微生物胞外聚合物在環境工程中的應用進展

徐斌　楊繼飛　劉駿

摘要：近年來，微生物胞外聚合物（EPS）因其出色的絮凝和吸附性能，被廣泛應用于給水處理、污水處理和污泥處理等領域中。許多學者開展了EPS處理實際廢水的實驗研究，結果均表明EPS有較好的研究價值和應用前景。在當今環境污染日益嚴重的背景下，EPS作為一種新型的絮凝劑、吸附劑，將其規模化生產、應用，可以在很大程度上減輕環境負擔。本文主要就對微生物胞外聚合物在環境工程中的應用進展進行分析和探討。

關鍵詞：微生物胞外聚合物；環境工程；應用進展

1 EPS的提取

提取EPS首先要破壞菌膠團的絮體結構，再將EPS從細胞表面剝離下來。目前EPS的提取技術已經較為成熟，提取方法分為物理法和化學法，前者對微生物細胞破壞程度較小，如高速離心、超聲破碎、加熱等；后者除了對細胞有一定破壞以外，還會引入其他藥劑，在成分分析時構成一定干擾，常用化學方法有陽離子交換樹脂法（CER法）、NaOH法、硫酸法等。酸堿法是利用H+或OH。進入污泥絮體內部，與EPS進行化學反應，改變物質的水溶性將其提取出來；CER法是將EPS中連接細胞表面的陽離子交換出來，使菌膠團解絮，EPS脫離細胞表面；加熱法則是通過加熱使污泥結構松散，利于提取，另一方面增大各成分的溶解性；超聲則是利用剪切力和空穴形成的壓力沖擊來剝離細胞表面的EPS。因此，EPS的提取量與不同成分所占比例很大程度上取決于提取方法。

2微生物胞外聚合物在環境工程中的應用進展

2.1.1給水處理

近年來，利用不同菌株產生的EPS來處理和修復微污染原水受到了廣泛關注。有研究表明，單獨投加EPS無法有效絮凝和吸附去除原水中的污染物，因此許多學者提出將EPS與無機絮凝劑聯用，利用無機絮凝劑的吸附電中和、壓縮雙電層作用，以及EPS大分子的吸附架橋作用，不僅可以強化對污染物的去除，還能減少無機絮凝劑的投加量。多數研究均表明，EPS可作為傳統無機絮凝劑的替代或輔助品，但是生物絮凝劑制備過程繁瑣，生產費用高，應用受到限制；此外，由于微生物可能會產生污染物，在處理飲用水時存在一定的風險。因此，EPS在水處理領域的安全應用，還需要更進一步的研究。

2.1.3污泥脫水

EPS被認為是影響污泥脫水性能的最主要因素。因為EPS分布在細胞周圍，阻礙細胞之間的接觸，從而形成密實的凝膠，阻止結合水從凝膠的微孔擠出，使污泥脫水性能變差。周俊等考察了污泥不同層EPS剝離前后對污泥脫水性能的影響，結果表明污泥黏液層的影響最顯著，黏液層與TB含量越高越不利于污泥脫水，而LB在一定程度上促進污泥脫水。這與S.F.Yang等和王紅武等得出的結論類似。最近，人們開始研究EPS作為生物絮凝劑在污泥脫水中應用。比如QiYang等將克雷白氏桿菌EPS用于污泥脫水，與明礬、PAC和PAM等相比，表現出相似的脫水效果。他們還發現，將EPS用于前處理或者與明礬聯用，可以顯著降低污泥比阻，提高污泥含固率。ZhiqiangZhang等也報道稱將奇異變形桿菌EPS與CaCl，聯用，不僅能強化污泥脫水，而且有利于污泥調節。

2.2金屬去除和回收

目前，EPS在廢水處理領域的另一個突出貢獻是重金屬的去除。由幾種不同菌種產生的EPS（如芽孢桿菌Bacillus、鹽單胞菌Halomonas、草螺菌Herbaspifillum、假單胞菌Pseudomonas和類芽孢桿菌PaenibaciHus）被認為是工業廢水處理中頗具應用前景的絮凝劑。在這項研究中，當添加最適濃度的EPS（1-10mg/L）時可觀察到pb2+、zn2+和Hg2+的去除率較高（大于50%），而且EPS僅在高濃度（1000mrdL）時才能有效去除Cd2+。通過提升溫度（高達45℃）可顯著增強EPS對cd2+的去除能力（達95%）。能分泌EPS的假單胞菌被觀察到能夠耐受培養基中的cd2+（2mmol/L及以上），并且其耐受力與菌體產生的EPS濃度直接相關。

2.3有毒有機物的去除

EPS具有去除廢水、污泥和土壤中多種有毒有機物的能力。微生物降解多環芳烴（PAHs）被認為是最可行的生物修復技術。據報道，細菌產生的EPS可用于去除污染土壤中的PAHs。原位接種可降解PAHs的細菌，其產生的EPS能夠有效清理受PAHs污染的土壤和沉積物。Jia等在2011年報道EPS對PAHs的降解具有至關重要的作用。EPS和PAHs的相互作用被認為是自發和放熱的過程，EPS和PAHs的聯結主要受疏水作用控制。EPS具有表面活性，使疏水性底物溶解。有機菲fPHE）降解過程主要發生在硅膠油一水界面。細菌通過分泌EPS來克服PHE的傳質限制，從而促進PHE在硅油中的溶解。EPS能夠促進PHE在水中的傳質，從而提高PHE的生物有效性。

2.4土壤修復和再生

生物降解最近被認為是最具潛力的土壤修復技術之一，尤其是在受到碳氫化合物污染的兩極地區。許多研究集中在生物膜反應器對難降解化合物的修復。生物膜由EPS承載的微生物群落組成。生物膜具有更高的微生物量，可以降解難降解化合物，而且生物膜可通過EPS來固定化合物。同時可加強基因在生物膜微生物群落中的轉移，并且它們的趨化性使得生物膜適合于生物修復。在最近的研究中，生物膜顯示了非常強（97%）的生物降解能力。生物修復的成功應用依賴于微生物的降解能力和原位環境條件。生物修復可以通過基因工程來提高效率。微生物的趨化性能、混合培養生物膜和理化條件的優化是基因工程的關注點。

結語

目前EPS的提取過程較為繁瑣且產量低，是現有EPS研究和應用的主要障礙之一。因此，未來的工作應該完善現有的提取方法，尋找EPS的高產微生物；并且還需要加大對EPS組成和作用原理的研究力度，加深對EPS的認識；在此基礎上開發先進的分析技術，提高研究效率和準確度。