厌氧氨氧化系统胞外多聚物的特点及影响*

万家秀，何碧红，谢伟雪，周 峰，牛爱娣，展争艳，陈 臻

(兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州 730000)

厌氧氨氧化(Anammox)是指在厌氧条件下以氨为电子供体，亚硝酸盐为电子受体，将氨转化为氮气的过程[1]。相较于传统的硝化-反硝化脱氮技术，厌氧氨氧化技术具有无需供氧、节省能耗，自养脱氮、无碳源需求，污泥产量等优点。故厌氧氨氧化技术备受研究者青睐。但同时厌氧氨氧化菌生长缓慢，生长条件苛刻，富集困难，极易受到外界环境条件的影响的特点，导致厌氧氨氧化工艺在工程应用上脱氮效率不高。胞外多聚物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)是微生物聚集体的骨架，EPS可视为生物聚合物，其组合物包括蛋白质(PN)、多糖(PS)、核酸和腐植酸(HA)。EPS的基质对微生物聚集体和污泥的性质，包括絮凝能力、沉降能力、表面性质、脱水能力和吸附能力都是重要的。可以促进形成颗粒污泥，维持微生物细胞的稳定性，可以将营养物质吸附于细胞壁，在外界环境中基质营养匮乏时供细胞利用。可见，在生理层面，胞外多聚物的性质决定它有利于厌氧氨氧化系统维持动态稳定，从而提高脱氮效率。但是近些年，有关微生物的EPS研究主要聚焦在颗粒污泥形成的过程，而对EPS特点以及厌氧氨氧化系统脱氮性能的影响的研究较少。本文从厌氧氨氧化菌胞外多聚物的特点及应用两个维度进行分析。

1 厌氧氨氧化菌胞外多聚物的组成及特点

1.1 胞外多聚物的组成

主要成分为蛋白质(PN)、多糖(PS)及腐殖质(HS)和磷酸等物质组成，各组分的占比与分析时体系基质种类、基质负荷、水力剪切力溶解氧以及采用的提取方法等条件有关。诸多废水生物处理系统中的研究显示，EPS中主要以PN和 PS为主，占到总量的75%～89%,PN的作用多为催化反应进行、加速污染物的降解、络合金属阳离子[2]； PS的活性侧链长碳主链结构是EPS具有高絮凝性能的主要原因。以下介绍两类通过精密技术测出来得更深层次的厌氧氨氧化系统的胞外多聚物组成及特征。

1.1.1 含氮化合物

厌氧氨氧化系统胞外多聚物中含氮化合物的主要成分是木质素物质，其次是蛋白质和具有稠和芳香结构的物质。实验证明，具有较高饱和度，较低分子量和较高木质素性质的溶解有机质更易于被厌氧氨氧化系统胞外多聚物吸收[3]。

1.1.2 阴离子聚合物

厌氧氨氧化系统胞外多聚物中存在相当于1.6%的唾液酸和2.4%的硫酸氨基糖聚糖[4]。这些负电荷成分的功能包括保护细胞、细胞或细胞基质粘附、清除其他成分和参与生物矿化，在真核生物系统中，唾液酸起着细胞识别的作用[5]；硫酸氨基糖聚糖位于细胞表面，具有细胞识别和粘附细胞外基质成分的功能[6]。而在原核生物中发现的唾液酸和硫酸糖胺聚糖大多与微生物与宿主的相互作用有关，它们模拟宿主的细胞外基质成分，绕过其免疫系统。这些聚合物在生物膜外基质中是否也像在多细胞真核细胞、原核微生物中一样具有类似的作用，对生物膜基质的组成和功能的研究具有一定的帮助。

1.2 胞外多聚物的特点

1.2.1 吸附

EPS可以吸附重金属，原因是其主要成分一般是PN、HS和PS等，由于这些物质的化学键在空间延伸十分丰富，具有羧基、磷酸基、硫酸基、氨基、苯酚基、羟基等多种活性基团，加之较大的表面积。通过众多的官能团以静电作用或络合作用达到吸附的效果；而且，在EPS中还存在疏水区域，通过疏水作用可以将非极性的有机污染物进行吸附[7]。这些由 EPS吸附的物质一部分被微生物利用，另一部分成为胞外多聚物的组分。

适中的pH值对于有效的吸附至关重要，有研究表面，EPS吸附能力随着pH值从6.3增加到8.3而下降[8]。考虑到厌氧氨氧化细菌最合适的pH值是8.0左右，在进行EPS吸附研究时，对于平衡EPS吸附和厌氧氨氧化活性的最佳pH是十分必要的。

1.2.2 群体感应

群体感应(QS)是微生物之间信息交流的一种方式，微生物能根据菌群密度和周围环境变化合成并释放一种被称为自诱导物质的信号分子，用以调控细菌群体功能的作用，有研究表明，好氧颗粒污泥的群体感应系统能够调控EPS的产生及化合物比例组成[9]。

2 影 响

2.1 胞外多聚物在去除对溶解有机氮的影响

厌氧氨氧化已经实现了极高的无机氮负荷率，但是处理有机氮的性能不佳。污水处理厂出水富含有机氮，经过细菌的矿化作用，转化为环境中的无机氮，促进了水体富营养化[10]。胞外聚合物具有明显的疏水性，参与吸附溶解有机质，例如具有疏水性的溶解态含氮化合物，包括硌氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸。可以通过研究胞外多聚物与溶解有机质的相互作用机理，来优化厌氧氨氧化工艺流程，以达到在高无机氮负荷的基础上去除有机氮的目的。调整适当的pH值和添加金属阳离子，可实现对有机和无机氮的高脱除率。前者促进EPS对溶解性有机质的吸附，后者可以促进厌氧氨氧化对有机氮的吸收，加速有机氮的水解，并在短时间内修复被破坏的细菌。

2.2 胞外多聚物促进厌氧氨氧化与反硝化协同脱氮

厌氧氨氧化反应方程式如下：

可见，Anammox反应在消耗一分子氨氮的同时生成0.26分子的硝氮，理论脱氮率达不到工业中大规模应用的标准。电子计量学分析表明：反硝化过程有机碳转化为CO2，为厌氧氨氧化菌提供了碳源，促进了厌氧氨氧化地进行；而厌氧氨氧化过程产生的硝态氮可以被反硝化菌利用[11]。因此研究者们将目光集中在通过反硝化作用消除所生成的硝氮，提高脱氮率。例如，研究发现，有机物冲击下，系统中发生一定程度的反硝化作用，但厌氧氨氧化反应仍占主导地位.厌氧氨氧化反应和反硝化反应相互促进，协同去除系统中的总氮，从而提高总氮去除率[12]。

反硝化作用过程需要有机碳源，而厌氧氨氧化系统合成过多胞外多聚物是高分子有机物，若能将胞外多聚物利用为碳源，那么可以在提升厌氧氨氧化系统脱氮效率的基础上节约额外添加碳源的成本。主要手段为通过种种手段分解胞外多聚物，使胞外多聚物成为溶解有机质，从而能被厌氧氨氧化系统里的反硝化菌利用。由于胞外多聚物与颗粒污泥的形成有关，所以在分解胞外多聚物的过程中需要关注颗粒污泥结构是否散体。

2.3 胞外多聚物在厌氧氨氧化颗粒污泥形成中的影响

厌氧氨氧化颗粒污泥具有高的总氮去除速率、抗冲击负荷能力以及良好的沉降性能，被认为是保留厌氧氨氧化菌的有效方法。

厌氧氨氧化菌大部分分布在颗粒污泥的内部，以微小菌落群的形式存在菌体排列紧密，且颗粒表面存在其他微生物，例如氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌等。活性良好的厌氧氨氧化颗粒污泥呈红棕色，具有沉降性能好、处理效率高、抗冲击负荷能力强等特性。胞外多聚物的主要成分为多糖和蛋白质。普遍认为，胞外多聚物可以改变细菌絮体的表面特性和颗粒污泥的物理特性，促进细胞间的凝聚和结构的稳定。但也有研究者发现，胞外多聚物中的多糖成分过多，反而不利于反应器的稳定-过多多糖的粘附性容易结合微小气泡，导致颗粒污泥比重下降。在厌氧氨氧化颗粒污泥形成过程中，多个小颗粒聚集在一起，小颗粒之间存在供基质或气体传递和扩散的空隙。

厌氧氨氧化颗粒污泥产生过量胞外多聚物，易堵住颗粒污泥内部与外界连接的通道。当氮负荷率过高时，厌氧氨氧化颗粒污泥的生长加快，粒径增大，有学者的研究中观察发现不同粒径的厌氧氨氧化颗粒污泥表面及内部都存在气体通道，但上浮的颗粒污泥中没有释放气体的通道，或气体通道被堵塞，而沉淀性能好的颗粒污泥却存在释放气体的通道。进一步研究发现气道堵塞的原因是，在氮负荷率过高的情况下，厌氧氨氧化颗粒污泥产生大量的胞外多聚物堵塞气道，从而使N2被截留在颗粒污泥内部而形成气囊。而且上浮颗粒污泥一般比沉降性能良好的颗粒污泥具有更高含量的胞外多聚物。

2.4 胞外多聚物对砷移动的影响

3 结 语

EPS是由不同分子量(1～2000 kDa)的聚合物组成的复杂多分散混合物；很多研究都表明不同分子量EPS在金属结合和矿物吸附等性质上存在巨大的差异。不同分子量EPS在矿物表面的选择性吸附会影响其在环境中的分布并进一步影响金属离子的还原转化，但是目前关于不同分子量EPS组分还原能力的差异尚不清楚。

由于胞外多聚物在微生物生长过程各方面的影响，很多学者从不同的角度进行应用方面的研究，有学者通过改变阳极电压来调节电活性生物膜(EABs)中胞外聚合物的数量和组成，结果表明，0 V电压条件下生长的EAB比-0.2、0.2和0.4 V下生长的EAB具有更高的抗冲击能力，且具有最高的松散结合胞外聚合物(LB-EPS)和紧密结合胞外聚合物(TB-EPS)“密度”。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)结合同步异步二维相关光谱(2D-COS)进一步分析，发现生物膜中LB-EPS的氧和氮官能团(即酰胺、羰基C=O、酚和C-O-C)与Ag+反应，防止其渗透到细胞中[14]。

厌氧氨氧化系统胞外多聚物主要由含氮化合物和阴离子聚合物，前者与水体中的溶解性有机氮物质有关，后者起到细胞识别的作用。胞外多聚物易吸附的性质导致胞内胞外界面处充斥着奇妙的运输和反应过程，这是一个很值得深入研究的点。胞外多聚物在厌氧氨氧化系统的应用有两个，一是进行有机氮的去除，二是一般市政污水普遍存在的C/N低特性限制了传统生物法的完全反硝化脱氮，同时，其出水COD中较高比例的生物代谢产物阻碍了污水出水水质的提高。EPS分解为碳源可以促进反硝化作用，并且降低出水COD值，前者已经有一定成效，后者还停留在理论可行阶段。其中Su[15]课题组基于有机氮、EPS和SMP探究了单一菌种低C/N反硝化策略,不同C/N环境下，在培养了48h后，菌株YSF15在C/N=1～5中的氮元素气体转化率分别为27.44%、65.10%、89.03%、85.29%和82.95%。胞内氮占比少于10%，证实了菌株YSF15对氮的去除主要取决于反硝化途径而不是同化过程，而且更多的碳源有助于提高反硝化性能。而且该团队在不同C/N培养条件下发现PS和PN变化趋势是相近的，但在时间上有着明显差异。PS峰值要早于PN，且在时间上与菌株YSF15的反硝化过程重叠，证明PS的高降解性表明其可作为碳源用于反硝化。那么EPS是可以供给细菌生长和代谢活动的，对于促进市政污水的生物反硝化处理节约碳源投入，降低水中出水COD含量及碳中和都是具有相当重要的意义。