厭氧氨氧化系統(tǒng)胞外多聚物的特點(diǎn)及影響*

萬家秀，何碧紅，謝偉雪，周 峰，牛愛娣，展?fàn)幤G，陳 臻

(蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730000)

厭氧氨氧化(Anammox)是指在厭氧條件下以氨為電子供體，亞硝酸鹽為電子受體，將氨轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^程[1]。相較于傳統(tǒng)的硝化-反硝化脫氮技術(shù)，厭氧氨氧化技術(shù)具有無需供氧、節(jié)省能耗，自養(yǎng)脫氮、無碳源需求，污泥產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)。故厭氧氨氧化技術(shù)備受研究者青睞。但同時(shí)厭氧氨氧化菌生長緩慢，生長條件苛刻，富集困難，極易受到外界環(huán)境條件的影響的特點(diǎn)，導(dǎo)致厭氧氨氧化工藝在工程應(yīng)用上脫氮效率不高。胞外多聚物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)是微生物聚集體的骨架，EPS可視為生物聚合物，其組合物包括蛋白質(zhì)(PN)、多糖(PS)、核酸和腐植酸(HA)。EPS的基質(zhì)對微生物聚集體和污泥的性質(zhì)，包括絮凝能力、沉降能力、表面性質(zhì)、脫水能力和吸附能力都是重要的。可以促進(jìn)形成顆粒污泥，維持微生物細(xì)胞的穩(wěn)定性，可以將營養(yǎng)物質(zhì)吸附于細(xì)胞壁，在外界環(huán)境中基質(zhì)營養(yǎng)匱乏時(shí)供細(xì)胞利用。可見，在生理層面，胞外多聚物的性質(zhì)決定它有利于厭氧氨氧化系統(tǒng)維持動態(tài)穩(wěn)定，從而提高脫氮效率。但是近些年，有關(guān)微生物的EPS研究主要聚焦在顆粒污泥形成的過程，而對EPS特點(diǎn)以及厭氧氨氧化系統(tǒng)脫氮性能的影響的研究較少。本文從厭氧氨氧化菌胞外多聚物的特點(diǎn)及應(yīng)用兩個(gè)維度進(jìn)行分析。

1 厭氧氨氧化菌胞外多聚物的組成及特點(diǎn)

1.1 胞外多聚物的組成

主要成分為蛋白質(zhì)(PN)、多糖(PS)及腐殖質(zhì)(HS)和磷酸等物質(zhì)組成，各組分的占比與分析時(shí)體系基質(zhì)種類、基質(zhì)負(fù)荷、水力剪切力溶解氧以及采用的提取方法等條件有關(guān)。諸多廢水生物處理系統(tǒng)中的研究顯示，EPS中主要以PN和 PS為主，占到總量的75%～89%,PN的作用多為催化反應(yīng)進(jìn)行、加速污染物的降解、絡(luò)合金屬陽離子[2]； PS的活性側(cè)鏈長碳主鏈結(jié)構(gòu)是EPS具有高絮凝性能的主要原因。以下介紹兩類通過精密技術(shù)測出來得更深層次的厭氧氨氧化系統(tǒng)的胞外多聚物組成及特征。

1.1.1 含氮化合物

厭氧氨氧化系統(tǒng)胞外多聚物中含氮化合物的主要成分是木質(zhì)素物質(zhì)，其次是蛋白質(zhì)和具有稠和芳香結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)證明，具有較高飽和度，較低分子量和較高木質(zhì)素性質(zhì)的溶解有機(jī)質(zhì)更易于被厭氧氨氧化系統(tǒng)胞外多聚物吸收[3]。

1.1.2 陰離子聚合物

厭氧氨氧化系統(tǒng)胞外多聚物中存在相當(dāng)于1.6%的唾液酸和2.4%的硫酸氨基糖聚糖[4]。這些負(fù)電荷成分的功能包括保護(hù)細(xì)胞、細(xì)胞或細(xì)胞基質(zhì)粘附、清除其他成分和參與生物礦化，在真核生物系統(tǒng)中，唾液酸起著細(xì)胞識別的作用[5]；硫酸氨基糖聚糖位于細(xì)胞表面，具有細(xì)胞識別和粘附細(xì)胞外基質(zhì)成分的功能[6]。而在原核生物中發(fā)現(xiàn)的唾液酸和硫酸糖胺聚糖大多與微生物與宿主的相互作用有關(guān)，它們模擬宿主的細(xì)胞外基質(zhì)成分，繞過其免疫系統(tǒng)。這些聚合物在生物膜外基質(zhì)中是否也像在多細(xì)胞真核細(xì)胞、原核微生物中一樣具有類似的作用，對生物膜基質(zhì)的組成和功能的研究具有一定的幫助。

1.2 胞外多聚物的特點(diǎn)

1.2.1 吸附

EPS可以吸附重金屬，原因是其主要成分一般是PN、HS和PS等，由于這些物質(zhì)的化學(xué)鍵在空間延伸十分豐富，具有羧基、磷酸基、硫酸基、氨基、苯酚基、羥基等多種活性基團(tuán)，加之較大的表面積。通過眾多的官能團(tuán)以靜電作用或絡(luò)合作用達(dá)到吸附的效果；而且，在EPS中還存在疏水區(qū)域，通過疏水作用可以將非極性的有機(jī)污染物進(jìn)行吸附[7]。這些由 EPS吸附的物質(zhì)一部分被微生物利用，另一部分成為胞外多聚物的組分。

適中的pH值對于有效的吸附至關(guān)重要，有研究表面，EPS吸附能力隨著pH值從6.3增加到8.3而下降[8]。考慮到厭氧氨氧化細(xì)菌最合適的pH值是8.0左右，在進(jìn)行EPS吸附研究時(shí)，對于平衡EPS吸附和厭氧氨氧化活性的最佳pH是十分必要的。

1.2.2 群體感應(yīng)

群體感應(yīng)(QS)是微生物之間信息交流的一種方式，微生物能根據(jù)菌群密度和周圍環(huán)境變化合成并釋放一種被稱為自誘導(dǎo)物質(zhì)的信號分子，用以調(diào)控細(xì)菌群體功能的作用，有研究表明，好氧顆粒污泥的群體感應(yīng)系統(tǒng)能夠調(diào)控EPS的產(chǎn)生及化合物比例組成[9]。

2 影 響

2.1 胞外多聚物在去除對溶解有機(jī)氮的影響

厭氧氨氧化已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了極高的無機(jī)氮負(fù)荷率，但是處理有機(jī)氮的性能不佳。污水處理廠出水富含有機(jī)氮，經(jīng)過細(xì)菌的礦化作用，轉(zhuǎn)化為環(huán)境中的無機(jī)氮，促進(jìn)了水體富營養(yǎng)化[10]。胞外聚合物具有明顯的疏水性，參與吸附溶解有機(jī)質(zhì)，例如具有疏水性的溶解態(tài)含氮化合物，包括硌氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸。可以通過研究胞外多聚物與溶解有機(jī)質(zhì)的相互作用機(jī)理，來優(yōu)化厭氧氨氧化工藝流程，以達(dá)到在高無機(jī)氮負(fù)荷的基礎(chǔ)上去除有機(jī)氮的目的。調(diào)整適當(dāng)?shù)膒H值和添加金屬陽離子，可實(shí)現(xiàn)對有機(jī)和無機(jī)氮的高脫除率。前者促進(jìn)EPS對溶解性有機(jī)質(zhì)的吸附，后者可以促進(jìn)厭氧氨氧化對有機(jī)氮的吸收，加速有機(jī)氮的水解，并在短時(shí)間內(nèi)修復(fù)被破壞的細(xì)菌。

2.2 胞外多聚物促進(jìn)厭氧氨氧化與反硝化協(xié)同脫氮

厭氧氨氧化反應(yīng)方程式如下：

可見，Anammox反應(yīng)在消耗一分子氨氮的同時(shí)生成0.26分子的硝氮，理論脫氮率達(dá)不到工業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。電子計(jì)量學(xué)分析表明：反硝化過程有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為CO2，為厭氧氨氧化菌提供了碳源，促進(jìn)了厭氧氨氧化地進(jìn)行；而厭氧氨氧化過程產(chǎn)生的硝態(tài)氮可以被反硝化菌利用[11]。因此研究者們將目光集中在通過反硝化作用消除所生成的硝氮，提高脫氮率。例如，研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)物沖擊下，系統(tǒng)中發(fā)生一定程度的反硝化作用，但厭氧氨氧化反應(yīng)仍占主導(dǎo)地位.厭氧氨氧化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)相互促進(jìn)，協(xié)同去除系統(tǒng)中的總氮，從而提高總氮去除率[12]。

反硝化作用過程需要有機(jī)碳源，而厭氧氨氧化系統(tǒng)合成過多胞外多聚物是高分子有機(jī)物，若能將胞外多聚物利用為碳源，那么可以在提升厭氧氨氧化系統(tǒng)脫氮效率的基礎(chǔ)上節(jié)約額外添加碳源的成本。主要手段為通過種種手段分解胞外多聚物，使胞外多聚物成為溶解有機(jī)質(zhì)，從而能被厭氧氨氧化系統(tǒng)里的反硝化菌利用。由于胞外多聚物與顆粒污泥的形成有關(guān)，所以在分解胞外多聚物的過程中需要關(guān)注顆粒污泥結(jié)構(gòu)是否散體。

2.3 胞外多聚物在厭氧氨氧化顆粒污泥形成中的影響

厭氧氨氧化顆粒污泥具有高的總氮去除速率、抗沖擊負(fù)荷能力以及良好的沉降性能，被認(rèn)為是保留厭氧氨氧化菌的有效方法。

厭氧氨氧化菌大部分分布在顆粒污泥的內(nèi)部，以微小菌落群的形式存在菌體排列緊密，且顆粒表面存在其他微生物，例如氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌等。活性良好的厭氧氨氧化顆粒污泥呈紅棕色，具有沉降性能好、處理效率高、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等特性。胞外多聚物的主要成分為多糖和蛋白質(zhì)。普遍認(rèn)為，胞外多聚物可以改變細(xì)菌絮體的表面特性和顆粒污泥的物理特性，促進(jìn)細(xì)胞間的凝聚和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。但也有研究者發(fā)現(xiàn)，胞外多聚物中的多糖成分過多，反而不利于反應(yīng)器的穩(wěn)定-過多多糖的粘附性容易結(jié)合微小氣泡，導(dǎo)致顆粒污泥比重下降。在厭氧氨氧化顆粒污泥形成過程中，多個(gè)小顆粒聚集在一起，小顆粒之間存在供基質(zhì)或氣體傳遞和擴(kuò)散的空隙。

厭氧氨氧化顆粒污泥產(chǎn)生過量胞外多聚物，易堵住顆粒污泥內(nèi)部與外界連接的通道。當(dāng)?shù)?fù)荷率過高時(shí)，厭氧氨氧化顆粒污泥的生長加快，粒徑增大，有學(xué)者的研究中觀察發(fā)現(xiàn)不同粒徑的厭氧氨氧化顆粒污泥表面及內(nèi)部都存在氣體通道，但上浮的顆粒污泥中沒有釋放氣體的通道，或氣體通道被堵塞，而沉淀性能好的顆粒污泥卻存在釋放氣體的通道。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)氣道堵塞的原因是，在氮負(fù)荷率過高的情況下，厭氧氨氧化顆粒污泥產(chǎn)生大量的胞外多聚物堵塞氣道，從而使N2被截留在顆粒污泥內(nèi)部而形成氣囊。而且上浮顆粒污泥一般比沉降性能良好的顆粒污泥具有更高含量的胞外多聚物。

2.4 胞外多聚物對砷移動的影響

3 結(jié) 語

EPS是由不同分子量(1～2000 kDa)的聚合物組成的復(fù)雜多分散混合物；很多研究都表明不同分子量EPS在金屬結(jié)合和礦物吸附等性質(zhì)上存在巨大的差異。不同分子量EPS在礦物表面的選擇性吸附會影響其在環(huán)境中的分布并進(jìn)一步影響金屬離子的還原轉(zhuǎn)化，但是目前關(guān)于不同分子量EPS組分還原能力的差異尚不清楚。

由于胞外多聚物在微生物生長過程各方面的影響，很多學(xué)者從不同的角度進(jìn)行應(yīng)用方面的研究，有學(xué)者通過改變陽極電壓來調(diào)節(jié)電活性生物膜(EABs)中胞外聚合物的數(shù)量和組成，結(jié)果表明，0 V電壓條件下生長的EAB比-0.2、0.2和0.4 V下生長的EAB具有更高的抗沖擊能力，且具有最高的松散結(jié)合胞外聚合物(LB-EPS)和緊密結(jié)合胞外聚合物(TB-EPS)“密度”。通過傅里葉變換紅外光譜(FTIR)結(jié)合同步異步二維相關(guān)光譜(2D-COS)進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)生物膜中LB-EPS的氧和氮官能團(tuán)(即酰胺、羰基C=O、酚和C-O-C)與Ag+反應(yīng)，防止其滲透到細(xì)胞中[14]。

厭氧氨氧化系統(tǒng)胞外多聚物主要由含氮化合物和陰離子聚合物，前者與水體中的溶解性有機(jī)氮物質(zhì)有關(guān)，后者起到細(xì)胞識別的作用。胞外多聚物易吸附的性質(zhì)導(dǎo)致胞內(nèi)胞外界面處充斥著奇妙的運(yùn)輸和反應(yīng)過程，這是一個(gè)很值得深入研究的點(diǎn)。胞外多聚物在厭氧氨氧化系統(tǒng)的應(yīng)用有兩個(gè)，一是進(jìn)行有機(jī)氮的去除，二是一般市政污水普遍存在的C/N低特性限制了傳統(tǒng)生物法的完全反硝化脫氮，同時(shí)，其出水COD中較高比例的生物代謝產(chǎn)物阻礙了污水出水水質(zhì)的提高。EPS分解為碳源可以促進(jìn)反硝化作用，并且降低出水COD值，前者已經(jīng)有一定成效，后者還停留在理論可行階段。其中Su[15]課題組基于有機(jī)氮、EPS和SMP探究了單一菌種低C/N反硝化策略,不同C/N環(huán)境下，在培養(yǎng)了48h后，菌株YSF15在C/N=1～5中的氮元素氣體轉(zhuǎn)化率分別為27.44%、65.10%、89.03%、85.29%和82.95%。胞內(nèi)氮占比少于10%，證實(shí)了菌株YSF15對氮的去除主要取決于反硝化途徑而不是同化過程，而且更多的碳源有助于提高反硝化性能。而且該團(tuán)隊(duì)在不同C/N培養(yǎng)條件下發(fā)現(xiàn)PS和PN變化趨勢是相近的，但在時(shí)間上有著明顯差異。PS峰值要早于PN，且在時(shí)間上與菌株YSF15的反硝化過程重疊，證明PS的高降解性表明其可作為碳源用于反硝化。那么EPS是可以供給細(xì)菌生長和代謝活動的，對于促進(jìn)市政污水的生物反硝化處理節(jié)約碳源投入，降低水中出水COD含量及碳中和都是具有相當(dāng)重要的意義。