EPS胞外聚合物性质综合分析

1、EPS性质分析报告【概述】 胞外聚合物(EPS)是指附着在细菌表面或围绕在细菌周 围,用于自我保护和相互粘附，并在饥饿环境下为细菌提供碳源和能 量的有机物质，主要来源于细菌的分泌、细菌表面物质的脱落、细菌 溶解以及 对周围环境物质的吸附表1EPS的空间结构、组成成分及理化性质Table 1 Spa rial structure -coniposina coniponent and p h vicoc herujca properties of EPS柞niKin紧席粘附的内层同着性EPS(TB)【BEPS) 松眾附若的外區(LB)位于细胞低龙血，容种大分子排列緊密I I.耳细胞壁 貉仆半同.不

2、则鴉蒋,时洁性污昵絮体性质宰响较小位于IB W 一站掏松附.可间周円环境扩肢，无脚 显边缘.! I. fj浇动性.可第响汚观絮灘、脱水和机降札能落解性EP5 (SEPS)吨需孵性讹生物产物(£MP)笫施【P目蛊白戒(PN)曲足战左狗代谢及FI溶尊产生的大井子徇蛾游爲 于涪菠中.而非咂附在细胞萍表面，是生物赴理出水中 悟解性TOC成COD的主要组成部分具有荷度分彼的优学貂构，链分子问互相缠绕，交 错咸无定型网络鉛轉，起着吸附架桥忡川：貝冇轻基檢 基和蜡械基等殆负屯荷和亲水性胃储団H村丙鼠般半业筑厳、聽祗战爭带正电荷和顼本 性的氨棊酸窝能创:各种官能团也为吸附提粧吸附位点糊质和能晟空抿保

3、护和讎持作用改变混合液黏度吸附利網継性止电荷和员电荷性亲桶硫水性占EPS的比例较少.研究和应川较少PS (多糖)和PN (蛋白质)是EPS的主要组成成分，两者占 EPS质量的70 %80 %;以多种纯净物为基质时，PS是主要成分， 而污水处理厂的活性污泥中 PN是主要组成物质，在EPS中SEPS和 BEPS的质量分数在0. 6 %44. 0 %。EPS可分为紧密粘附EPS ( Tightly bound EPS,TB) 和松散附着 EPS (Loosely bound EPS, LB )。TB位于内层，与细胞表面结合较 紧,稳定地附着于细胞壁外，具有一定外形；LB位于TB外层，具有比 较松散的

4、结构，是可向周围环境扩展、无明显边缘的粘液层。EPS有着独特的空间结构和复杂的组成成分，其中BEPS（固着） 和SEPS（溶解性）主要起到物质和能量交换、保护和维持作用以及 改变混合液粘度等功能 , 而各种组成成分则能改变污泥的吸附絮凝性、 正负电性以及亲疏水性等理化特性。镧固定处理黄色粘球菌后用透射电镜观察发现 , EPS 围绕在细 菌周围并呈高电子密度的纤维网格状结构。 用电镜对非磷酸合成异养 菌进行的观察证实生物膜中的EPS是各种微生物产生的空间结构多样化的基质 , 并且相互间有明显的分隔界限。顾笑梅等证实Enterococcus du rans 产胞外多糖 EPS - I 具五糖重复单

5、元结构。 【对生物膜形成的影响】 生物膜是由细胞生物量和 EPS 组成的一 种混合微生物群体 , 其中 EPS 是生物膜的主要成分 , 又是生物膜上微 生物群体产生空间结构多样化的基质 , 因 EPS 而相互间存在明显的 分隔界限。不同环境条件下形成的生物膜的化学组成不同 , 所以 EPS 的化学组成也存在一些差异。 溶解态有机物生物膜 EPS 中 PS 的含量 要高于胶体态有机物生物膜 , PN 含量的变化与胶体态有机物的水解 过程相一致。研究表明 ,EPS 的存在有利于细菌粘附聚集到载体表面 形成生物膜 , 尤其是对细菌粘附到载体表面的初粘阶段 ; 若 EPS 含量 较少 , 细菌粘附到载

6、体表面就 会受到静电作用力的抑制 , 若 EPS 含量较多则会加强细菌的粘附和促 进细菌间粘附 ,可见 EPS 是生物膜形成所必须的。【防止EPS的措施】一些研究者发现，粉末活性炭（PAC）可以减少料液中的 EPS ,并形成生物活性炭 ,改变膜表面的凝胶层结构 , 保持较 高的膜通量。 KIM 等发现 , 从投加 PAC 的活性污泥上清液中萃取的 EPS的含量比普通活性污泥的减少了 50 %好氧颗粒污泥也可以很好 地包裹粘附 EPS ,降低其在膜表面的吸附量。此外 , 还可以定期选用 物理清洗或化学清洗来去除沉积在膜表面的EPS ,提高膜通量。EPS 是生物膜的重要组成部分 , EPS 的消除

7、与生物膜的消 除密不可分。生物膜的消除包括细菌的离散和 EPS 的崩解, 两者的 因果关系和具体的机制尚不清楚。 目前相关的机制研究有酶假说、 饥 饿假说。变形链球菌 NG8有一种外源性的表面释放蛋白酶，该酶能 释放一种表面蛋白如粘附素 P1 参与生物膜的崩解 7, 8 。伴放线放 线杆菌能产生一种外源性由 dspB 编码的氮 - 乙酰基- 葡糖基氨基酸 酶亦即 DspB, 该酶能导致细菌的离散和基质栅栏结构的崩解 9 。生 物膜微环境中氧压、 pH 值、温度、营养浓度等条件的变化可诱发伴 放线放线杆菌的 DspB 产生。一种观点认为 DspB 底物是四型菌毛 , 因而影响伴放线放线杆菌的粘附

8、和解聚集 ; 另一种则认为 DspB 的底 物是胞外多糖 , 多糖被 DspB 水解, 从而多糖基质降解 , 细菌离散。 DspB 这一作用类似于铜绿假单胞菌的褐藻酸裂解酶 , 即通过胞外 多糖解聚酶的方式崩解 EPS此外，E.coli K12 生物膜EPS的成分 Colanic acid 对生物膜复杂的三维结构和厚度的形成必不可少。对 生长期小于60 h的生物膜，使用DNA1酶处理后，发生定植微生物 的离散，说明胞外的DNA在生物膜形成的早期可能参与了结构的形 成。通过酶的方法来控制 EPS对移除或稳固生物膜可能是个好方法。饥饿假说认为铜绿假单胞菌生物膜中营养底物消耗 , 饥饿环境诱发 了生

9、物膜的崩解及细菌的离散。 影响生物膜消除的因 素有营养底物、 pH 值、流体剪切力、细菌间信号交流等。对格氏链 球菌研究中发现痕量元素铜也能影响生物膜的崩解 , 机械法、化学法 ( 如十二烷基硫酸钠 ) 对消除生物膜有积极作用 , 此外有报道称电 流即可诱导手术不锈钢器械上表皮葡萄球菌生物膜的崩解【EPS理化性质】 细菌胞外聚合物表现出的以下一些物化性质是它被广泛应用的原因:物理性质(1) 表面负电荷性。EPS中含有多种有机官能团，如羟基、羧基等， 这些官能团在溶液中呈负电荷性。(2) 吸附性。组成EPS的都是一些大分子物质，表面积很大，加上 表面的各种极性和非极性基团，使EPS具有吸附的能力

10、。(3) 絮凝性。组成EPS的官能团分子量较大，在适宜条件下，一个 分子可以同时与几个悬浮颗粒通过离子键、氢键的作用相结合 , 迅速 形成网状结构而沉积 , 从而表现出絮凝能力。 亲水疏水性。蛋白质、腐殖酸、尿酸是 EPS中的疏水性部分， 而糖类则是亲水性的主要成分。此外 , 胞外聚合物对其所附着的生物膜具有很多功能 , 例如移动 性、保护和维持作用化学性质 ：EPS 可吸附金属、 非金属、大分子物质 , 能与许多金属离子 Cd2+, Cu2+, Cr2+, Pb2+ 螯合形成单价、双价、多价阳离子与 EPS 阴离子 相结合的复合物。结合强度受离子大小 / 电荷的比值、 EPS 组成、物 理状态、pH值、离子盐溶液等影响。p