厌氧消化污泥胞外聚合物提取与应用
文章简介
胞外聚合物（EPS）同时存在于好氧和厌氧污泥中。在EPS中，类藻酸盐（ALE）被认为是一种高附价值物质，并在好氧污泥中得到了广泛研究，因此，期望从厌氧消化污泥（ADS）中也能提取ALE，并获得与好氧ALE相似的性质。事实上，目前对于厌氧消化污泥中类藻酸盐（ALE-ADS）研究十分匮乏。因此，本文对5种不同来源的剩余污泥进行厌氧消化，然后从ADS中提取ALE，分析其理化性质及潜在应用前景。ALE-ADS含量为119.4~179.4 mg/g VSS。通过FT-IR、3D-EEM和UV-Vis显示出ALE-ADS的组成成分和性质存在微小差异，但与商业藻酸盐的官能团相似度为62%~70%。此外，ALE-ADS由甘露糖醛酸(M)和古罗糖醛酸(G)残基组成，分别形成了GG（20.8%~33.8%）、MG（12.8%~30.1%）和MM区块（6.6%~15.1%）。基于凝胶形成能力、成膜性、吸附性和两亲性，ALE-ADS用作防水涂层，似乎比商业藻酸盐具有更好的防水潜力；用作种子包衣能增加种子发芽率；用作生物吸附剂，具有与商业藻酸盐、好氧污泥相似的吸附性能。该成果发表于《Science of The Total Environment》杂志。
撰文 | 李辉
责编 | 郝晓地
文章亮点
1、厌氧消化污泥中的类藻酸盐（ALE-ADS）含量介于119.4~179.4 mg/g VSS。
2、ALE-ADS与商业藻酸盐的官能团相似度为62%~70%。
3、ALE-ADS由GG=20.8%~33.8%、MG=12.8%~30.1%和MM=6.6%~15.1%组成。
4、ALE-ADS有用作防水涂层、种子包衣和生物吸附剂的应用潜力。
原文信息：Hao X, Li H, Yuan T, et al. Recovering and potentially applying of alginate like extracellular polymers from anaerobic digested sludge. Science of The Total Environment [J]. 2023, 898: 165549.
图形摘要
主要结论
1 ALE-ADS含量
图1显示了不同厌氧消化污泥中ALE含量有所差异，范围介于119.4~179.4 mg/g VSS，这与好氧污泥中ALE含量（7~30% VSS）相当。因此，从提取量角度表明了从厌氧消化污泥中回收ALE的可行性。
图1 不同厌氧消化污泥中ALE的提取量
2 ALE-ADS化学组分
EEM光谱图（见图2）显示出ALE-ADS中含有的主要荧光物质几乎没有差别，并且FluⅠ~Ⅴ在光谱中占比分别为0.9%~1.5%、3.2%~4.1%、2.0%~2.8%、46.8%~65.4%和28.2%~45.8%，这表明可溶性微生物副产物样物质（SMPs）和类腐殖酸在荧光类物质中占大部分，并且与好氧污泥中ALE荧光分析结果相似。此外，ADS-1和ADS-2在Flu V处有明显的吸收峰，这是由于剩余污泥来自实际污水厂，所以导致ALE-ADS中含有更多的腐殖质类物质。
图2 ALE-ADS的三维荧光光谱分析：a) ADS-1；b) ADS-2；c) ADS-3；d) ADS-4；e) ADS-5；f）ALE-ADS的不同区域的比例
进一步对ALE-ADS组成成分进行分析，发现了ALE-ADS存在多种复杂有机物质，如蛋白质、多糖、腐殖质和糖醛酸等，这与好氧污泥中ALE有机组成相似。如图3a所示，ALE-ADS中有机质占66.9%~79.2%；蛋白质为354.1~464.5 mg/g ALE；中性糖为127.1~141.7 mg/g ALE；腐殖质为109.3~140.7 mg/g ALE；糖醛酸为47.1~55.9 mg/g ALE。此外，ALE-ADS的无机含量范围为15.0%~20.0%（图3b），这也与好氧污泥中ALE无机含量（5.0%~20.0%）相似，其中P、Na+、Ca2+、Fe3+、Al3+和Mg2+的含量分别为44.8~66.7 mg/g ALE、20.7~29.4 mg/g ALE、10.0~17.3 mg/g ALE、7.9~11.3 mg/g ALE、6.3~10.6 mg/g ALE、2.0~3.6 mg/g ALE。
图3 ALE-ADS组分分析：a) 有机组分含量；b) 灰分和无机组分含量
3 ALE-ADS凝胶性能
图4a显示了从ALE-ADS中分离的三个区块的含量，其中GG=20.8%~33.8%,MG=12.8%~30.1%，MM=6.6%~15.1%，G/M在1.6~2.4，这与好氧污泥，甚至是商业藻酸盐中区块含量相似。此外，将ALE-ADS水溶液滴入CaCl2溶液中来评价ALE-ADS凝胶形成能力，并在室温下交联约16 h后测量凝胶平均直径（图4b），结果表明不同来源ALE-ADS稳定性和凝胶形成能力有所差异。除ADS-1、ADS-2和ADS-4（直径约为22~25 mm）外，其余ADS样品几乎没有差异（直径约为15~17 mm），这与商业藻酸盐（直径约为17 mm）完全相当。
图4 ALE-ADS凝胶形成能力：a) 不同区块占比；b) 凝胶性能测试
4 ALE-ADS官能团与结构
图5显示了ALE-ADS主要官能团波数在2960 cm-1、2930 cm-1、2855 cm-1、1654 cm-1、1547 cm-1、1400 cm-1、1240 cm-1、1072 cm-1和880 cm-1处。其中，波数为2960 cm-1和2930 cm-1处代表碳水化合物和脂质类物质中C-H伸缩基团。1654 cm-1和1400 cm-1处可能对应于与糖醛酸中-COO振动基团。同时，不排除1654 cm-1处可能代表蛋白质氨基中酰胺I结构（C=O伸缩振动）。1547 cm-1处代表蛋白质氨基中酰胺II（N-H弯曲振动）结构，这在商业藻酸盐中未被发现，表明ALE-ADS比商业藻酸盐具有丰富的蛋白类物质。此外，ALE-ADS有别于商业藻酸盐的一点是1240 cm-1处归属于ALE-ADS的O-乙酰酯。
在波数范围为1200~940 cm-1中，1072 cm-1可能意味着碳水化合物和磷酸基团的存在，并且1400 cm-1的波数可能对应于碳酸盐（CO32-）。磷酸基团和碳酸盐基团在燃烧过程中可改变磷聚合物的形式，从而产生一种新的沉淀形式，如碳酸化羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(CO3)]，它是一种具有极高热稳定性的惰性物质，亦是一种优异的阻燃材料。因此，从FTIR光谱可以推断，磷酸基团和碳酸基团的存在使得ALE-ADS可能具有阻燃潜力。
此外，以商业海藻酸盐为标准材料，采用FT-IR软件对ALE-ADS官能团进行分析，表明ALE-ADS与商业藻酸盐的官能团相似度为62.22%~70.04%。
图5 ALE-ADS的红外光谱图
5 ALE-ADS潜在应用
5.1 ALE-ADS用作防水涂层
图6a显示了ALE-ADS呈现一个链状结构，链宽约为15 nm，膜厚约为3 nm。这些链沿着表面延伸，相互缠绕，形成网络结构，表明ALE-ADS可能具有成膜特性。此外，图6b显示出通过抽滤ALE-ADS溶液可形成均匀的膜。
当ALE-ADS水溶液与正十六烷混合时，它分散到正十六烷和水相中，并最终停留在正十六烷与水的界面之间（图6c），表明ALE-ADS具有两亲性。然而，正十六烷和商业藻酸盐水溶液混合后之间没有分层（图6d），表明商业藻酸盐不具有两亲性。
此外，通过测量第5 s时纸板表面水滴的接触角（图6e）和接触角的动态变化（图6f）来评估了有ALE-ADS涂层和无ALE-ADS涂层的纸板的防水性能。在无ALE-ADS涂层的纸板表面，一旦滴下一滴水，就立即被纸板吸收和扩散，水滴在纸板表面的接触角为零。相比之下，有ALE-ADS涂层的纸板表面，水滴仍然保持一定形状且不扩散（图6e)，且纸板表面水滴的初始接触角在106°~122°之间（图6e)，说明ALE-ADS确实为纸板提供了防水屏障。尽管商业藻酸盐也可作为防水涂层，但其接触角似乎小于ALE-ADS的接触角（图6f），表明ALE-ADS比商业藻酸盐具有更好的防水性能。
此外，紫外-可见光谱中的特殊波长SUVA260（代表260 nm处的吸光度）通常用于表征物质的疏水性。该值越高，疏水成分的比例就越高。SUVA260与第5 s时水滴的接触角之间呈线性正相关（图6f)，进一步证明了ALE-ADS的疏水性可使其作为防水涂层。
图6 ALE-ADS用作防水涂层：a） ALE-ADS形态；b） ALE-ADS成膜性；c） ALE-ADS两亲性；d） 商业藻酸盐两亲性；e） 5 s时水滴在纸张表面的接触角；f） 水滴在纸板表面接触角动态变化；g） SUVA260与接触角之间的线性相关性。
5.2 ALE-ADS用作种子包衣
生菜种子生长高度如图7a所示。老化0~4天，涂ALE-ADS的种子最终生长高度分别为5.5 ± 0.3 cm、5.5 ± 0.4 cm、4.6 ± 0.4 cm，3.4 ± 0.4 cm和3.0 ± 0.4 cm；未涂ALE-ADS的种子最终生长高度分别为5.4 ± 0.3 cm，5.4 ± 0.3 cm、4.5 ± 0.3 cm、3.5 ± 0.4 cm 和2.8 ± 0.4 cm。显然，ALE-ADS对种子生长高度几乎没有促进或抑制作用。
生菜种子发芽率如图7b所示。老化0~1天，种子（未涂ALE-ADS和涂ALE-ADS）发芽率约为85%；老化2、3和4天，与未涂ALE-ADS种子相比，涂ALE-ADS种子的发芽率分别提高了18.6%、42.9%和150%。显然，ALE-ADS能抵抗种子老化，保证种子发芽，且老化时间越长，ALE-ADS对种子抗老化效果越好。
图7 ALE-ADS用作种子包衣：a） 种子的生长高度；b） 种子的发芽率
5.3 ALE-ADS用作生物吸附剂
图8显示了ALE-ADS对Cu2+、Pb2+、Cd2+和PO43-具有吸附性。ALE-ADS对不同离子吸附反应都在10 min内迅速进行，并且在此过程中可以实现35%的吸附容量。随着反应时间延长，吸附速率减慢，约90 min达到平衡。ALE-ADS对不同离子表现出不同的吸附能力：Pb2+（193.5 ± 0.1 mg/g） > PO43-（76.3 ± 0.1 mg/g） > Cu2+（67.9 ± 0.1 mg/g） > Cd2+（56.3 ± 0.1 mg/g），这表明ALE-ADS具有不同离子吸附结合位点，并且ALE-ADS吸附能力与商业藻酸盐和好氧污泥ALE吸附能力相当。此外，四种离子吸附过程符合伪二阶模型（R2>0.99），表明离子在ALE-ADS上的吸附是一个通过吸附剂和被吸附物之间交换或共享电子的化学吸附过程。
图8 ALE-ADS对Cu2+、Pb2+、Cd2+和PO43-吸附曲线
结论
1）ALE-ADS含量范围为119.4~179.4 mg/g VSS；
2）不同来源的ALE-ADS组成相似，主要由蛋白质、多糖（中性糖和糖醛酸）和腐殖质组成；
3）ALE-ADS中GG、MG和MM区块分别占20.8%~33.8%、12.8%~30.1%和6.6%~15.1%；
4）ALE-ADS与商业藻酸盐的官能团相似性达到62.22%~70.04%；
5）凝胶形成能力、成膜性、两亲性和吸附性使ALE-ADS具有作为防水涂料、种子包衣和生物吸附剂之应用潜力。
