胞外聚合物(Extracellular polymeric substance，EPS)是微生物分泌的具有黏性的高分子聚合物，其主要成分为蛋白质、多糖、腐殖酸等物质^[1-2]。由于EPS的组成成分中含有大量的羟基、氨基、磷酸基等络合基团，能过通过点中和、络合、离子交换、静电吸引等作用吸附水中重金属^[3-5]，因此，是一种潜在的重金属吸附剂。近年来，研究人员已逐步开展关于胞外聚合物吸附重金属的研究，并且取得了不错的研究成果。MIAO等^[6]提取紧密结合型EPS，对Cu²⁺进行了吸附实验，研究结果表明，紧密型结合型EPS含量的提高能够促进金属离子的吸附，同时紧密型结合型EPS中羟基、羧基和酰胺对重金属的去除具有重要的作用。SUN等^[7]研究了好氧颗粒污泥中松散结合型EPS对Zn²⁺和Co²⁺的吸附机制，发现其不仅能起到吸附螯合作用，还能通过絮凝作用强化吸附过程。郑蕾等^[8]采用不同组成的活性污泥EPS吸附Cd²⁺、Zn²⁺，发现EPS的吸附能力与蛋白质和糖的含量比具有相关性。从已有的研究^[8-11]可以看出，关于EPS吸附重金属的研究主要集中在不同结构EPS吸附重金属的特征和机制及不同吸附条件下EPS吸附重金属的吸附效能及模型上，但有关EPS的提取方法对EPS吸附重金属的效能的影响研究较少。如何有效地提取EPS并且保留其有效吸附能力是EPS吸附重金属的研究及其工业化应用的一个重要前提。不同的EPS提取方法对EPS的提取效率和吸附重金属的能力存在一定的影响，从而影响EPS吸附重金属的效能。因此，有必要开展提取方法对EPS吸附重金属效能影响的研究。

目前，关于EPS的提取方法的研究有很多，主要通过破坏细胞与EPS之间的结合来实现分离提取EPS的目的^[12-13]。常用的提取方法主要有NaOH法^[13]、离心法^[14]、超声法^[15]、加热法^[16]及其组合方法^[15]等。SUN等^[17]对EPS的提取方法进行了评价，结果表明化学法提取效率高于物理法。CAUDAN等^[18]采用结合方法提取EPS，结果显示组合方法提取效率要高于单一方法。虽然关于EPS的提取方法的研究已有许多，但是主要集中在EPS提取效率方面，而提取过程中对于EPS吸附重金属的能力影响的相关研究较少。本研究通过考察pH、单一物理提取方法和组合方法对EPS的提取量及其吸附Cd(Ⅱ)能力的影响，确定了EPS吸附剂的最优提取方法，为EPS重金属吸附剂的有效提取及工业化应用提参考。

1.   材料与方法

1.1   实验原料

脱水污泥取自佛山禅城某生活污水处理厂的污泥脱水机房(污泥含水率为77%，有机质质量分数为36.78%)，该污水处理厂处理工艺采用UNITANK工艺，污泥取回后，立即放置于−18 ℃冰箱，冷冻保存。

实验过程中使用的盐酸(HCl)、氢氧化钠(NaOH)、氯化钠(NaCl)、碳酸氢钠(NaHCO₃)等化学药剂均为分析纯；硝酸(HNO₃)、硝酸镉(Cd(NO₃)₂)为优级纯。

1.2   实验装置

数显恒温水浴锅(HH-S2，常州万达升实验仪器有限公司)；超声波清洗仪(GTSONIC-D20，广东固特超声股份有限公司)；冷冻高速离心机(FC-18R，广州市方统生物科技有限公司)；台式全温振荡器(ZQTY-70S，上海知楚仪器有限公司)；原子吸收分光光度计(200AA，安捷伦科技有限公司)；紫外-可见光分光光度计(UV-1800，日本岛津制作所)；电子分析天平(AS 220.RS，RADWAG公司)；pH计(ST-2100，美国OHAUS公司)；恒温磁力搅拌器(HJ-6B，常州朗越仪器制造有限公司)。

1.3   实验方法

在提取脱水污泥前，须对脱水污泥进行清洗，以去除脱水污泥表面的污染物质。按固液比为1∶7的比例加入纯水，充分混匀后，静置去除上清液，重复清洗污泥3遍，清洗后的脱水污泥待用。

首先确定不同的提取液pH对EPS提取量及吸附效能的影响。取适量污泥3份，按照固液比为1∶7的比例分别加入0.01 mol·L⁻¹ HCl溶液、0.9% NaCl溶液和0.01 mol·L⁻¹ NaOH溶液，在250 r·min⁻¹转速下，搅拌2 h后，于12 000 r·min⁻¹转速下离心20 min，取其上清液过45 µm滤膜，制备取得EPS。取0.01 g提取后EPS(投加量为100 mg·L⁻¹)，投加到100 mL 3.6 mmol·L⁻¹ Cd(Ⅱ)模拟废水中，在165 r·min⁻¹、25 ℃下振荡2 h后，取50 mL吸附溶液，转移进入透析袋(截留分子质量为8 000~12 000 Da)中；在350 r·min⁻¹、25 ℃于500 mL纯水中透析6 h后，取透析袋外的纯水测定水中的Cd(Ⅱ)的浓度。

根据提取量和Cd(Ⅱ)的吸附量确定提取液pH后，采用单一的物理处理方法和组合的物理处理方法提取EPS，以确定物理处理方法对EPS提取量及吸附效能的影响。

单一物理处理方法：取80 g预处理后污泥各3份，按照固液比为1∶7的比例加入相应的pH提取液，在250 r·min⁻¹ 转速搅拌2 h后，在离心(12 000 r·min⁻¹)、超声(40 kHz)和加热(80 ℃)的条件下，处理20 min后，取其上清液过45 µm滤膜，制备取得EPS。

组合物理处理方法：取80 g预处理后污泥各3份，按照固液比为1∶7的比例加入相应的pH提取液，在250 r·min⁻¹ 转速搅拌2 h后，在超声(40 kHz，10 min)+离心(12 000 r·min⁻¹，10 min)、超声(40 kHz，10 min)+加热(80 ℃，10 min)和加热(80 ℃，10 min)+离心(12 000 r·min⁻¹，10 min)的组合条件下处理，取其上清液过45 µm滤膜，制备取得EPS。

取0.01 g提取后EPS，投加到100 mL 3.6 mmol·L⁻¹ Cd(II)模拟废水中，在165 r·min⁻¹、 25 ℃下振荡2 h后，取50 mL吸附溶液，转移进入透析袋(截留分子质量8 000~12 000 Da)中，在350 r·min⁻¹、 25 ℃下于500 mL纯水中透析6 h后，取透析袋外的纯水测定水中的Cd(II)的浓度。

1.4   分析方法

采用Folin-酚法测定提取的EPS中的蛋白质含量；采用蒽酮比色法测定提取的EPS中多糖的含量；采用蛋白质含量和多糖含量总和来表征EPS的总提取量；采用pH计测定pH；采用原子吸收分光光度计测定吸附前后的Cd(Ⅱ)浓度。各实验均进行3次平行实验，取平均值作为最终的实验结果。

2.   结果与讨论

2.1   pH对EPS提取量及吸附Cd(Ⅱ)的效能影响

在离心条件下，不同pH对EPS的组分的提取量及其吸附Cd(Ⅱ)的吸附量如图1所示。由图1可知，随着pH的升高，提取的EPS量呈现逐步增加的趋势，蛋白质的提取量影响最大。EPS提取量在酸性条件下和中性条件下较为接近，随着pH升高至碱性条件，EPS中的蛋白质有明显增加。LIAO等^[19]研究表明，EPS表面带有大量的负电荷，可以影响其与其他物质之间的静电作用和氢键的形成，进而影响其提取量。由于pH与静电作用和氢键形成关系密切^[20]，因此，对EPS的提取以及性质影响也较为明显。强碱性条件能够破坏微生物的细胞壁，同时改变了EPS的水溶性，从而使大量的蛋白质和多糖得到释放^[20-21]，进而导致提取量剧增。

图 1  pH对EPS提取量及其吸附Cd(Ⅱ)的效能影响

Figure 1.  Effect of pH on EPS extraction and Cd(Ⅱ) adsorption efficiency

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由图1可知，中性条件下提取的EPS对Cd(Ⅱ)的吸附量最小，而酸性或碱性条件下提取的EPS对Cd(Ⅱ)的吸附量较中性条件下的高。这说明酸碱的预处理有利于EPS吸附Cd(Ⅱ)的有效成分的提取。在酸性条件下，虽然提取的EPS量较少，但其吸附Cd(Ⅱ)的能力可达到1.73 mmol·g⁻¹。这说明酸性条件下，提取EPS的有效成分或吸附位点较多。SU等^[22]和宋小莉^[23]的研究表明，蛋白质在强酸的条件下易发生水解，生成氨基酸类化合物，进而增加了EPS中的氨基和巯基等官能团，有利于EPS和重金属发生螯合反应；在碱性条件下，OH⁻促进了EPS的络合基团去质子化，从而活化EPS的络合基团，最终可增强EPS的络合吸附能力。

根据单位质量EPS吸附Cd(Ⅱ)的量及单位污泥提取EPS的量，计算出酸性、中性和碱性条件下单位污泥提取的EPS吸附Cd(Ⅱ)的总量分别为0.010 9、0.008 2和0.061 8 mmol·g⁻¹。由不同pH的单位污泥提取EPS吸附Cd(Ⅱ)的总量对比可以看出，碱性条件下单位污泥提取EPS吸附Cd(Ⅱ)的总量约为酸性条件下的6倍左右。由此可见，虽然酸提和碱提都能够有效地提高EPS对Cd(Ⅱ)的吸附效能，但是考虑到单位污泥提取EPS吸附Cd(Ⅱ)总量差异，确定碱性条件为提取EPS的最佳条件。

2.2   单一物理提取方法对EPS提取量及吸附Cd(Ⅱ)的效能影响

在碱性提取条件下，不同的物理处理方法对EPS的组分提取量及其吸附Cd(Ⅱ)的效能影响如图2所示。不同的物理提取方法由于其作用的强度不同，因此，对EPS的提取量及其吸附Cd(Ⅱ)的有效组分具有一定的影响。加热法主要通过加热使污泥结构松散，能够有效提高EPS的提取量^[23]；超声法利用剪切力和空穴形成的压力冲击来使EPS剥离^[24]；高速离心法主要利用离心力使得EPS脱离。对比3种方法的作用强度，可以看出，加热法最强，离心法最弱。由图2可知，不同的物理处理方法对EPS的提取量有较大的影响，其中加热法的提取量最大，其次为超声法，最低为离心法，这与以往的研究规律相符。虽然提取强度越大，越有利于提取量的增加，但过大的提取强度，容易对EPS中的有效组分造成影响，进而影响其吸附Cd(Ⅱ)的能力。由图2亦可知，虽然加热法的提取量最高，但是其吸附Cd(Ⅱ)的能力却为最低。这主要由于加热过程中，温度过高容易破坏EPS的有效组分^[2]，导致其吸附能力降低。而超声法通过剪切力等作用，相比加热法较为温和，在有效分离EPS有效组分的同时，又能够避免破坏EPS的有效组分， 其吸附Cd(Ⅱ)的能力较加热法和离心法要高。因此，必须控制好提取作用强度，才能有效地提高EPS吸附Cd(Ⅱ)的效能。

图 2  不同的物理处理方法对EPS提取量及其吸附Cd(Ⅱ)的效能影响

Figure 2.  Effect of physical treatment methods on EPS extraction and Cd(Ⅱ) adsorption efficiency

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2.3   组合物理处理方法对EPS提取量及吸附Cd(Ⅱ)的效能影响

CAUDAN等^[18]和MIAO等^[25]研究表明，组合物理方法有利于提高EPS的提取量。由图3可知，组合物理处理方法提取的EPS总量均大于单一物理提取方法的EPS提取总量。其中，加热+离心组合预处理提取的EPS量最高，其次为超声+加热，而超声+离心组合处理提取EPS量最小。这主要是由于加热能让EPS大量释出，辅助高速离心，能够更大程度地将EPS分离出来，使得加热+离心的组合方法提取EPS效果最好。超声+离心提供的提取强度较其他的提取方法较弱，导致提取量最低。由不同组合方法吸附Cd(Ⅱ)的吸附量对比可以看出，虽然加热+离心的提取量最大，但是其吸附能力最差。原因可能是：由于提取强度的增加，虽然有利于EPS的提取，但是同时也可能破坏了EPS中的有效成分或官能基团，导致其吸附能力下降；同时，通过图3可以看出，单一处理方法提取的EPS的吸附能力均大于组合方法提取的EPS的吸附能力，综合考虑经济性和实用性，超声的预处理方法更有利于EPS吸附剂的提取。

图 3  组合物理处理方法对EPS提取量及其吸附Cd(Ⅱ)的效能影响

Figure 3.  Effect of combine physical treatment methods on EPS extraction and Cd(Ⅱ) adsorption efficiency

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3.   结论

1) pH对于EPS的提取有较大的影响，pH越高，EPS提取量越大。酸性或碱性条件有利于EPS的有效成分的释出，从而有利于Cd(Ⅱ)的吸附。同时考虑EPS提取量及吸附能力，碱性条件较佳。

2)提取强度与EPS的提取量具有正相关性，其排序为加热>超声>离心；EPS吸附Cd((Ⅱ)的能力与提取强度不具正相关性，提取强度过大，不利于EPS有效吸附组分的保留。在碱性条件下，利用超声处理方法提取的EPS对Cd(II)的吸附能力最强，吸附量达到2.01 mmol·g⁻¹。

3)组合物理提取方法有利于EPS的提取，但其提取的EPS吸附Cd(Ⅱ)的能力较单一物理提取方法提升不高，因此，EPS最佳提取方法为在碱性条件下进行超声提取。