,設(shè)定電壓700V.三維熒光光譜掃描設(shè)定狹縫寬帶λEx為5nm,λEm為5nm;激發(fā)波長(zhǎng)λEx為200～450nm,發(fā)射波長(zhǎng)λEm為260～550nm;掃描速度為2400nm/ min.同時(shí)掃描空白樣品-超純水(Milli-Q)以消除拉曼散射.同步熒光掃描設(shè)定掃描波長(zhǎng)λ為260～550nm,波長(zhǎng)差Δλ=Em-Ex=30nm,掃描速度240nm/min.

圖2　污泥胞外和胞內(nèi)聚合物的提取流程Fig.2　Extraction process of EPS and IPS from activated sludge

三維熒光光譜掃描結(jié)束后,利用儀器自帶軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成激發(fā)波長(zhǎng)x發(fā)射波長(zhǎng)x熒光強(qiáng)度的矩陣圖.當(dāng)λEx=λEm時(shí),會(huì)出現(xiàn)瑞麗散射,將矩陣圖中瑞麗散射線上方數(shù)據(jù)置零,以消除瑞麗散射[12,20-22].利用origin軟件對(duì)矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到光譜圖,再利用尋峰法和區(qū)域積分法(FRI)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合.同步掃描數(shù)據(jù)通過自帶軟件轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)/熒光強(qiáng)度數(shù)據(jù),利用origin軟件處理分析.

2　結(jié)果及分析

2.1MBR反應(yīng)器中活性污泥MLSS、MLVSS及上清液中四環(huán)素濃度變化

對(duì)污泥樣品的MLSS、MLVSS及上清液中四環(huán)素濃度測(cè)定,結(jié)果如表1所示.

表1　MBR反應(yīng)器運(yùn)行Table 1　Operation of MBR

從表1可知,第10d采樣時(shí)(樣品1)四環(huán)素去除率可以達(dá)到22.67%.隨著反應(yīng)的進(jìn)行,微生物不斷生長(zhǎng),反應(yīng)器內(nèi)MLSS和MLVSS都相應(yīng)升高.活性污泥對(duì)于四環(huán)素的去除率也得到了提高,在第14d采樣時(shí)(樣品2)達(dá)到了48.50%.但隨著四環(huán)素的累積,其對(duì)于微生物的毒害作用逐漸明顯.在第18d采樣時(shí)(樣品3),其去除率降低到40.51%,而反應(yīng)器中的四環(huán)素濃度也升高到了37.12mg/L.在第22d采樣時(shí)(樣品4),MLVSS的值明顯降低.四個(gè)樣品COD的去除率均在60%～75%之間,處理效果較穩(wěn)定.

2.2污泥樣品EPS和IPS中蛋白質(zhì)和多糖含量

樣品EPS和IPS中的蛋白質(zhì)和多糖濃度測(cè)試結(jié)果如表2所示.

表2　EPS和IPS中蛋白質(zhì)和多糖濃度(mg/gSS)Table 2　Protein and saccharides content in EPS and IPS (mg/gSS)

由表2可知,除了樣品3稍有不同外,在樣品1、樣品2、樣品4的各層提取物中,蛋白質(zhì)含量均比多糖含量高,在樣品1的TB溶液中,蛋白質(zhì)含量甚至是多糖的51.4倍.蛋白質(zhì)是保護(hù)細(xì)胞的主要物質(zhì).四環(huán)素作為抗生素,對(duì)細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生破壞作用.在四環(huán)素的脅迫下,為了防止細(xì)胞受到四環(huán)素的傷害,細(xì)胞合成的蛋白質(zhì)的含量增加,這與張微[17]的研究結(jié)果類似.且無論是蛋白質(zhì)含量還是多糖含量,在各樣品中均出現(xiàn)slime溶液和IPS溶液中含量比LB溶液和TB溶液中含量高的現(xiàn)象.Tu等[12]的研究中也發(fā)現(xiàn)了IPS溶液中的蛋白質(zhì)和多糖含量普遍比slime、LB 和TB溶液中含量高的現(xiàn)象,但未發(fā)現(xiàn)slime溶液比其他兩者溶液含量高的現(xiàn)象.這可能是由于Tu等[12]研究中所用的是市政污水廠的活性污泥,而本研究中所取污泥樣品是處理四環(huán)素廢水的活性污泥,兩種污泥喂食的基質(zhì)不同.統(tǒng)計(jì)胞外和胞內(nèi)有機(jī)物含量的變化可知,由slime、LB、TB所組成的EPS溶液中有機(jī)物含量均比IPS溶液有機(jī)物含量高.這說明由微生物分泌的胞外聚合物比胞內(nèi)聚合物中有機(jī)物的含量高.羅茜[23]和于潔[4]的研究發(fā)現(xiàn)四環(huán)素濃度為20mg/L時(shí),活性污泥脫氫酶的活性非常低甚至接近0,活性污泥已不能正常利用外源性碳源,內(nèi)源呼吸大大增強(qiáng).IPS作為細(xì)胞的碳源和能源的儲(chǔ)備物這時(shí)候就被利用起來.本研究中IPS溶液中有機(jī)物比EPS溶液中有機(jī)物含量少可能就是由于四環(huán)素的作用,活性污泥出現(xiàn)了內(nèi)源呼吸現(xiàn)象的征兆.

2.3污泥樣品EPS和IPS中DOM分布的三維熒光光譜(EEM)分析

表3　污泥樣品EPS和IPS中Peak T1和 Peak T2特性Table 3　The characteristics of peak T1and peak T2of EPS and IPS in samples

2.3.1三維熒光光譜分析樣品DOM組成三維熒光光譜能夠?qū)Χ嘟M分復(fù)雜體系中熒光光譜(發(fā)射波長(zhǎng)/激發(fā)波長(zhǎng),Em/Ex)重疊的對(duì)象進(jìn)行光譜識(shí)別和解析表征,通過對(duì)熒光光譜圖進(jìn)行分析,根據(jù)譜圖中熒光峰的強(qiáng)度、位置以及個(gè)數(shù)的變化,可以初步判斷水體中DOM的分布組成.

在樣品1、樣品2、樣品3、樣品4的各層EPS和IPS中均檢測(cè)到兩個(gè)明顯的類蛋白熒光峰(PeakT1和PeakT2).PeakT1和PeakT2中心位置分別約為Ex/Em=225～230/335～340和Ex/Em= 275～280/305～340,這與姚萌[15]、劉延利[16]、Tu 等[12]對(duì)市政污泥的研究結(jié)果類似,其中PeakT1屬于低激發(fā)波長(zhǎng)類色氨酸,PeakT2屬于高激發(fā)波長(zhǎng)類色氨酸[12,22,24-26].

分析提取的slime、LB、TB、IPS溶液中PeakT1、PeakT2的熒光強(qiáng)度發(fā)現(xiàn),在16組數(shù)據(jù)中除了2組數(shù)據(jù)PeakT1/PeakT2的值在1以下外,其余都在1以上.這說明在本實(shí)驗(yàn)的污泥樣品的胞外和胞內(nèi)聚合物中,主要以PeakT1即低激發(fā)波長(zhǎng)類色氨酸為主.同時(shí)分析PeakT1與PeakT2的變化,得知各樣品中都存在slime和IPS中的峰強(qiáng)比LB和TB中強(qiáng)度大的現(xiàn)象.這與以蛋白質(zhì)和多糖表征的有機(jī)物含量在各層EPS和IPS溶液中的分布規(guī)律一致.

2.3.2區(qū)域積分法分析樣品中DOM組成原有的三維熒光分析技術(shù)僅利用幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來定性分析DOM中的成分特征,而沒有一種合適的定量方法來分析三維熒光光譜,Chen等[22]在2003年提出了區(qū)域積分法(FRI).區(qū)域積分法按照激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)的不同,將具有相似性質(zhì)有機(jī)物的三維熒光光譜分為5個(gè)區(qū)域,分別為芳香蛋白類物質(zhì)I、芳香蛋白類物質(zhì)II、富里酸類物質(zhì)、溶解性微生物代謝產(chǎn)物和腐殖酸類物質(zhì).通過積分計(jì)算特定熒光區(qū)域的積分體積,然后對(duì)積分體積進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,就可以得到特定熒光區(qū)域積分標(biāo)準(zhǔn)體積,從而反映該區(qū)域的特定結(jié)構(gòu)有機(jī)物的相對(duì)含量.

由圖3可知,芳香蛋白類物質(zhì)II、溶解性微生物代謝產(chǎn)物占污泥EPS和IPS中的大部分.隨著聚合物逐漸接近細(xì)胞中心,溶解性代謝產(chǎn)物和芳香蛋白類物質(zhì)相對(duì)含量逐漸增加,而難降解有機(jī)物-腐殖酸類物質(zhì)的百分比含量逐漸降低.

圖3　各樣品DOM組成成分百分含量(%)Fig.3　The percentage of DOM components in activated sludge (%)

2.4污泥樣品EPS和IPS中DOM分布的同步熒光掃描(SFS)分析和結(jié)果

各樣品同步熒光掃描結(jié)果出現(xiàn)兩個(gè)較為明顯的熒光特征峰Peak a和Peak b.Peak a開始于260nm,結(jié)束于300nm.Peak b開始于300nm,結(jié)束于550nm.通過已有報(bào)道[27-28]可知,260～300nm范圍內(nèi)為的峰與蛋白質(zhì)類物質(zhì)有關(guān),而300～550nm內(nèi)的峰與腐殖質(zhì)類物質(zhì)有關(guān),即Peak a屬于蛋白質(zhì)類物質(zhì),Peak b屬于腐殖質(zhì)類物質(zhì).

分析Peak a、Peak b的熒光強(qiáng)度在各種EPS溶液及IPS溶液中的變化可知,Peak a呈現(xiàn)出在slime溶液中和在IPS溶液中比較突出,而在LB溶液和TB溶液中強(qiáng)度較弱的趨勢(shì).這說明酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸等物質(zhì)在溶解型胞外聚合物和微生物細(xì)胞內(nèi)部含量豐富.而Peak b在各樣品中呈現(xiàn)出只在slime溶液中比較顯著,在其他溶液中強(qiáng)度較弱,甚至檢測(cè)不到的現(xiàn)象.Peak a和Peak b的變化規(guī)律與上一節(jié)中Peak T1和Peak T2的幾乎一致.

為了對(duì)熒光區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)進(jìn)行定性和定量研究,通過origin軟件對(duì)類蛋白類物質(zhì)有關(guān)的熒光區(qū)域面積(A260～300)和腐殖質(zhì)類物質(zhì)有關(guān)的熒光區(qū)域面積(A300～550)進(jìn)行計(jì)算,并計(jì)算A260～300/ A300～550值.結(jié)果如表4所示.由表可知,熒光區(qū)域面積A260～300、A300～550在樣品EPS和IPS中的變化與Peak a和Peak b的變化規(guī)律相同.

表4　樣品EPS和IPS中熒光區(qū)域面積A260～300、A300～550及A260～300/A300～550Table 4　Fluorescentarea of A260～300,A300～550and A260～300/ A300～550of EPS and IPS in activated sludge

續(xù)表4

3　相關(guān)性指數(shù)分析

3.1BCA法與熒光檢測(cè)方法的相關(guān)性

熒光區(qū)域積分法在溶液中DOM的組成進(jìn)行類別劃分的同時(shí),也對(duì)其中的各類物質(zhì)進(jìn)行了半定量測(cè)定.為驗(yàn)證其定量的有效性,利用經(jīng)典的BCA法測(cè)定了各EPS溶液和IPS溶液中的蛋白質(zhì)含量,并利用SPSS軟件計(jì)算了區(qū)域積分法中各類物質(zhì)的面積與經(jīng)典法測(cè)定的蛋白質(zhì)含量的相關(guān)性指數(shù)(表5).結(jié)果發(fā)現(xiàn),各樣品同區(qū)域積分面積的相關(guān)性指數(shù)在0.95以上,表明區(qū)域積分法與經(jīng)典法具有較好的相關(guān)性.

表5　蛋白質(zhì)與熒光區(qū)域積分相關(guān)性指數(shù)Table 5　Correlation index of protein with fluorescence regional integration of four samples

3.2熒光指數(shù)與四環(huán)素濃度的相關(guān)性指數(shù)

結(jié)合2.1中所列的四環(huán)素濃度值,利用SPSS軟件計(jì)算四環(huán)素與污泥各層提取液中DOM組成成分的相關(guān)性(表6).計(jì)算結(jié)果顯示污泥上清液中的四環(huán)素濃度與芳香蛋白類物質(zhì)I、芳香蛋白類物質(zhì)II、富里酸類物質(zhì)、溶解性微生物代謝產(chǎn)物和腐殖酸類物質(zhì)均呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān),即隨著四環(huán)素濃度的升高,DOM濃度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì).這說明四環(huán)素與污泥各層EPS和IPS都可以發(fā)生熒光猝滅效應(yīng).且與芳香蛋白類物質(zhì)I和芳香蛋白類物質(zhì)II間的相關(guān)性指數(shù)均在0.65以上,說明四環(huán)素與污泥組分中的這兩類DOM間的猝滅效應(yīng)更加明顯.劉延利等[16]用三維熒光光譜法研究了活性污泥EPS和四環(huán)素的相互作用.在活性污泥EPS中發(fā)現(xiàn)了2種類蛋白熒光峰A(Ex/Em=225/340)和峰B(Ex/Em=280/338),其熒光強(qiáng)度隨著鹽酸四環(huán)素的加入而顯著降低,峰A和鹽酸四環(huán)素結(jié)合生成了不發(fā)熒光的物質(zhì),而峰B和鹽酸四環(huán)素結(jié)合生成的物質(zhì)在Ex/Em =295/416處發(fā)熒光.而且兩種熒光峰與四環(huán)素的反應(yīng)過程均屬于靜態(tài)猝滅過程.這與本研究的結(jié)果類似.

表6　區(qū)域劃分中五類溶解性有機(jī)物與四環(huán)素濃度的相關(guān)性指數(shù)Table 6　Correlation index of 5kinds of DOM with tetracycline concentration

4　結(jié)論

4.1在受四環(huán)素影響的活性污泥的EPS和IPS溶液中,蛋白質(zhì)含量均比多糖含量高.且由蛋白質(zhì)和多糖代表的有機(jī)物的含量,在slime和IPS溶液中,比LB和TB溶液中高;而在EPS溶液中又比IPS溶液中含量高.

4.2低激發(fā)波長(zhǎng)類色氨酸和高激發(fā)波長(zhǎng)類色氨酸是EPS和IPS溶液的主要成分,且溶液中的溶解性代謝產(chǎn)物和芳香蛋白類物質(zhì)相對(duì)含量在slime、LB、TB和IPS逐漸增加,而難降解有機(jī)物-腐殖酸類物質(zhì)的相對(duì)含量逐漸降低.

4.3三維熒光法檢測(cè)溶液中的DOM與化學(xué)分析測(cè)試出的蛋白質(zhì)含量具有較好的相關(guān)性.進(jìn)水四環(huán)素濃度與污泥各層EPS和IPS溶液中DOM也具有較好的相關(guān)性.四環(huán)素與污泥各層EPS和IPS都可以發(fā)生熒光猝滅效應(yīng),且與芳香蛋白類物質(zhì)I和芳香蛋白類物質(zhì)II間的猝滅效應(yīng)較明顯.

參考文獻(xiàn)：

[1] Gao Pin, Munir Mariya, Xagoraraki Irene. Correlation of tetracycline and sulfonamide antibiotics with corresponding resistance genes and resistant bacteria in a conventional municipal wastewater treatment plant [J]. Sci. Total Environ., 2012,421-422:173-183.

[2] 劉翔.活性污泥和生物膜的胞外聚合物性質(zhì)及其對(duì)污泥性能影響的比較研究 [D]. 上海:復(fù)旦大學(xué), 2009.

[3] 邱光磊,宋永會(huì),曾萍,等.連續(xù)流膜生物反應(yīng)器中好氧顆粒污泥的形成及機(jī)制探討 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2011,31(3):476-484.

[4] 于潔.四環(huán)素對(duì)好氧活性污泥的抑制及對(duì)活性污泥四環(huán)素抗性的影響研究 [D]. 天津:南開大學(xué), 2014.

[5] 王然登,程戰(zhàn)利,彭永臻,等.強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)中胞外聚合物的特性 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014,34(11):2838-2843.

[6] 周健,龍騰銳,苗利利.胞外聚合物EPS對(duì)活性污泥沉降性能的影響研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2004,24(4):613-618+607.

[7] 王紅武,李曉巖,趙慶祥.胞外聚合物對(duì)活性污泥沉降和絮凝性能的影響研究 [J]. 中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2003,13(9):34-37+31.

[8] WANG Xuan, ZHANG Bin, SHEN Zhiqiang, et al. The EPS characteristics of sludge in an aerobic granule membrane bioreactor [J]. Bioresour. Technol., 2010,101:8046-8050.

[9] 劉陽,張捍民,楊鳳林.活性污泥中微生物胞外聚合物(EPS)影響膜污染機(jī)理研究 [J]. 高校化學(xué)工程學(xué)報(bào), 2008,22(3):332-338.

[10] Fr?lund B, Palmgren R, Keiding K, et al. Extraction of extracellular polymers from activated sludge using a cation exchange resin [J]. Water Res., 1996,30:1749-1758.

[11] Bezawada J, Hoang N V, More T T, et al. Production of extracellular polymeric substances (EPS) by Serratia sp.1using wastewater sludge as raw material and flocculation activity of the EPS produced [J]. Environ. Manage., 2013,128:83-91.

[12] Tu Xiang, Song Yonghui, Yu Huibin, et al. Fractionation and characterization of dissolved extracellular and intracellular products derived from floccular sludge and aerobic granules [J]. Bioresour. Technol., 2012,123:55-61.

[13] 曹秀芹,趙自玲.胞外聚合物(EPS)構(gòu)成的影響因素分析 [J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2010,33(12F):420-424+471.

[14] 劉燕,王越興,莫華娟,等.有機(jī)底物對(duì)活性污泥胞外聚合物的影響 [J]. 環(huán)境化學(xué), 2004,23(3):252-257.

[15] 姚萌,羅紅元,謝小青,等.城市污水廠活性污泥胞外聚合物的三維熒光特性分析 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2012,32(1):94-99.

[16] 劉延利,潘響亮.三維熒光光譜法研究四環(huán)素與活性污泥EPS的相互作用 [J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2012,35(6):51-54+70.

[17] 張微.四環(huán)素與胞外聚合物的相互作用及其對(duì)污泥耐藥性的影響 [D]. 上海:東華大學(xué), 2014.

[18] Sheng Guoping, Yu Hanqing. Characterization of extracellular polymeric substances of aerobic and anaerobic sludge using three-dimensional excitation and emission matrix fluorescence spectroscopy [J]. Water. Res., 2006,40(6):1233-1239.

[19] APHA, 1998. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 20thed [S]. American Public Health Association, Washington, DC.

[20] Baker Andy, Inverarity Roger, Charlton Martin, et al. Detecting river pollution using fluorescence spectrophotometry: case studies from the Ouseburn, NE England [J]. Environmental Pollution, 2003,124(1):57-70.

[21] Baker Andy. Thermal fluorescence quenching properties of dissolved organic matter [J]. Water Res., 2005,39(18):4405-4412.

[22] Chen Wen, Westerhoff Paul, Leenheer Jerry A, et al. Fluorescence excitation-emission matrix regional integration to quantify spectra for dissolved organic matter [J]. Environ Sci Technol, 2003,37(24):5701-5710.

[23] 羅茜,馬宏瑞,朱超,等.外源和內(nèi)源呼吸模式下好氧活性污泥的微生物群落演替及生物活性特征 [J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué), 2013,22(12):1887-1892.

[24] Yu Huibin, Song Yonghui, Liu Ruixia, et al. Identifying changes in dissolved organic matter content and characteristics by fluorescence spectroscopy coupled with self-organizing map and classification and regression tree analysis during wastewater treatment [J]. Chemosphere, 2014,113:79-86.

[25] Yu Huibin, Song Yonghui, Tu Xiang, et al. Assessing removal efficiency of dissolved organic matter in wastewater treatment using fluorescence excitation emission matrices with parallel factor analysis and second derivative synchronous fluorescence. Bioresour. Technol., 2013,144:595-601.

[26] 姚璐璐,涂響,于會(huì)彬,等.三維熒光區(qū)域積分評(píng)估城市污水中溶解性有機(jī)物去除 [J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2013,7(2):411-416.

[27] He Xiaosong, Xi Beidou, Li Xiang, et al. Fluorescence excitation-emission matrix spectra coupled with parallel factor and regional integration analysis to characterize organic matter humification [J]. Chemosphere, 2013,93(9):2208-2215.

[28] Hur Jin, Lee Doo-hee, Shin Hyun-Sang. Comparison of the structural, spectroscopic and phenanthrene binding characteristics of humic acids from soils and lake sediments [J]. Organic Geochemistry, 2009,40(10):1091-1099.

The characteristics of extracellular polymeric substances and intracellular polymeric substances in activated sludge fed with tetracycline.

ZHANG Jun-ke1,2,3, ZENG Ping2,3,4*, SONG Yong-hui2,3, Yu Hui-bin2,3, GUAN dong-ming1,LIU Rui-xia2,3(1.School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；3.Department of Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；4.State Environmental Protection Key Laboratory of Microorganism Application and Risk Control (MARC), Tsinghua University, 100084 Beijing, China). China Environmental Science, 2016,36(3)：751～758

Abstract：Extracellular polymeric substances (EPS) and intracellular polymeric substances (IPS) of activated sludge feeding with tetracycline were divided into four parts, soluble extracellular polymeric substances (slime), loosely bound EPS (LB), tightly bound EPS (TB), intracellular polymeric substances (IPS) after extractionby centrifuge and ultrasonic process. Protein and polysaccharide were detected with BCA and anthrone-sulfuric acid method. At the same time, 3Dexcitation-emission spectral scan (EEM) and synchronous fluorescence spectrum scan (SFS) were applied to quantitatively and qualitatively analyze DOM in EPS and IPS. The results showed that the content of protein and polysaccharide in EPS was higher than that in IPS, and the content of protein was higher than that of polysaccharide. In slime and IPS, the content of protein and polysaccharide was higher than that in LB and TB. Tryptophan-like with low and high excitation wavelength was the main component of EPS and IPS. The content of microbial byproducts and aromatic proteins increased gradually in slime, LB, TB and IPS, while the refractory organic humic-like decreased. Influent tetracycline concentration has good correlation with DOM of EPS and IPS from activated sludge. And the DOM detected by EEM had good correlation with protein detected by chemical test.

作者簡(jiǎn)介：張俊珂(1991-),女,河南安陽人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗廴究刂?

基金項(xiàng)目：國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07203-002);國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境微生物利用與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(NO.MARC 2012D008),環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金

收稿日期：2015-06-28

中圖分類號(hào)：X703.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2016)03-0751-08