剩余污泥类藻酸盐物质嵌段提取研究
文章亮点
·从剩余活性污泥中提取的类藻酸盐ALE/胞外聚合物（EPS）是一种高附加值生物材料。
·ALE可被分成（类聚古洛糖醛酸）/GGL、（类聚古洛糖醛酸-甘露糖醛酸）/GML和（类聚甘露糖醛酸）/MML三种嵌段。
·GGL，GML和MML相对质量比为54%，42%和4%。
·三嵌段重组有可能拓展潜在应用研究。
图文摘要
文章简介
作为高附加值物质，类藻酸盐物质（ALE）可从颗粒污泥（AGS）中胞外聚合物（EPS）中提取。事实上：普通活性污泥（CAS）中也含有一定量的ALE。因普通活性污泥在世界范围内早已得到了广泛应用，故普通活性污泥中剩余污泥（WAS）绝对量是十分巨大的。但是，普通活性污泥ALE性质不及好氧颗粒污泥，然而具体机理不明，故深入解析ALE化学组成嵌段是十分必要的。参考了天然海藻酸盐精制工艺，将ALE分成三种组成嵌段：GGL，GML和MML（类似海藻酸盐以古洛糖醛酸G和甘露糖醛酸M为基本单元）。而每种嵌段组成又与其组成成分有关，如，有代表性蛋白质（PN），多糖（PS），总磷（TP）和腐殖酸（HA）。从普通活性污泥剩余污泥提取ALE，其三嵌段质量占分别比为：GGL=54%，GML=42%和MML=4%，该结果与以往研究相类似。普通活性污泥中GGL嵌段显著低于好氧颗粒污泥，约低1/3~1/2。而普通活性污泥中GML和MML嵌段显著高于好氧颗粒污泥，约高1/2以上。好氧颗粒污泥和普通活性污泥二者ALE中嵌段组成不同很可能是其实际应用性能不同的主要原因。因此，我们在好氧颗粒污泥ALE组成嵌段基础上，进一步利用分离及重组过程探究了普通活性污泥ALE三嵌段，以扩大其潜在的应用。该成果已发表于《Science of The Total Environment》杂志（一区SCI，IF=10.753）。
主要结果
三种嵌段的提取效率
对普通活性污泥剩余污泥，利用酸凝法进行ALE提取，得到总可溶性ALE含量为89.12±1.96 mg/g VSS，约为好氧颗粒污泥的一半。然后，通过不同分离方法调节pH和溶解度，从ALE溶液中分离出GGL、MML和GML三个嵌段。通过对三个嵌段质量比来计算相应提取效率。根据所使用分离方法不同（透析、乙醇洗涤、透析+乙醇洗涤），三嵌段提取效率在57.03%~80.66%之间。
与乙醇洗涤相比，透析洗涤只能去除少量小分子物质，所以，透析总损失比乙醇洗涤略少，这与过去关于果胶沉淀研究相符。图1显示，GGL提取率（31.50%~43.53%）略高于GML（23.74%~34.98%），MML提取率最低，为（1.75%~5.27%）。当提取方法由透析改为乙醇洗涤时，GML提取效率由31.87%提高至34.98%。然而，当采用透析+乙醇洗涤时，其它两种嵌段提取效率进一步下降。综上，ALE中GGL、GML和MML相对质量比分别约为54%、42%和4%。
图1 MML，GGL和GML三嵌段的提取效率
蛋白与多糖含量
图2显示了乙醇洗涤后GGL、MML、GML以及未处理的ALE粉末FTIR光谱图。如图2所示，所有样品特征峰都非常相似，这与以往研究结果相同。不同分离方法（透析、透析+乙醇洗涤）对ALE红外光谱影响可以忽略不计。与天然藻酸盐光谱不同，ALE光谱表现出若干相同特征峰。例如，3160~3650 cm-1宽峰（O-H伸缩振动）、2920 cm-1小峰（C-H伸缩振动）、1250 cm-1处特征弱峰（C-O伸缩振动）和1050 cm-1处特征峰（O-H弯曲振动）。
图2 乙醇洗涤分离三嵌段以及未处理ALE的FTIR光谱图
ALE中引人注目的成分应当是PN。虽然很难从FTIR光谱图中精确量化每一组分，但是各分离嵌段特征峰还是对ALE光谱图形状有着显著影响。尤其是在GGL和ALE中均能检测到2830~3015 cm−1之间多个高强特征峰，对应于PN的C-H伸缩振动。而在GML和MML光谱图中并没有观察到这些特征峰。除上述峰外，在1660、1550和1400 cm−1处观察到由PN的C-N伸缩振动引起的三个峰，分别对应于Amide I、Amide II和Amide III。GGL的Amide II带强度最高。仅凭Amide带强度并不能准确定PN含量，但却能定性显示GGL的PN含量最高。
EEM光谱图（图3）中区域IV对应着色氨酸，这主要对应源于ALE或三嵌段中PN。突出峰激发和发射极大值相对稳定而与所使用分离方法无关。然而，它们强度不同，表明提取过程并不影响ALE中大部分PN。嵌段分离机理分为两方面，首先在乙醇（极性溶剂）洗涤或透析过程中，一些氨基酸大分子物质可以从ALE中去除。另一方面，ALE凝胶状态随着pH值变化而不断变化，导致一些PN溶解或沉淀。此外，EEM光谱I区和II区并未观察到明显荧光峰，表明该嵌段中并没有芳香族蛋白，这与FTIR分析结果一致。
图3 未处理ALE(a)、仅透析后的GGL嵌段(b)、GML嵌段(c)和MML嵌段(d)的EEM光谱图。
发射波长为200~550 nm，激发波长为200~500 nm
对PN定量分析（图4a）显示，PN质量约占未处理ALE的1/3。嵌段分离后分别采用透析、乙醇洗涤、透析+乙醇洗涤，总PN含量比分别降低至27.34%、17.46%和11.47%。结果表明，不同分离方法可以去除不同PN，各组PN含量下降顺序为GGL>GML>MML。PN含量从GGL的16.95%下降到GML的7.04%，下降了约2倍。IV区峰强依次下降，这些结果与EEM光谱图一致。结果表明，经过乙醇洗涤，PN含量降低。而单次透析后GGL中PN浓度增加到38.95%。因结构蛋白或糖蛋白可参与多糖基质网络的形成和稳定，那么GGL中特异性PN对ALE形成凝胶有一定的促进作用。
ALE中PS含量低于PN，约占ALE质量的10%（图4b）。分离后三嵌段中PS含量的下降不如PN明显。虽然提取后GGL的PS几乎没有下降（3.55%~3.63%），但分离后对其他两种嵌段（GML和MML）的PS含量有影响，特别是透析+乙醇洗涤（该过程导致其中PS的含量比单独透析或乙醇洗涤要低得多）。
(a)
(b)
图4 蛋白质(a)和多糖(b)相对质量比
PN/PS比值通常被当成评价EPS成分特征重要指标。本研究中亦用该法计算出相应比值，如图5所示。通常，好氧颗粒污泥中ALE的PN/PS比值在4~8之间，略高于普通活性污泥中ALE（2~3）。分离后，GGL的PN/PS比值明显高于其他两个嵌段。令人惊讶的是，分离后的GGL的PN/PS比值甚至比未处理的ALE还高，达到4.67，这主要是因为里面含有较高的蛋白质。这一比值甚至高于一般EPS，几乎达到了好氧颗粒污泥中ALE水平。因此，采用合适的分离方法，普通活性污泥中ALE部分结构嵌段可以达到好氧颗粒污泥中ALE水平。
图5 每个样品的PN/PS比值
腐殖酸与总磷的含量
ALE中HA含量极高，甚至高于PS（图6a）。在没有处理的ALE中，HA质量占比为16.88%。普通活性污泥来源ALE中HA含量比以往文献中报道的低50%，这可能源于长时间透析。ALE中大部分HA来源于GGL。与PN一样，分离嵌段中HA含量也下降（仅剩1/3左右），趋势与PN相同，透析、乙醇洗涤和透析+乙醇洗涤分离后分别达到11.47%、8.18%和5.44%。显然，透析或极性溶剂冲洗过程中对大分子滞留会显著影响HA的含量。
PN，PS和HA总是与其特定结构相关。然而，磷并不独立存在，通常是由ALE衍生的PN和HA成分。与HA一样，ALE中存在的磷通常被忽略，因为其TP含量相对较低，只有不到ALE的1.5%（图6b）。考虑到ALE透析和溶解作用，故将ALE中所有磷假设成以有机磷的形式存在。磷含量的变化趋势与PS变化趋势一致。TP主要集中在GML中，乙醇洗涤后TP含量达到76.18%。
(a)
(b)
图6 每个样品中腐殖酸(a)和总磷(b)的相对质量比
ALE流变性测试
海藻酸盐溶解后可形成粘性溶液。因此，测定海藻酸盐流变性能对于确定其物理和化学性质至关重要。以剪切速率为自变量记录所选样品的粘度（图7）。商业海藻酸盐的粘度在1000~10000 mPa·s之间，剪切速率小于1000 s−1，且随着剪切速率的增加粘度显著降低，呈现非牛顿流体特征。与商业海藻酸盐不同，ALE流变性能表明它是一种牛顿流体，进一步说是假塑性流体，剪切速率在1~2000 s−1之间。因此，将商业海藻酸盐溶液稀释到与ALE实际校准浓度一致时候，再次测量稀释溶液的流变性能，发现其粘度逐渐降低，说明ALE粘度由PN，PS，HA和其它物质共同决定。而对于分离嵌段，所采用分离方法对ALE流变性能的影响可以忽略不计。GGL的粘度高于GML，与凝胶强度结果一致。然后，对从ALE中提取的嵌段进行了混合与重组，并测定了其流变性。测试结果显示，重组后样品粘度高于原来ALE，剪切速率在1~4000 s−1之间，说明经过重组改性后普通活性污泥ALE性能得到了提高，由此验证了我们的假设。
(a)
(b)
图7 海藻酸盐和ALE(a)和不同嵌段(b)粘度
潜在应用展望
如上所述，源于普通活性污泥中剩余污泥的绝对总量远高于好氧颗粒污泥的。因此，利用普通活性污泥提取ALE总量可观。表1列出了ALE提取效率以及好氧颗粒污泥和普通活性污泥中三种嵌段的比例，以比较ALE之间差异。普通活性污泥中GGL嵌段显著低于好氧颗粒污泥，降低了1/3~1/2。而普通活性污泥中GML和MML嵌段显著高于好氧颗粒污泥，高出了1/2以上。此外，与以前研究相比，普通活性污泥中三嵌段彼此含量非常接近。表明不同国家普通活性污泥的ALE成分具有普适性。根据这些结果，我们对源于普通活性污泥中ALE嵌段的重组产品在潜在应用方向上进行了基本分析，如图8所示。
表1 ALE提取效率以及三嵌段之比
图8 普通活性污泥来源的ALE嵌段重组之后的潜在应用
重要结论
1）对普通活性污泥ALE，所分离出的GGL、GML和MML嵌段质量分别约占原ALE的54%、42%和4%。分离方法对嵌段质量占比影响不大。
2） 普通活性污泥中GGL嵌段显著低于好氧颗粒污泥，约降低1/3~1/2，而普通活性污泥中GML和MML嵌段则明显高于好氧颗粒污泥，约高1/2以上。
3）不管是经过透析还是乙醇洗涤，三嵌段中PN含量均有所降低，但GGL的PN/PS比值增加至4.67。对于通过透析得到的GGL，HA大约占该嵌段总重的20%，与未处理的ALE一样。经过乙醇洗涤后，TP主要集中于GML嵌段中。
4）通过对三嵌段的分配/重组，有望扩展普通活性污泥ALE在金属吸附、阻燃、种子包衣等方面的潜在应用，有待进一步研究。
