金属离子对好氧污泥颗粒中结构性EPS水凝胶的影响外文翻译资料

 2023-08-31 10:17:56

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金属离子对好氧污泥颗粒中结构性EPS水凝胶的影响

强调

  • 结构性EPS与碱土金属和过渡金属离子形成稳定的水凝胶
  • 结构性EPS水凝胶不同于纯多糖的水凝胶
  • 结构性EPS水凝胶对EDTA表现出良好的结构完整性
  • Aerobic granular sludge 好氧污泥颗粒
  • Extracted eps 提取EPS
  • Metal-EPS gel cylinder 金属EPS凝胶筒
  • Metal EPS gel beads 金属EPS凝胶珠
  • One mouth in EDTA 在乙二胺四乙酸里放置一个月

摘 要

结构性细胞外聚合物（结构性EPS）可以形成稳定的水凝胶，且被认为可以控制生物膜和好氧污泥颗粒的稳定性。从好氧污泥颗粒中提取结构性EPS，并表征其与不同碱土金属和过渡金属离子形成凝胶的能力。将结构性EPS水凝胶与藻酸盐水凝胶进行了比较。海藻酸盐是一种表征良好的聚合物，能够与多价离子形成坚硬的水凝胶。通过动态力学分析测量获得的水凝胶的硬度，并通过杨氏模量进行定量。此外，评估了在乙二胺四乙酸（EDTA）存在下结构性EPS水凝胶在分解时的稳定性，其pH为4.5 – 10.5，并与藻酸盐，聚半乳糖醛酸和kappa;-角叉菜胶相比。海藻酸盐水凝胶的刚度是结构性EPS的几倍。碱土金属比过渡金属产生更坚硬的藻酸盐水凝胶。对于结构性EPS，这种趋势与藻酸盐相反。与pH无关，当暴露于EDTA时，多糖水凝胶会迅速分解。结构性EPS水凝胶对EDTA表现出更大的稳定性，并且在pH 4.5-8.5下保存一个月后仍保持完整。有人提议，结构性EPS的胶凝机理不仅与聚合物的金属离子络合有关，还与结构性EPS中存在的多个官能团相互作用的组合有关。这项研究有助于进一步了解和表征好氧污泥颗粒的结构性EPS，并由此了解其以及一般生物膜的稳定性。

关键字：

细胞外聚合物（EPS），EPS分析，生物膜，好氧污泥颗粒，水凝胶

1.简介

好氧污泥颗粒工艺是一种新兴的废水技术（Pronket al.，2015）。污泥颗粒是具有水凝胶特性的球形生物膜（Seviouret al.，2009）。 结构性细胞外聚合物（结构性EPS）是形成水凝胶的聚合物，被认为与好氧污泥颗粒的机械强度密切相关（Felz et al.，2016）。了解结构性EPS的凝胶形成特性和稳定性将有助于更好的了解好氧污泥颗粒的稳定性。

好氧污泥颗粒的结构性EPS以前被称为藻酸盐样EPS（Linet al.，2008）。它们的提取方法类似于藻酸盐（McHugh，2003）。对结构性EPS的初步研究以及微生物EPS中藻酸盐的报道（Davies and Geesey，1995； Remminghorst and Rehm，2006）表明，结构性EPS中存在藻酸盐样化合物。结构性EPS和藻酸盐均与钙离子一起形成水凝胶，在酸性pH下以凝胶形式沉淀，并且在两种化合物中均通过FT-IR检测到了羧基（Dragetet al.，1994； Linet al.，2010）。结构性EPS的FT-IR光谱比纯藻酸盐更复杂。 FT-IR光谱出现的原因可能是：与提取物中包含的藻酸盐或杂质以及藻酸盐样化合物相比，结构性EPS的复杂性更高。除了前面提到的相似之处，后续研究还显示出结构性EPS比藻酸盐更复杂。结构性EPS由蛋白质，中性糖，氨基糖，糖醛酸和多酚化合物组成（Felzet al.，2019）。

包含酸性基团（例如藻酸盐）的亲水性聚合物具有与金属离子形成离子交联水凝胶的能力。离子交联水凝胶的结构和稳定性不仅受聚合物的结构和可用官能团的影响，还受金属离子类型的影响（Haug and Smidsroslash;d，1970； Lee and Mooney，2012； Ouwerxet al.） （1998）。为了了解和评估结构性EPS的胶凝性质，将离子凝胶的形成特性，冻干凝胶的结构以及结构性EPS的凝胶稳定性与已知的，特征明确的聚合物进行比较。用碱土金属，过渡金属和锌离子制备结构性EPS的水凝胶，以评估离子对凝胶的影响。结构性EPS水凝胶的刚度通过动态力学分析（DMA）进行测量，并通过杨氏模量进行量化。将获得的杨氏模量与藻酸盐的模量进行比较。干燥的结构性EPS水凝胶的结构元素通过环境扫描电子显微镜（ESEM）进行分析。此外，与纯藻酸盐，聚半乳糖醛酸和kappa;-角叉菜胶的水凝胶相比，在强螯合剂乙二胺四乙酸（EDTA）中，研究结构性EPS水凝胶的分解稳定性。

我们对于好氧污泥颗粒和一般生物膜中EPS的确切组成知之甚少，与表征良好的聚合物的比较可以用作研究起点，以使结构性EPS水凝胶的物理性能在文献中得以定位。 因此，我们可以评估参与胶凝的EPS的聚合物和官能团。 如此，该手稿旨在更好地理解结构性EPS的胶凝和凝胶稳定性，并试图增进大体上对好氧污泥颗粒和生物膜形成和稳定性的了解。

2.材料和方法

2.1收集污泥样品并提取结构性EPS

好氧污泥颗粒于2016年3月从荷兰乌得勒支市污水处理厂的Neredareg;中试反应器中收集。污泥颗粒和絮凝物通过用网眼尺寸为1 mm的不锈钢筛网过筛来分离。 收集仅含有污泥颗粒的保留部分，并用软化水洗涤。将洗涤后的样品以4000times;g离心，弃去上清液，并将沉淀在-20℃下冷冻直至进一步使用。如前所述（Felz et al.，2019）进行结构性EPS的提取。 将提取的结构性EPS在-80℃下冷冻并冷冻干燥。

2.2准备胶瓶

从第2.1节中提取的结构性EPS溶解在浓度为10％（w / v）的0.01 M氢氧化钠中，来自海带的柄中富含古洛糖醛酸的藻酸盐以2.5％（w / v）的浓度溶解。藻酸盐的组成在补充材料A中进行了说明。结构性EPS和藻酸盐使用了不同的浓度，以确保获得聚合物和稳定水凝胶圆柱体的完全溶解。空心塑料瓶的一侧覆盖有透析袋，其截留分子量（MWCO）为3.5 kDa。将溶解的结构性EPS和藻酸盐溶液分别转移到塑料瓶中，并用透析袋将塑料瓶封闭（Skjaring;k-Braelig;ket al.，1989）。将含有结构性EPS和藻酸盐溶液的量筒在装有150 ml 100 mM金属溶液的玻璃烧杯中透析。用于透析的金属溶液是氯化镁，氯化钙，氯化锶，氯化钡，硫酸锰，硫酸钴，硫酸镍，氯化铜和乙酸锌。更换透析液进行透析24小时。透析后，获得高度和直径为8 mm的凝胶圆筒，并用于DMA的机械分析。

2.3水凝胶气瓶的动态力学分析（DMA）

通过DMA测量按2.2节所述制备的水凝胶圆柱体的变形。在具有平行平板圆盘几何形状的Perkin Elmer 7E上进行DMA测量。将水凝胶圆柱体放在底板上，并每分钟通过增加25 mN力将其顶板压缩。从应力-应变曲线，我们获得了杨氏模量。一式三份进行测量。

2.4结构性EPS水凝胶的环境扫描电子显微镜（ESEM）

如2.2节所述，用氯化镁，氯化钙和乙酸锌制备结构性EPS凝胶瓶，并用软化水透析以除去未结合的金属离子。 对凝胶瓶进行针对乙醇的后续透析，以在冷冻干燥后获得具有更高结构完整性的凝胶瓶。 将凝胶圆筒在-80℃下冷冻，然后冷冻干燥。 将冻干的凝胶圆筒切成两半，以分析前一水凝胶的横截面。 用Philips XL30 ESEM钨丝电子显微镜在真空下进行ESEM分析。

2.5对EDTA的水凝胶稳定性测试

将提取的结构性EPS，藻酸盐和聚半乳糖醛酸溶于浓度为2.5％（w / v）的0.01 M氢氧化钠中。将kappa;-角叉菜胶溶于浓度为2.5％（w / v）的0.01M氢氧化钠中，并加热至60℃。使用1 ml巴斯德吸管，将结构性EPS和多糖溶液的小滴滴入氯化钙，氯化铜和乙酸锌的100 mM金属溶液中。使所得的水凝胶珠粒在金属离子溶液中静置3小时。为了除去未结合的金属离子，将水凝胶珠粒转移到软化水中，并在软化水中保持1小时。

制备浓度为2％（w / v）EDTA，pH为4.5、6.5、8.5和10.5的EDTA溶液。将每种聚合物的水凝胶珠粒转移到装有45 ml EDTA溶液的玻璃烧杯中。在所有聚合物中，在四个不同的pH值下分析了四个带有每种金属离子的水凝胶珠。每天一次将玻璃烧杯轻微旋转，以评估水凝胶珠的分解。监测水凝胶珠的分解一个月。如果凝胶珠作为一种球形凝胶存在，并且在旋转玻璃烧杯后视觉上完整，则认为凝胶是稳定的

3.结果

3.1结构性EPS水凝胶的动态力学分析

为了得出结构性EPS水凝胶的整体刚度和凝胶形成的结论，将结构性EPS水凝胶的刚度与特征明确的藻酸盐多糖进行了比较，后者经常被认为是生物膜基质的组成部分（Davies and Geesey，1995； Remminghorst and Rehm，2006）。用不同的金属离子评估凝胶的刚度。选择了碱土金属和过渡金属作为好氧污泥颗粒（补充材料B）中的两种金属成员，它们能够与阴离子聚合物形成水凝胶。此外，它们与藻酸盐的相互作用在亲和力和凝胶刚度方面表现良好（Chanet al.，2011； Haug，1961； Haug and Smidsroslash;d，1970； Ouwerxet al.，1998）。除Mg2 以外的其他碱土金属会产生更硬的水凝胶，并具有更大的离子半径，并且Cu2 的硬性比过渡金属（Mn2 ，Co2 ，Ni2 ）和Zn2 形成的更硬（Chanet al.，2011; Ouwerxet al.， 1998; Stracciaet al.，2015; Topuzet al.，2012）。

海藻酸盐通过其羧基与金属离子相互作用参与凝胶的形成。结构性EPS的组成比藻酸盐更复杂，因此多个官能团可参与凝胶的形成。要了解结构性EPS水凝胶的形成涉及聚合物的哪些官能团和类型，并比较其金属优先级，根据获得的凝胶硬度评估了不同的碱土金属（Mg2 ，Ca2 ，Sr2 ，Ba2 ），过渡金属（Mn2 ，Co2 ，Ni2 ，Cu2 ）和Zn2 。金属溶液的pH值（3.82-6.58）高于用于沉淀结构性EPS的pH，以避免酸沉淀形成凝胶。确切的pH值在补充材料C中进行了说明。所有金属离子均成功反应形成稳定的结构性EPS水凝胶（图1a）。凝胶的硬度按Mg2 lt;Sr2 lt;Ba2 asymp;Ca2 lt;Mn2 lt;Co2 lt;Ni2 lt;Zn2 lt;Cu2 的顺序增加。碱土金属的整体水凝胶的硬度不如过渡金属离子强。

具有碱土金属和过渡金属离子的藻酸盐水凝胶的刚度总结在图1b中。 由于Mg2 形成的藻酸盐凝胶较弱，强度不足以通过DMA进行测定，所以这里是根据文献确定的（Topuzet al.，2012）。 海藻酸铜水凝胶是不均匀的，因此无法进行准确而有代表性的刚度测量。 这可能是由于铜与藻酸盐形成的构造复杂或铜溶液的pH的亲和力所致（Lee and Mooney，2012； Ouwerxet al.，1998）。 海藻酸盐凝胶刚度按Mn2 lt;Ni2 lt;Co2 lt;Zn2 lt;Ca2 lt;Sr2 lt;Ba2 的顺序增加。 其他研究也得出与Mn2 ，Co2 ，Ni2 和Zn2 形成的藻酸盐凝胶比碱土金属形成的弱的相似的结果（Ouwerxet al.，1998； Stracciaet al.，2015）。 对于铜和钡水形成凝胶的测量结果不一致。 两篇报道分别表明海藻酸铜水凝胶比钡水凝胶坚硬（Chanet al.，2011），钡水凝胶比铜水凝胶坚硬（Ouwerxet al.，1998）。

总体上可以看出，即使只有1/4的聚合物浓度，藻酸盐水凝胶也比结构性EPS水凝胶显的更强，特别是对于碱土金属（除铜外），藻酸盐有利于碱土金属形成坚硬的水凝胶。对于结构性EPS，过渡金属和Zn2 始终比碱土金属产生更坚硬的水凝胶。就离子半径而言，结构性EPS水凝胶对碱土金属的偏爱不如藻酸盐，与藻酸盐相反，它能够与镁形成稳定的水凝胶。除铜外，过渡金属离子的结构性EPS水凝胶刚度随原子序数的增加而增加。这些结果表明结构性EPS与藻酸盐的化学性质完全不同。应当注意，重构的结构性EPS珠的强度比原始的好氧颗粒弱。这不能用当前使用的方法量化。

图1：以水凝胶的杨氏模量量化的凝胶刚度的动态力学分析

（a）具有Mg2 ，Ca2 ，Sr2 ，Ba2 ，Mn2 ，Co2 ，Ni2 ，Cu2 和Zn2 的10％（w / v）结构性EPS的二价金属离子

（b）2.5％（w / v）海藻酸盐，含Ca2 ，Sr2 ，Ba2 ，Mn2 ，Co2 ，Ni2 和Zn2 。

3.2结构性EPS水凝胶的环境扫描电子显微镜（ESEM）

进行了冻干结构性EPS水凝胶的ESEM分析，以观察用不同金属离子制备的凝胶的结构均质性和结构差异。 为了进行此评估，选择了Mg2 ，Ca2 和Zn2 离子，因为这些离子在胶凝刚度方面显示出藻酸盐和结构性EPS的不同趋势（第3.1节）。 在讨论（E）SEM图片时，重要的是要考虑到ESEM图片仅显示了冻干水凝胶的一小部分，并且与原始水凝胶的实际结构并不相似。 凝胶结构可能会因释放的液体

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