胞外聚合物在微生物細胞吸附藥物中的作用探析

劉吉

摘?要：本文就胞外聚合物在微生物細胞吸附藥物中的作用進行實驗設計，分析出胞外聚合物是微生物細胞藥物吸附作用的關鍵要素，但并非全部要素，無胞外聚合物的微生物細胞對藥物仍具有一定的吸附作用，推測與微生物細胞自身結構特征、活性有關。但ESP能夠大大加強微生物細胞的藥物吸附作用。

關鍵詞：胞外聚合物;微生物細胞吸附藥物;作用

1 胞外聚合物的概念

胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）是微生物在特定環(huán)境下分泌的一種高分子聚合物，主要由細菌分泌產(chǎn)生。其成分和微生物細胞內(nèi)成分基本一致，是多糖、蛋白質(zhì)、核酸等聚合物組成的高分子物質(zhì)。

研究表明，胞外聚合物在活性污泥絮體內(nèi)和表面普遍存在，可通過吸附作用將外界環(huán)境中零散的營養(yǎng)成分富集起來，并通過胞外酶降解為小分子材料后吸收到細胞內(nèi)，從而提高自身營養(yǎng)供給。近期研究表明，胞外聚合物在抵御殺菌劑和對細胞有害的毒性物質(zhì)時也有良好表現(xiàn)。

2 試驗設計

2.1 材料與設備

涉及材料有CIP、SMX、ACP、SA、BSA、多種金屬鹽類化合物;甲醇、甲酸、甲酸銨等試劑;活性污泥取自周邊污水處理廠周圍。

涉及儀器有相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、SPE萃取儀、HLB固相萃取小柱、純水機、等離子體發(fā)射光譜儀、變換紅外光譜儀、電位分析儀、干燥劑、離心機、超聲波儀等。

2.2 EPS獲取

對活性污泥進行初步處理后，離心提取并使用純水清洗，冷凍干燥后得到活性污泥微生物胞體，獲得樣本1;應用陽離子樹脂交換法提取污泥中EPS，離心并使用濾膜處理，獲得樣本2;使用純水清洗提取EPS后污泥，冷凍干燥后獲得不含EPS的微生物胞體，獲得樣本3。分別得到3份樣本，樣本1：微生物胞體;樣本2：純EPS;樣本3：不含EPS微生物胞體;

3 實驗和結果

3.1 紅外光譜分析

根據(jù)實驗光譜分析結果，樣本1和樣本2的紅外光譜分布特征基本一致，這提示兩者在官能團上基本相同。同時兩者的蛋白質(zhì)和多糖頻段的振動頻率相差不大，相差不足150cm-1，再結合金屬離子存在頻段進行分析后可以認定微生物胞體對金屬離子存在名曲的吸附作用，并且這一吸附作用和微生物胞體表面EPS密切聯(lián)系（不排除胞體結構對金屬離子具有一定吸附作用，只是可認定EPS具有較強的吸附金屬離子的效果。）

3.2 改變pH實驗

將樣本分別置于不同pH環(huán)境下，發(fā)現(xiàn)隨著pH變化吸附作用發(fā)生改變。主要變化為：隨著pH增加實驗藥物的固液分配系數(shù)指數(shù)型減少，推測與實驗藥物表面陽離子在pH影響下向陰離子轉(zhuǎn)變以及細胞表面負電勢逐漸降低有關。然而多種實驗藥物均呈現(xiàn)這一特征，這提示pH可影響細胞表面對金屬離子的架橋作用而使吸附能力發(fā)生改變。不過無論pH如何改變，樣本1、樣本2的對藥物的最大吸附容量均高于樣本3，這提示EPS對金屬離子具有良好的吸附作用。

3.3 添加不同金屬離子的吸附效果

添加不同濃度的金屬離子時EPS的固液分配系數(shù)會發(fā)生改變，這提示EPS對不同金屬離子的吸附能力存在差異。對各類金屬離子進行分類匯總后發(fā)現(xiàn)，添加金屬離子為2價時，以pH=7為外部環(huán)境，隨著金屬離子濃度的增加，EPS的固液分配系數(shù)逐漸增加，該項結果提示EPS對金屬離子的吸附作用隨著濃度增加而增加（金屬離子價位不變，外部pH環(huán)境不變時），但是當吸附能力達到最大值后，濃度的增加會阻礙EPS對金屬離子的吸附能力，推測可能是過量金屬離子在EPS上吸附點上具有競爭機制，提示EPS對金屬離子的吸附能力具有飽和值，該飽和值與最大吸附值接近。當添加金屬離子為3價時，以pH=7為外部環(huán)境，隨著金屬離子濃度的增加，EPS的固液分配系數(shù)逐漸增加，該項該項結果提示EPS對金屬離子的吸附作用隨著濃度增加而增加（金屬離子價位不變，外部pH環(huán)境不變時），同時也出現(xiàn)了添加2價金屬離子時的特點，超過最大吸附值后EPS吸附能力逐漸降低。

當添加不同金屬離子時發(fā)現(xiàn)，同等濃度下EPS對2價鎂離子吸附能力高于高于3價鐵離子，推測可能是因為鎂離子具有更大的離子半徑，因此在吸附點上有更強的競爭力。但是同時加入ACP與金屬離子時發(fā)現(xiàn)（pH=7），EPS對ACP的吸附能力不受到金屬離子的影響，推測這是由于在pH=7的環(huán)境下ACP處于分子態(tài)，ACP與EPS之間的作用機制以親疏水性為主，離子正負電性影響效果無關，提示正負電性是EPS吸附離子態(tài)物質(zhì)的主要機制。

4 結論

（1）胞外聚合物是微生物細胞藥物吸附作用的關鍵要素，但并非全部要素，無胞外聚合物的微生物細胞對藥物仍具有一定的吸附作用，推測與微生物細胞自身結構特征、活性有關。但ESP能夠大大加強微生物細胞的藥物吸附作用。

（2）pH值會對微生物細胞藥物吸附作用產(chǎn)生顯著影響，推測與pH可影響藥物在水中的存在形態(tài)以及微生物細胞表面電位，當藥物在水中以離子態(tài)存在是，其離子半徑越大，吸附點競爭力越大，吸附能力越強，而分子態(tài)并不會受到吸附點競爭機制的影響。因此，需要根據(jù)實際情況確定是利用吸附點競爭機制或親疏水性質(zhì)實現(xiàn)吸附，兩種機制作用效果不同，但相互影響并不明顯。

（3）在吸附飽和值之前，濃度增加可提高微生物細胞藥物吸附能力，飽和值之后，濃度增加會因競爭機制導致微生物細胞藥物吸附能力降低。因此應用EPS進行藥物吸附或離子吸附時，需要根據(jù)溶液中離子分布濃度進行計算，以單位EPS吸附容量為限度添加EPS，使之達到配比的平衡，以達到最大吸附值。

（4）當物質(zhì)以離子態(tài)存在時，pH的增加可提高微生物細胞表面金屬離子架橋作用，從而提高微生物細胞的藥物吸附作用。因此想要提高單位微生物細胞離子吸附能力，可適當調(diào)高pH來增強其吸附作用。

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