苯胺黑药高效降解菌(Bacillus vallismortis)胞外聚合物去除重金属的研究

微生物胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)在废水中重金属的吸附去除过程中起着非常重要的作用.苯胺黑药高效降解菌(Bacillus vallismortis)对苯胺黑药有良好的降解能力,但对其吸附重金属的性能研究还不充分.因此,本文采用3种方法提取苯胺黑药高效降解菌的EPS,主要考察了p H、温度、底物浓度和时间对重金属去除效果的影响.结果表明,热提法提取的效率较高;p H对金属离子吸附影响很大,当p H7时,随着p H变大吸附量逐渐升高,而温度对吸附量影响不大.EPS对Cu~(2+)、Zn~(2+)的去除为快速表面吸附过程,在第8 min时对Cu~(2+)、Zn~(2+)的去除率分别达到了90.7%、52.3%,EPS对Cu~(2+)、Zn~(2+)的吸附表观上符合拟二级动力学规律.在单一体系中,根据Langmuir方程计算出EPS对Cu~(2+)的最大吸附量为2.155 mg·mg-1,对Zn~(2+)的最大吸附量为0.508 mg·mg-1;Cu~(2+)吸附过程与Freundlich方程拟合效果较好,Zn~(2+)吸附过程与Langmuir方程拟合效果较好.红外光谱分析结果表明,EPS表面的羟基、氨基、酰胺基团、羧基和C—O—C基团都参与了吸附,且Cu~(2+)和Zn~(2+)的吸附位点基本一致,本文的研究结果对工程实践具有一定的理论指导意义.     

液/固体系Cu2+、Zn2+、Mn2+在硅藻土表面的吸附行为与特性

为了深入了解液/固体系Cu~(2+)、Zn~(2+)、Mn~(2+)在硅藻土表面的吸附行为与特性,为硅藻土在含重金属离子废水处理上的应用提供充分的理论依据,采用静态吸附试验对Cu~(2+)、Zn~(2+)、Mn~(2+)在硅藻土表面的吸附条件、性能、行为与特性进行了系统的研究.结果表明,硅藻土投加量和离子初始浓度对硅藻土吸附Cu~(2+)、Zn~(2+)、Mn~(2+)的影响均可归结为液/固比(液相离子与硅藻土的质量比)的影响,过高或过低的液固比均不利于吸附,硅藻土吸附Cu~(2+)、Zn~(2+)、Mn~(2+)所需的最佳液/固比分别为0.025、0.100和0.100.溶液初始pH值对硅藻土吸附Cu~(2+)、Zn~(2+)、Mn~(2+)的影响主要与溶液初始pH值与硅藻土等电点(2.0)之间的距离有关,接近或低于硅藻土等电点都不利于吸附,过高的pH值会使Cu~(2+)、Zn~(2+)、Mn~(2+)发生沉淀,也不利于吸附,硅藻土吸附Cu~(2+)、Zn~(2+)、Mn~(2+)所需的最适溶液初始pH值区间分别为4.0~6.0、4.0~7.0和4.0~7.0.溶液温度对硅藻土吸附Cu~(2+)、Zn~(2+)、Mn~(2+)的液膜扩散、颗粒扩散和吸附反应3个过程的影响不一致,导致对吸附量的影响无明显规律.硅藻土对Cu~(2+)、Zn~(2+)、Mn~(2+)的吸附分别符合Langmuir、Tenkin、Freundlish等温吸附模型,以物理吸附为主,吸附反应容易进行,在40 min达到平衡,吸附容量(25℃时)理论值分别为4.335、23.031、3.844 mg·g~(-1).吸附是自发的、吸热的、无序性增加,符合二级动力学模型.吸附速率的控制步骤为发生在孔道内部的吸附反应.     

土壤芽孢杆菌产胞外聚合物对Pb~(2+)吸附特性研究

根据与细菌菌体结合的紧密程度,胞外聚合物(EPS)可以分为粘液层EPS(S-EPS)、松散附着EPS(LB-EPS)、紧密附着EPS(TB-EPS),以土壤芽孢杆菌作为实验菌株,研究了各层EPS在不同温度、pH值条件下对Pb~(2+)的吸附特性,建立了EPS的吸附动力学模型和吸附等温线模型,并采用扫描电子显微镜(SEM)观察各层EPS吸附Pb~(2+)前后的表观形态的变化.当吸附温度为35℃、pH值为5.5时,S-EPS、LB-EPS、TB-EPS对Pb~(2+)的吸附量分别为91.35、100.61和90.28mg/g,表明LB-EPS对Pb~(2+)的吸附能力更强.各层EPS吸附Pb~(2+)的吸附动力学模型和吸附等温线模型均符合准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,表明吸附过程分别受化学吸附机理控制和单分子层吸附控制,并通过Langmuir模型计算得到,S-EPS、LB-EPS、TB-EPS对Pb~(2+)的最大吸附量分别为124.224、127.389和119.760mg/g.同时,扫描电镜结果表明吸附前后各层EPS表观形态均差异明显,其中LB-EPS呈肺泡状,具有更大的比表面积,因此更多的Pb~(2+)吸附在其表面.     

深海适冷菌Pseudoalteromonas sp. SM9913胞外多糖对Pb2+和Cu2+的吸附性能研究

采用深海适冷菌Pseudoalteromonas sp. SM9913分泌的胞外多糖（EPS）分别对Pb²⁺和Cu²⁺进行吸附,研究了多糖用量、pH、吸附时间和共存离子对EPS吸附性能的影响及EPS对Pb²⁺和Cu²⁺的吸附热力学.结果表明,EPS对Pb²⁺和Cu²⁺的吸附量随EPS投加量的增加而减小.EPS对Pb²⁺和Cu²⁺的最佳吸附pH分别为4.5～5.5和4.5～6.0. EPS对Cu²⁺的吸附平衡时间为90　min,对Pb²⁺的吸附平衡时间则长达180　min.共存离子Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺的加入均降低了EPS对Pb²⁺的吸附量,Ca²⁺、Mg²⁺的加入降低了EPS对Cu²⁺的吸附量,但低浓度的Na⁺和实验范围浓度的K⁺不仅没有降低反而增加了EPS对Cu²⁺的吸附量.Freundlich和Dubinin-Radushkevich方程均能较好地描述SM9913胞外多糖吸附Pb²⁺和Cu²⁺的热力学过程,由Dubinin-Radushkevich方程得到SM9913胞外多糖对Pb²⁺和Cu²⁺的最大吸附量分别为243.3 mg/g (10℃) 和36.7 mg/g (40℃).胞外多糖吸附金属离子前后的红外光谱分析表明,多聚糖中C—O—C、乙酰基和羟基是起主要吸附作用的官能团.     

Mn2+促进载体挂膜的机理研究

通过向自制固定床生物膜反应器(FBBR)中投加氯化锰,考察了Mn~(2+)对生物膜量、形态结构、降解性能及其胞外聚合物(EPS)组分的影响,并探究了Mn~(2+)在生物膜形成中的作用、影响规律及其对生物膜反应器运行效能的影响.结果表明,投加Mn~(2+)有助于生物膜形成,增强生物膜致密性,并促进生物膜生长;在生物膜成熟期连续投加10 mg·L~(-1)Mn~(2+)对一个周期内生物膜的降解活性影响很小,反应器COD和NH_4~+去除率分别达到85.4%±1.5%和76.3%±1.9%;生物膜不同类型EPS含量的变化表明,Mn~(2+)不仅加速了生物膜的成熟和增强了生物膜去除有机物的稳定性,而且还会刺激生物膜分泌产生更多的紧密粘附型EPS,其中的蛋白质和多糖能够保护微生物免受Mn~(2+)伤害.     

碱法提取的混合海洋硅藻粗多糖对铅离子的吸附特性研究

采用浓碱法(40 mg·mL~(-1)NaOH)辅助冻融、加热方法提取混合海洋硅藻粗多糖,通过比较粗多糖得率、总糖、蛋白质及硫酸基含量筛选提取方法,并利用最佳方法提取的粗多糖作为生物吸附剂对Pb~(2+)进行吸附.提取实验结果表明,最优的提取方法为浓碱(40 mg·mL~(-1)NaOH)-冻融法,其粗多糖得率为33.14%,总糖含量为31.65%(480 nm)和27.27%(490 nm),蛋白质含量为6.44%、硫酸基含量为3.23%.吸附结果表明,该粗多糖对Pb~(2+)的吸附在2 h左右达到平衡,在180 r·min-1、25℃、pH=4~6时吸附效果最佳;在初始浓度为600 mg·L-1混合重金属溶液条件下,粗多糖对Cd~(2+)、Pb~(2+)、Cu~(2+)和Ni~(2+)的吸附容量大小顺序为:Ni~(2+)Cu~(2+)Cd~(2+)Pb~(2+)(以物质的量浓度为单位进行评价);粗多糖中含有的小分子糖类杂质对Pb~(2+)吸附的贡献远远大于蛋白质杂质.吸附动力学拟合结果表明,此硅藻粗多糖对Pb~(2+)的吸附过程更符合伪二级动力学模型,且Langmuir方程拟合的可决系数R2大于0.9,说明粗多糖对Pb~(2+)的吸附为单层吸附.     

胞外聚合物对活性污泥吸附生活污水碳源的影响

为探索活性污泥中不同层胞外聚合物(SB-EPS、LB-EPS和TB-EPS)对污泥吸附性能的影响,以培养污泥、污水厂污泥为研究对象,采用加热法分层提取EPS,研究不同层EPS对生活污水中COD的吸附特征,并采用Lagergern单层吸附动力学模型、Ritchie双层吸附模型和颗粒内扩散模型方程进行动力学数据分析.结果表明:两种污泥的原污泥、-SB污泥和培养-LB污泥与Lagergern单层吸附模型和Ritchie双层吸附模型的拟合效果均比较好,说明污泥吸附过程既存在单层的物理吸附过程,又存在多层的物理化学吸附过程.污泥从外层到内层,EPS含量逐步增加,蛋白质与多糖比值均为外层小于内层,但培养污泥LB-EPS中蛋白质与多糖比值大于TB-EPS.两种污泥单位SB-EPS的吸附量分别为0.650 mg·mg~(-1)、3.37 mg·mg~(-1),吸附速率比原污泥分别增加了0.0997 min-1、0.0390 min-1,因此,SB-EPS可吸附有机污染物,但吸附速率较小.两种污泥单位TB-EPS的吸附量分别为1.06 mg·mg~(-1)、0.443 mg·mg~(-1),吸附速率比原污泥分别增加了10.7 min-1、0.183 min-1,因此,TB-EPS结构紧密,导致吸附速率减慢,但其能很好地将吸附上的污染物保存在菌体细胞壁外而不被释放.而LB-EPS对污染物没有储存能力,只有快速传递污染物的能力.     

有机负荷对污泥胞外聚合物(EPS)分泌特性及信号分子释放差异的影响

考察了连续流A2/O系统在3个有机负荷[0.29,0.58,1.16 kg COD/(m3·d)]条件下,胞外聚合物(EPS)分泌特性及信号分子(AHLs)的释放差异.结果表明:TB-EPS是污泥系统中EPS主要成分,TB-EPS组分具有较高的分子量,且分子量分布更广.有机负荷对LB-EPS各组分的影响大于TB-EPS...     

聚羟基铝柱撑硅藻土的制备及其对水溶液中Cu2+、Zn2+的吸附特性

鉴于天然硅藻土因理化构造缺陷而导致的吸附性能局限性和传统物化方法对硅藻土改性效果的有限性,为了显著改善硅藻土的吸附性能,采用聚羟基铝对硅藻土实施了柱撑改性.通过扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)分析了硅藻土柱撑前后理化特性的变化,并考察了柱撑前后硅藻土表面性能及其对Cu~(2+)、Zn~(2+)吸附特性的差异.结果表明,硅藻土最佳柱撑条件为n(OH-)/n(Al3+)=2.2、KCl浓度1.8 mol·L~(-1)、Al/土比10 mmol·g~(-1)、反应温度60℃、反应时间24 h、老化温度200℃、老化时间0.5 h.柱撑后,聚羟基铝被成功置入硅藻壳体内部,形成了有效柱体,增大了孔道间距,拓展了吸附反应界面,使微孔表面羟基数量增多,表面活性增强.柱撑前后硅藻土对Cu~(2+)、Zn~(2+)的等温吸附特性均符合Langmuir模型,吸附动力学特性均符合二级动力学模型.柱撑后硅藻土对Cu~(2+)、Zn~(2+)的吸附容量分别达到7.491 mg·g~(-1)、11.312mg·g~(-1),较柱撑前分别提高了32.9%、33.3%,硅藻土吸附性能得到了极大的改善.     

温度对SBR生物脱氮效能及胞外聚合物的影响

本实验以人工模拟废水为研究对象,采用3组SBR反应器(R_(15℃)、R_(25℃)、R_(35℃)),重点考察了温度对生物脱氮效能、胞外聚合物(EPS)含量及其组分[蛋白质(PN)、多糖(PS)和核酸(DNA)]的影响.结果表明,高温条件有利于促进亚硝酸型生物脱氮体系的建立,显著提高氨氮去除性能.温度对EPS及其组分具有显著影响.随着温度的升高,EPS和TB-EPS含量逐渐降低,而LB-EPS含量逐渐升高,EPS以TB-EPS为主(占69.0%~79.5%),但TB-EPS/LB-EPS比值随着温度升高逐渐降低[3.8(15℃)→3.6(25℃)→2.2(35℃)].在EPS,LB-EPS和TB-EPS中PN和DNA含量随着温度升高而降低,LB-EPS和EPS中PS含量随温度升高而增加.而TB-EPS中PS含量随温度升高而降低,且25℃是各组分浓度变化重要折点.在15℃和25℃时,PN为TB-EPS和LB-EPS的主要成分,PS次之,DNA最少,35℃时,PS成为主要成分,PN次之,DNA最少.此外,本研究也发现,在15℃和25℃时,EPS含量在硝化过程中逐渐增大,反硝化过程中逐渐降低.     

交替好氧/缺氧运行模式对生物脱氮效能及活性污泥胞外聚合物的影响

以实际生活废水为处理对象,考察了SBR工艺好氧/缺氧(O/A)和缺氧/好氧(A/O)运行模式对生物脱氮性能、胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)及其组分(蛋白质PN、多糖PS和核酸DNA)的影响.结果表明,O/A和A/O运行模式下,SBR工艺均获得了高效稳定的NH_4~+-N去除,去除率分别为97.5%和98.0%,且硝化速率与NH_4~+-N负荷呈现较好正相关性.交替缺氧/好氧运行模式对于EPS影响,A/O模式下EPS产量略高于O/A模式下,且运行模式对TB-EPS及其组分(PN、PS和DNA)产量无显著影响,但A/O模式下LB-EPS及其组分(PN和PS)产量均高于O/A模式下,倍数介于1.38~1.56之间.2种模式条件下,PS是TB-EPS和EPS的主要组分,而PN是LB-EPS的主要成分.EPS含量与污泥沉降性能具有良好的线性正相关.     

Flocculating characteristic of activated sludge flocs: Interaction between Al3+ and extracellular polymeric substances

Aluminum flocculant can enhance the flocculating performance of activated sludge.However,the binding mechanism of aluminum ion(Al 3+) and extracellular polymeric substances(EPS) in activated sludge is unclear due to the complexity of EPS.In this work,threedimensional excitation emission matrix fluorescence spectroscopy(3DEEM),fluorescence quenching titration and Fourier transform infrared spectroscopy(FT-IR) were used to explore the binding behavior and mechanism between Al 3+ and EPS.The results showed that two fluorescence peaks of tyrosineand tryptophan-like substances were identified in the loosely bound-extracellular polymeric substances(LB-EPS),and three peaks of tyrosine-,tryptophanand humic-like substances were identified in the tightly boundextracellular polymeric substances(TB-EPS).It was found that these fluorescence peaks could be quenched with Al 3+ at the dosage of 3.0 mg/L,which demonstrated that strong interactions took place between the EPS and Al 3+.The conditional stability constants for Al 3+ and EPS were determined by the Stern-Volmer equation.As to the binding mechanism,the-OH,N-H,C=O,C-N groups and the sulfurand phosphorus-containing groups showed complexation action,although the groups in the LB-EPS and TB-EPS showed different behavior.The TB-EPS have stronger binding ability to Al 3+ than the LB-EPS,and TB-EPS play an important role in the interaction with Al 3+.     

自养菌和异养菌胞外聚合物对活性污泥絮凝特性的影响

为探讨自养菌和异养菌胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)的差异及其对活性污泥表面及絮凝特性的影响,研究了有机负荷为0、0.30和0.74 kg·kg-1·d-1时,污泥松散附着胞外聚合物(loosely bound EPS,LB-EPS)和紧密粘附胞外聚合物(tightly bound EPS,TBEPS)的组分含量、形态、表面特性以及絮凝性能的差异,并就LB-EPS与TB-EPS对污泥絮凝特性影响的作用机理进行了探讨.结果表明,有机负荷越高,多糖含量越高,EPS总量及蛋白质含量越低.由三维荧光光谱测定结果可知,类富里酸物质为异养菌而非自养菌的代谢产物,且有机负荷越高,TB-EPS中的类富里酸荧光峰强度越大.自养和异养污泥的絮凝机理不同,自养活性污泥通过自养菌菌体自身生物絮凝作用形成密实的污泥絮体,LB-EPS与TB-EPS对其絮体形态、表面及絮凝特性影响较小;异养活性污泥絮体形态在TB-EPS提取后发生明显改变,TB-EPS在异养活性污泥絮体聚集时发挥着主要作用.包裹着LB-EPS的污泥表面负电荷多且疏水性差,不利于异养污泥生物絮凝.有机负荷越高,污泥表面Zeta电位负电性越强,相对疏水性(relative hydrophobity,RH)越小,污泥稳定性越差.     

硝化污泥胞外聚合物分层组分提取方法的比较

采用温和加热法、超声法、超声+振荡法和离心法4种方法提取硝化污泥松散结合型胞外聚合物(LB-EPS),及乙二胺四乙酸(EDTA)法、甲醛+NaOH法、甲醛+超声、阳离子树脂法(CER)和加热法提取硝化污泥紧密结合型胞外聚合物(TB-EPS),通过化学分析结合三维荧光(3DEEM)光谱对各提取方法进行比较.结果表明,LB-EPS和TB-EPS的最优提取方法分别为温和加热法和甲醛+Na OH法,TOC提取量分别为16.82、58.43 mg·g~(-1).三维荧光光谱显示温和加热法能有效提取LB-EPS中的类色氨酸和类腐殖酸;甲醛+NaOH法、CER和加热法提取的TBEPS中物质最为全面,主要包括类色氨酸、类腐殖酸和类酪氨酸.TB-EPS三维荧光浓度效应分析表明荧光峰位置与EPS浓度变化无关;类腐殖酸和类酪氨酸荧光峰强度随EPS浓度降低而减小,分别呈二项式和对数关系.     

Effects of solution conditions on the physicochemical properties of stratification components of extracellular polymeric substances in anaerobic digested sludge

The composition and effects of solution conditions on the physicochemical properties of the stratification components of extracellular polymeric substances (EPS) in anaerobic digested sludge were determined. The total EPS in anaerobic digested sludge were extracted by the cation exchange resin method. Another EPS extraction method, the centrifugation and sonication technique was employed to stratify the EPS into three fractions: slime, loosely bound (LB)-EPS, and tightly bound (TB)-EPS from the outside to the inside of the anaerobic digested sludge. Proteins and polysaccharides were dispersed uniformly across the different EPS fractions, and humic-like substances were mainly partitioned in the slime, with TB-EPS second. Protein was the major constituent of the LB-EPS and TB-EPS, and the corresponding ratios ranged from 54.0% to 65.6%. The hydrophobic part in the EPS chemical components was primarily comprised of protein and DNA, while the hydrophilic part was mainly composed of polysaccharide. In the slime, the hydrophobic values of several EPS chemical components (protein, polysaccharide, humic-like substances and DNA) were all below 50%. The protein/polysaccharide ratio had a significant influence on the Zeta potentials and isoelectric point values of the EPS: the greater the protein/polysaccharide ratio of the EPS was, the greater the Zeta potential and the higher the isoelectric point value were. All Zeta potentials of the EPS showed a decreasing trend with increasing pH. The corresponding isoelectric point values (pH) were 2.8 for total EPS, 2.2 for slime, 2.7 for LB-EPS, and 2.6 for TB-EPS. As the ionic strength increased, the Zeta potentials sharply increased and then gradually became constant without charge reversal. In addition, as the temperature increased (< 40°C), the apparent viscosity of the EPS decreased monotonically and then gradually became stable between 40 and 60°C.     

盐度变化对厌氧污泥胞外聚合物的影响

为探讨盐度变化对厌氧污泥胞外聚合物的影响,采用三维荧光(3D-EEM)和傅里叶变换红外(FTIR)技术,研究了不同盐度下升流式厌氧污泥流化床(UASB)中污泥的松散结合型胞外聚合物(LB-EPS)与紧密结合型胞外聚合物(TB-EPS)的变化规律,并分析了LB-EPS和TB-EPS与污泥沉降性间的关系.结果表明,进水盐度由0逐渐增加至8%,厌氧污泥LB-EPS和TB-EPS含量分别由4.94和12.25 mg·g~(-1)(以VSS计)增加至41.47和43.04 mg·g~(-1)(以VSS计);LB-EPS和TB-EPS中蛋白(PN)和多糖(PS)含量的比值分别由3.2和3.8降低至1.8和2.3;污泥容积指数(SVI)与LB-EPS、TB-EPS均正相关;3D-EEM光谱显示,色氨酸蛋白和芳环蛋白荧光峰存在于不同盐度下LB-EPS和TB-EPS中,类胡敏酸荧光峰仅存在于盐度高于4%的TB-EPS中;FTIR分析表明,进水盐度的增加导致LB-EPS和TB-EPS中PS的C—O组分相对含量增加.     

Characterization of extracellular polymeric substances in the biofilms of typical bacteria by the sulfur K-edge XANES spectroscopy

A combined approach of physicochemical extraction and sulfur K-edge X-ray absorption near-edge structure（XANES） spectroscopy was applied to characterize the extracellular polymeric substances（EPS） of typical bacterial biofilms in this study. Physicochemical analysis showed variation of the contents of DNA,polysaccharide and protein in different fractions of EPS in different mediums. The sulfur K-edge XANES analysis yielded a variety of spectra.Spectral fitting of the XANES spectra utilizing a large set of model compounds showed that there was more reduced sulfur in both LB-EPS（loosely bound EPS） and TB-EPS（tightly bound EPS） of all the biofilms in LB medium than in R2 A medium. More oxidized sulfur was identified in LB-EPS than that in TB-EPS,suggesting different niches and physiological heterogeneity in the biofilms. Our results suggested that the sulfur K-edge XANES can be a useful tool to analyze the sulfur speciation in EPS of biofilms.