錢愛娟 潘 嶸 孫 鳳 叢海兵

(揚州大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

藍藻胞外聚合物的污染和調控研究進展*

錢愛娟 潘 嶸 孫 鳳#叢海兵

(揚州大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

藍藻胞外聚合物(EPS)是水中重要的有機污染源，但其對水體污染的影響及對其進行調控的研究尚未引起足夠重視。介紹了藍藻EPS的形態(tài)、組成和分布，綜述了其對供水水質的污染，包括飲用水處理工藝和管網系統(tǒng)，從物理方法、化學氧化方法和微生物方法3個方面總結了藍藻EPS的調控研究進展，并提出了藍藻EPS的未來研究方向。

藍藻 胞外聚合物 污染 調控

Abstract: Cyanobacterial extracellular polymeric substances (EPS) are important organic source in water,but their contamination on water and their regulation research have not drawn scientists’ attention enoughly. The forms,components,and distribution of EPS were introduced here. The contamination of EPS on drinking water quality was summarized,including water treatment and distribution system. The regulation trends were reviewed from 3 aspects of physical methods,chemical oxidation methods and microbial methods. The future research directions of EPS were put forward as well.

Keywords: cyanobacteria； extracellular polymeric substances； contamination； regulation

近年來，水體富營養(yǎng)化問題日益嚴峻，藍藻爆發(fā)事件頻有發(fā)生。藍藻爆發(fā)的同時會伴隨著藍藻胞外聚合物(EPS)的產生[1]。藍藻EPS是一種高分子黏性化合物，可將數(shù)個至數(shù)百個直徑4～6 μm的藍藻細胞黏連在一起，形成不定形的藍藻膠群體，最大直徑可達1 000 μm[2]。

藍藻EPS主要來源于細胞分泌、細胞表面物脫落及細胞吸附外來物質。干旱[3]、紫外輻射[4]、高光強[5]和高鹽度[6]等環(huán)境條件均會導致藍藻EPS的大量產生。因此，藍藻EPS的形成過程受細胞活動及環(huán)境條件的綜合影響。

藍藻EPS以天然大分子有機質為主，包括多糖、蛋白質、核酸、脂類、糖醛酸、腐殖酸等[7-11]，其中多糖和蛋白質約占藍藻EPS總質量的70%～80%[12]，致使其在水中成為重要的有機污染源。目前，針對藍藻EPS的研究多局限于其生物生態(tài)學的表觀分析，其對水體污染的影響機制及對其進行調控研究還未引起足夠重視。本研究綜述了藍藻EPS對供水水質的污染和藍藻EPS的調控方法，以期對藍藻EPS的綜合治理提供參考。

1 藍藻EPS的形態(tài)、組成和分布

藍藻EPS伴隨著藍藻細胞的生長繁殖不斷形成、分泌并釋放于周圍水體中，其產生和傳遞過程需要消耗水中大量溶解氧，影響水體的生態(tài)環(huán)境。根據藍藻EPS與細胞結合的緊密程度，在藍藻膠群體中可以將其分為3種形態(tài)(見圖1)：緊密結合型EPS(TB-EPS)、松散結合型EPS(LB-EPS)和溶解型EPS(S-EPS)。TB-EPS位于藍藻膠群體內層，與細胞表面結合緊密，穩(wěn)定的附著于細胞壁外，具有一定的外形；LB-EPS位于TB-EPS外層，結構比較松散，是可向周圍環(huán)境擴展、無明顯邊緣的黏液層；S-EPS分布于藍藻膠群體最外層，多以膠體狀或溶解性分子形式存在，極易分散到水相[13],[14]1023，主要是親水性有機物，包含大量的羧基、羥基、氨基等官能團，是水體中溶解性有機物的重要來源[15]。LB-EPS和TB-EPS也會在一定的水動力條件下剝離脫落下來，釋放到水中。不同形態(tài)的EPS與細胞之間的不同黏附效果和結合狀態(tài)主要與其組分含量有關，TB-EPS中糖類含量較高，LB-EPS中蛋白質和腐殖酸含量較高[16]817，S-EPS中單糖的含量較高[17-18]。與藍藻的繁殖及水華的發(fā)生密切相關主要是LB-EPS中的色氨酸類組分和S-EPS中的腐殖酸類組分[19]。

圖1 EPS形態(tài)在藍藻膠群體中的分布Fig.1 Distribution of EPS forms in cyanobacterial palmella

2 藍藻EPS對供水水質的污染

藍藻EPS會影響藍藻細胞的去除，是飲用水處理工藝中的一項技術難題，其對飲用水處理工藝的影響如圖2所示。研究發(fā)現(xiàn)，混凝工藝對無EPS包裹的離散藍藻細胞的去除率可達到80%(質量分數(shù)，下同)～90%[20-21]。然而對于藍藻EPS黏連的藍藻膠群體，藍藻細胞因具有陰離子聚合物的特性使其表面具有更強的親水性效應、立體效應和靜電排斥效應，增加了藻體的穩(wěn)定性，導致混凝效率降低[22]。此外，藍藻EPS的部分組分能夠導致藍藻細胞侵蝕現(xiàn)象加劇、泥水分離效果降低[14]1029。王娜等[23]22發(fā)現(xiàn)，EPS中的酸性物質能與混凝劑水解產物發(fā)生反應，生成的表面絡合物附著在絮體顆粒表面，阻礙顆粒的相互碰撞，不易形成良好的絮體，且絮體密度低，沉淀效果差，必須增加混凝劑的投加量才能補償由于表面絡合物的形成對顆粒物脫穩(wěn)和混凝造成的影響。

藍藻EPS中多糖等黏性組分易黏附在濾料表面，導致堵塞濾料縫隙，縮短過濾周期，從而影響過濾工藝效果。

藍藻EPS不僅影響飲用水處理工藝，而且也會污染管網系統(tǒng)。我國45個城市的管網水水質調研結果表明，出廠水經管網及二次供水設施輸送后，水質合格率下降近20%，主要原因是細菌總數(shù)增加了近4倍[24]。管網系統(tǒng)內的細菌等微生物生長累計到一定程度會聚成生物膜，而藍藻EPS的存在會大大促進管網中生物膜的生長。我國大部分水廠采用的傳統(tǒng)飲用水處理工藝，對水源水中藍藻EPS的去除效率很低，這是促進細菌等微生物在管網中生長的重要原因[25]。

圖2 藍藻EPS對飲用水處理工藝的影響Fig.2 The influence of cyanobacterial EPS on drinking water treatment processes

3 藍藻EPS的調控

3.1 物理方法對藍藻EPS的去除作用

最常用的去除藍藻EPS的物理方法是離心法，通常離心法還需要聯(lián)合其他輔助手段。FLAIBANI等[26]等通過10 000 g高速離心實現(xiàn)了藍藻胞外蛋白多糖的高效去除。SU等[27]利用低速離心聯(lián)合80 ℃水浴方法實現(xiàn)了S-EPS和結合型EPS(包括TB-EPS、LB-EPS)的有效分離。XU等[16]816利用變速遞增離心聯(lián)合緩沖溶液提取、60 ℃水浴方法，對藍藻EPS不同形態(tài)的S-EPS、LB-EPS和TB-EPS實現(xiàn)了分步去除。在離心去除EPS的過程中，應當注意的是，在保障藍藻EPS去除效率的同時，應避免藻細胞的破損及胞內毒素的釋放。而且，輔助手段還可能導致蛋白質變性、藻細胞破裂等問題，如高溫、外加化學物質等，故水浴溫度、緩沖液成分等條件的確定需要嚴格考究。

低功率的超聲法也能夠起到解聚藍藻膠群體、離散藻細胞、削弱EPS不利影響的作用，但超聲功率過高、持續(xù)時間過長容易裂解藻細胞并導致胞內毒素的釋放[28-29]。因此，超聲法調控藍藻EPS需要特別謹慎。

活性炭表面具有細微孔狀結構，并存在羥基自由基等多種官能團，能夠吸附藍藻EPS[30]。然而，活性炭法的問題是當活性炭吸附飽和后，大量藍藻EPS的存在會導致活性炭滋生細菌，應及時對活性炭進行解吸[23]22。

近年來，膜分離法在飲用水凈化方面的應用發(fā)展非常迅速，該法被認為是最有發(fā)展?jié)摿Φ纳疃人幚矸椒?。然而用膜分離法調控藍藻EPS會造成嚴重的膜污染，引起跨膜壓力增大，導致膜通量急劇下降[31]。因此，目前使用膜分離法調控藍藻EPS的實施難度還很大，技術應用較為困難，有待進一步研究。

3.2 化學氧化方法對藍藻EPS的降解作用

化學氧化方法是目前使用較多、較為成熟有效的藍藻處理技術。研究證實，預氯氧化、預臭氧氧化、預高錳酸鉀氧化等化學氧化方法均有利于藍藻EPS的降解[32-33]。比較而言，氯是強氧化劑，能更快地降解藍藻EPS，然而也容易破壞細胞結構導致胞內毒素釋放。目前，針對藍藻爆發(fā)常采用的預氧化劑為高錳酸鉀，但其氧化效果受藻細胞形態(tài)、運動性及胞外有機物濃度等因素的影響。所以化學氧化方法仍需要尋求降解藍藻EPS效果和保證藻細胞結構不被破壞的平衡條件。

對于水處理過程中過濾出水殘留的藍藻EPS仍可以通過后續(xù)消毒工藝進行化學氧化并予以降解，但需考慮其成為消毒副產物的潛在威脅。研究發(fā)現(xiàn)，藍藻EPS易與氯反應，生成氯化消毒副產物，占三鹵甲烷生成勢的63%，占鹵乙酸生成勢的31%[34-35]。因此，化學氧化方法降解藍藻EPS應考慮其對水體造成的二次污染問題。

3.3 微生物方法對藍藻EPS的調控潛力

長期以來，人們對藍藻EPS調控的研究多集中在物理方法和化學氧化方法上，而微生物方法的研究不多。COLOMBO等[36]發(fā)現(xiàn)，某些細菌能夠利用魚腥藻EPS作為自身生長的碳源，并對EPS進行酶解去除。微生物酶解去除的方法能實現(xiàn)藍藻EPS的完全降解，但耗時較長，酶解周期約29 d，且降解細菌為厭氧型，必須在無氧條件下操作，會產生水體惡臭等一些新問題。此外，微生物方法仍是一個目前具有爭議的方法，許多國家尤其是發(fā)達國家對微生物方法的采用尤為慎重，以避免細菌等微生物本身可能帶來的生物入侵、生態(tài)平衡破壞等一系列問題。因此，微生物方法調控藍藻EPS能否成為一種有效的手段仍然有待商榷。

4 研究展望

(1) 藍藻EPS有機物含量高，但其在水中的釋放規(guī)律尚不清楚，且其具體組分也仍有待探究。

(2) 藍藻EPS阻礙了藻細胞與混凝劑的結合，降低了混凝沉降性能，影響藻細胞的去除，而現(xiàn)有水處理工藝中缺乏合適的藍藻EPS調控方法。

(3) 藍藻EPS是管網細菌滋生的重要貢獻者，然而其在管網中的遷移轉化規(guī)律及風險分析目前仍近乎空白，未來應對此開展深入研究。

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Contaminationandregulationtrendsofcyanobacterialextracellularpolymericsubstances

QIANAijuan,PANRong,SUNFeng,CONGHaibing.

(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,YangzhouUniversity,YangzhouJiangsu225127)

2017-03-17)

錢愛娟，女，1993年生，碩士研究生，主要從事微污染水的處理技術研究。#

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*江蘇省基礎研究計劃(自然科學基金)青年基金資助項目(No.BK20150456)；江蘇省高校自然科學研究面上項目(No.15KJD610006)；揚州市重點研發(fā)計劃(社會發(fā)展)項目(No.YZ2015072)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.08.021