全 文 ：胞外蛋白对微生物聚集体的形成及其特性的影响*
吕梅乐1 摇 朱摇 亮1**摇 戴摇 昕1 摇 周佳恒1 摇 徐向阳1,2
( 1浙江大学环境工程系, 杭州 310058; 2浙江大学鄄西澳大学水环境综合管理与保护联合研究中心, 杭州 310058)
摘摇 要摇 胞外多聚物是微生物聚集体(污泥絮体、生物膜和颗粒污泥等)的主要成分,在微生
物聚集体的形成及其结构稳定过程中起关键作用. 胞外蛋白作为胞外多聚物的主要组分之
一,在微生物絮凝和聚集过程中的作用日益受到关注.蛋白分析技术的发展和应用为胞外蛋
白的深入研究提供了良好的平台.本文综述了胞外蛋白在微生物聚集体中的种类和分布,以
及在絮凝、沉降、传质、吸附和脱水等性能方面的作用,并对胞外蛋白的研究和应用进行了
展望.
关键词摇 胞外多聚物摇 微生物聚集体摇 胞外蛋白摇 蛋白分析技术
文章编号摇 1001-9332(2013)03-0878-07摇 中图分类号摇 X1摇 文献标识码摇 A
Effects of extracellular protein on the formation and properties of microbial assemblages: A
review. L譈 Mei鄄le1, ZHU Liang1, DAI Xin1, ZHOU Jia鄄heng1, XU Xiang鄄yang1,2 ( 1Department
of Environmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2ZJU鄄UWA Joint
Centre in Integrated Water Management and Protection, Hangzhou 310058, China) . 鄄Chin. J. Appl.
Ecol. ,2013,24(3): 878-884.
Abstract: Extracellular polymeric substance (EPS), as a major component of microbial assembla鄄
ges, e. g. , activated sludge, biofilm and particulate sludge, etc. , plays a crucial role in the forma鄄
tion and structural maintenance of microbial assemblages. Extracellular protein is a main constituent
of EPS, and its functioning in microbial flocculation and aggregation has being paid more and more
attention. The development and application of protein analytical techniques provide a good platform
for the further study of extracellular protein. The paper reviewed the kind and distribution of extra鄄
cellular protein in microbial assemblages and the roles of the extracellular protein in flocculation,
sedimentation, adsorption, mass transferring, and dewatering. The prospects of the future study and
applications of extracellular protein were also put forward.
Key words: extracellular polymeric substance; microbial assemblage; extracellular protein; protein
analytical technique.
*国家自然科学基金项目(51078327,51008269)、浙江省环保科研
计划项目( 2011B10 ) 和浙江省科技厅重大科技专项重点项目
(2008C13007鄄2)资助.
**通讯作者. E鄄mail: felix79cn@ hotmail. com
2012鄄06鄄18 收稿,2012鄄10鄄17 接受.
摇 摇 胞外多聚物( extracellular polymeric substance,
EPS)作为污泥絮体、生物膜和颗粒污泥等微生物聚
集体的重要成分, 在微生物聚集体的形成和结构稳
定过程中起着重要作用[1-2] . EPS 主要成分是糖类
和蛋白质, 两者的总有机碳含量占整个 EPS 的
70% ~80% [3] .很多研究表明,胞外蛋白含量在多数
污泥 EPS中占绝对优势,并通过各种方式影响微生
物聚集体的形成和结构稳定[4-7] .此外, 胞外蛋白还
影响微生物聚集体的脱水、吸附性能和膜污染程度
等[8-10] .然而,对于胞外蛋白在微生物聚集体中的上
述作用,尚未有明确定论,亦未形成较完整的技术体
系.为此, 本文对胞外蛋白的种类、特性、空间分布、
分析方法,以及对微生物聚集体性能的影响进行了
综述, 以期为揭示胞外蛋白功能、微生物聚集体形
成机理等研究提供科学依据.
1摇 微生物分泌胞外蛋白的种类和特性
从空间分布上来说, 胞外蛋白分为结合蛋白
(bound protein)和溶解蛋白( soluble protein),或者
紧密结合型蛋白( tightly鄄bound protein)和松散结合
型蛋白(loosely鄄bound protein); 从生物降解角度来
说, 胞外蛋白分为生物可降解蛋白和不可降解蛋
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 3 月摇 第 24 卷摇 第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2013,24(3): 878-884
白; 从结构功能角度来说, 胞外蛋白分为胞外结构
蛋白和非结构蛋白[11-13] .
胞外结构蛋白作为胞外蛋白的一种重要形式,
在微生物聚集体的形成和结构稳定中起重要作用.
Park等[14]运用蛋白质组学方法鉴别了 EPS 中的多
种蛋白, 发现活性污泥 EPS 富含根粘蛋白、特异性
亮氨酸结合蛋白和鞭毛蛋白等与细菌细胞聚集和粘
附有关的膜外蛋白、间质蛋白. Higgins和 Novak[6]研
究发现,活性污泥的胞外蛋白中存在分子量为 15
kDa的类凝集素蛋白( lectinlike protein), 其具有凝
集素活性,易与多糖、二价阳离子结合形成网络结
构.此外,胞外蛋白影响生物聚集体的结构特性,还
因为某些结构蛋白可能具有凝胶特性. Seviour等[15]
通过酶解法减少胞外蛋白含量, 发现颗粒污泥的凝
胶特性明显减弱.虽然此类研究还比较少,结果也不
明确,但可以肯定的是, EPS 具有凝胶特性和改变
污泥粘性的能力[16-17] .
胞外非结构蛋白如胞外酶等,是胞外蛋白的另
一种主要形式.它能通过多种方式间接影响微生物
聚集体的形成和结构稳定.在反应饥饿期,胞外酶的
水解作用能使大分子物质分解成为小分子物质,最
终作为碳源和能源被微生物充分利用,从而利于聚
集体形成[18],但胞外物质的过多水解亦会造成微生
物聚集体结构的失稳和破坏[7,19] .此外,一些胞外蛋
白酶通过改变 EPS成分、表面性质和细胞的能动性
等影响生物膜的形成和架构[20-21] .
综上,微生物胞外蛋白的分泌受外界环境条件
影响, 通过改变培养条件来调控其形成,可实现微
生物聚集体的形成和结构稳定[22] .但不同胞外蛋白
具有不同的功能特性.受试验条件等多种因素限制,
目前微生物处理系统中大部分胞外蛋白的结构和功
能未得到明确鉴定.
2摇 胞外蛋白在微生物聚集体中的分布
微生物聚集体中胞外蛋白的分布可以通过荧光
染料染色后利用共焦激光扫描显微镜(CLSM)或荧
光显微镜观察.
不同的微生物聚集体呈现出不同的蛋白分布.
生物膜的胞外蛋白随着生物膜厚度的增加逐渐减
少, 从顶层的 3. 75 mg·cm-3下降到底层的 0. 85
mg·cm-3 [12,23];而颗粒污泥的内层主要是蛋白质,
细胞和多糖主要分布在颗粒污泥的外层[4,24] . 造成
蛋白在生物膜和颗粒污泥中不均匀分布的原因可能
是,生物膜厚度和颗粒污泥粒径的增大限制了基质、
O2等从外部传递到内部, 一方面造成内层中细胞生
长营养不足(饥饿状态),导致 EPS 的分泌或消耗;
另一方面则导致细胞死亡,从而使蛋白等这类主要
细胞组成物质出现泄漏. 此外, 这种现象的产生还
可能与微生物本身在聚集体中的空间异质性[25-26]
有关:不同微生物在代谢途径和代谢活性等方面存
在差异,使得细胞分泌、裂解产生的蛋白与细胞利用
消耗的蛋白含量有所不同, 最终导致胞外蛋白在微
生物聚集体中呈不均匀分布.
3摇 胞外蛋白对微生物聚集体特性的影响
氨基酸是胞外蛋白的基本组成单位, 因氨基酸
有不同的分子量、疏水值和等电点,其组成和含量决
定了胞外蛋白的一些物化性质, 如蛋白的分子量大
小、疏水性和带电性等. 此外,经氨基酸排列和折叠
等产生的蛋白一级结构和二级结构也影响污泥性
能[27-28] .这可能是因为蛋白的结构能通过影响蛋白
的疏水性能,进而影响细胞的聚合等[29-30] . 胞外蛋
白的组成、结构和空间分布,影响微生物聚集体的特
性, 包括絮凝、沉降、脱水和吸附等性能以及膜污染
程度.
3郾 1摇 胞外蛋白对污泥絮凝性能的影响
微生物聚集体的絮凝能力是评价污泥性能好坏
的一个重要指标[31] .胞外蛋白主要通过细胞表面性
能来影响污泥絮凝性能. 低表面电荷和高疏水性能
够促进细胞间的粘附. Li 等[18]研究表明,EPS 蛋白
含量与活性污泥表面电负性和相对疏水性的相关系
数分别为 0. 91 和-0. 98, 说明相对少量的蛋白成分
有利于污泥的絮凝;Sponza[32]也发现,胞外蛋白含
量高导致污泥表面带负电量也高, 污泥絮凝能力下
降; 而 Xie等[33]研究表明, 胞外蛋白严重影响细胞
的 zeta电位和疏水性, 通过蛋白酶解法处理后, 污
泥失去絮凝能力.上述研究结果均说明胞外蛋白会
影响污泥的絮凝性能,但作用好坏还未有明确定论,
主要取决于受操作工艺控制的微生物分泌胞外蛋白
的性质和含量等因素.通常采用 EPS 主要成分即蛋
白 /多糖比值来研究其对污泥表面性质的影响, 较
高的蛋白 /多糖比值有利于污泥的絮凝[11,33] . 其原
因可能是蛋白所带的正电荷和多糖所带的负电荷之
间的平衡以及蛋白疏水部位和多糖亲水部位之间的
相互作用, 致使蛋白 /多糖比值用以评价 EPS 成分
对污泥絮凝能力的影响更为合理[34] .
胞外蛋白对污泥絮凝的影响还体现在其在污泥
颗粒化中的作用. Zhang等[5]研究发现,在好氧污泥
9783 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吕梅乐等: 胞外蛋白对微生物聚集体的形成及其特性的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
颗粒化过程中, 蛋白含量明显从 49. 4 mg·g-1VSS
(可挥发性固体, volatile suspended solid) 升高到
148. 3 mg·g-1VSS, 蛋白种类也有所增加. McSwain
等[4]研究表明, 好氧颗粒污泥的蛋白含量要比絮体
污泥多 50%以上, 大量电负性氨基酸组成的蛋白能
够与多价阳离子静电键合, 同时增强细胞疏水性,
有利于颗粒结构的形成. Wang 等[11]也发现,胞外蛋
白与细胞表面电荷和疏水性分别呈显著的负相关
(R2 =0. 98)和正相关(R2 = 0. 97),从而促进污泥颗
粒化.另外,Adav 等[19]研究发现,低温储存后的好
氧颗粒污泥蛋白含量明显下降,从 ( 457 依 54 )
mg·g-1 VSS降到(288依21) mg·g-1VSS,而多糖含
量基本不变,认为颗粒蛋白内核水解导致其颗粒结
构稳定性丧失.
胞外蛋白在污泥絮凝尤其是颗粒化中所起的作
用,凸显了它在微生物聚集体中的重要性. 因此,有
必要对其进行深入研究,明确它在微生物聚集体形
成和结构稳定过程中的作用机制.
3郾 2摇 胞外蛋白对污泥沉降性能的影响
微生物聚集体的沉降性能是评价污泥性能好坏
的一个重要指标.有研究表明,蛋白分子量大小能影
响污泥的沉降性能. 大分子量(10 ~ 600 kDa)的聚
合物对污泥的沉降性能影响显著大于分子量较小
(<1 kDa)的聚合物, 大分子量聚合物所占比例的减
少会导致污泥体积指数(sludge volume index,SVI)
的增大[31] . Martinez 等[35]发现,大分子量蛋白有利
于污泥的沉降.这可能是因为大分子量蛋白能够提
供更多的阳离子结合位点和聚合物交互点, 从而形
成更为紧密的污泥结构, 促进污泥沉降. 此外, 污
泥的沉降性能还与蛋白含量有关. Sponza[36]和 Shin
等[37]研究表明,污泥 SVI与 EPS中蛋白含量呈负相
关; 而 Martinez等[38]却发现,污泥 SVI 随蛋白含量
的升高而增大.这两种相互矛盾的结果可能是由紧
密结合型蛋白与松散结合型蛋白的比例不同而产生
的.过量的松散型物质易形成散漫和开放的结构,
其中包含大量的结合水, 使污泥结构空隙增多、密
度降低, 而紧密型物质与之相反,这导致过量的松
散结合型蛋白会削弱污泥的沉降性能,而相对高浓
度的紧密结合型蛋白则有利于污泥的沉降[39] .
3郾 3摇 胞外蛋白对污泥脱水性能的影响
对于许多废水处理系统, 污泥的脱水性能直接
影响着污泥处理厂运行的经济性和有效性. 通常用
比阻(specific resistance to filtration, SRF)和毛细吸
水时间( capillary suction time, CST)来表征污泥在
压力作用下的脱水能力. CST 越小, 脱水能力越好.
有研究表明, 胞外蛋白具有较强的锁水能力, 其含
量的降低可以提高污泥的脱水能力[8,32] . Shao 等[40]
研究表明,污泥 CST 与溶解态蛋白呈显著正相关,
与结合态蛋白呈负相关. Novak 等[41]也发现,溶解
态蛋白含量的增加会降低污泥的脱水性能. Higgins
和 Novak[6]研究表明,污泥絮体中胞外结合蛋白的
减少会导致脱水性能变差. 其原因可能是因为附着
态蛋白的减少会导致污泥解体, 细小污泥大量生
成, 对污泥脱水造成不利影响;而溶解态蛋白含量
的增加会使大量水分子停留在污泥中, 从而增加了
污泥空隙含水量.
因此,减少或去除溶解态蛋白有利于提高污泥
脱水性,从而实现剩余污泥的减量化. 有研究表明,
溶解态 EPS具有生物降解性,可通过微生物降解来
改善污泥脱水性能[13] .另外, 热处理和化学氧化处
理等也可以通过有效地降解蛋白和糖类物质使脱水
性能提高[42] .需要注意的是,物质降解最好充分完
全,因为不完全的降解很可能造成小分子物质释放
到溶液中,反而导致脱水性能变差[43-44] .
3郾 4摇 胞外蛋白对膜污染的影响
膜污染是一种典型的影响传质过程的现象, 而
泥饼层是一种比较常见的膜污染.近年来,很多有关
膜生物反应器(membrane bioreactors,MBRs)的研究
表明,EPS是最重要的膜污染生物影响因子[45] . 例
如,Wang 等[46]在凝胶层和泥饼层 2 种不同膜污染
层里发现了荧光类蛋白物质. Ou 等[47]发现,随着胞
外蛋白浓度的增加, 过滤时间相对增长, 膜污染加
剧. Meng等[9]研究表明,蛋白与膜污染阻力之间存
在正相关关系( r = 0. 810). Arabi 和 Nakhla[48]也认
为,胞外蛋白会增大膜阻力,其原因可能是,一方面
胞外疏水蛋白有利于微生物在膜表面的粘附, 从而
降低膜的通透性, 使膜阻力增加;另一方面疏水性
蛋白可以促进污泥颗粒间的絮凝和聚集, 增大的颗
粒污泥会导致泥饼阻力的增加, 加剧膜污染.
疏水性胞外蛋白能增大膜阻力,加剧膜污染.同
时,蛋白的疏水性又有利于生物膜的形成. 因此,通
过工艺调控来减少胞外物质的分泌量或者降低疏水
性来控制膜污染是不可取的,需采用其他方式来减
缓或去除膜污染,如选择合适的膜生物反应器和膜
组件构型以及采用曝气湍流这类措施等.
3郾 5摇 胞外蛋白对污染物吸附的影响
微生物聚集体中的胞外蛋白富含羧基基团, 可
通过静电力与金属离子结合. Sheng等[10]研究发现,
088 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
细菌在重金属废水中培养 70 h后, Cu和 Cd在以蛋
白为主的 EPS中的含量分别为 89. 2%和 78郾 5% ,只
有少量存在于基质和细胞中. 此外, 脂肪族和芳香
族蛋白含有有机物吸附位点, 可用于吸附有机污染
物. EPS中的蛋白和多糖能提高油水两相系统中多
环芳烃类(PAHs)的质量传递, 从而增强该类有机
污染物的降解[49] . Pan 等[50]研究表明,蛋白质靠静
电作用力和疏水键能与麦草畏除草剂(dicamba)很
好地结合, 而且溶解态蛋白与 dicamba 间的相互作
用要强于结合态蛋白. Wang 等[51]还发现,EPS 中蛋
白的羧基基团和疏水作用能促进天然有机物质的吸
附.
胞外蛋白除了能吸附金属离子和有机物外, 在
生物除磷过程中也同样起着重要作用.周健等[52]发
现,污泥中 18%的磷富集在以蛋白为主的 EPS 中.
这种贮磷作用可能是因为某些氨基酸、糖类基团通
过离子交换和吸附等方式与基质中的磷酸离子形成
某些特定的络合物,从而贮存于 EPS中.
通过这种吸附作用和扩散限制作用能阻止污染
物质进入细胞, 从而降低毒性物质对微生物体的危
害.但是, 高浓度的污染物质仍然会降低酶的活性
从而影响细胞代谢活性. 另外, 吸附到溶解态蛋白
上的污染物质,因为它的高溶解度和易降解性可能
会再次释放回主体溶液中, 甚至在出水中释放, 最
终影响出水水质.
4摇 胞外蛋白的提取与分析方法
常见的 EPS 提取方法有物理方法,如离心法、
超声波法和加热法,化学方法如碱法、 EDTA法和阳
离子交换树脂法, 以及它们的综合方法如甲醛鄄超
声法等.然而,至今为止还没有建立一套标准的提取
方法准则.选择合适的提取方法能确保试验结果的
准确性.与 EDTA法和阳离子交换树脂法等方法相
比, 甲醛鄄NaOH 法提取的蛋白含量是这些方法的
2 ~ 5倍, DNA 含量也只有 1. 1% ~ 1. 2% , 说明甲
醛鄄NaOH法对胞外蛋白提取效率较高,而且基本不
受胞内物质干扰[53] .但甲醛对胺类功能基团有很强
的亲和力, 其烷化会导致疏水性的增强, 从而不利
于对蛋白的进一步研究[54] .此外, 高 pH、加热等均
会破坏或者改变酶和蛋白的性质, 所以碱法、乙醛
法和加热法不适宜用来提取蛋白[4] . EDTA 法同样
会影响蛋白的酚试剂法(Lowey)测定, 但通过渗析
可减小其影响[55] .因此, 若要分析胞外蛋白, 在选
择 EPS提取方法时一定要考虑蛋白的理化性质以
及后续的分析测定.
目前, 已有很多方法和技术可以对胞外蛋白进
行定性或定量的分析(表 1). 这些技术虽然各自存
在一定的缺陷,但是通过它们的应用,仍然可以得到
很多蛋白的相关信息,包括蛋白的含量、空间分布、
分子量大小、官能团和二级结构等. 尤其是单向电
泳、双向电泳与质谱(1DE鄄MS / 2DE鄄MS)的联用, 是
目前蛋白质组学中比较常用的一种准确和精细的蛋
白鉴定技术.目前,这项技术的应用主要实现了纯培
养条件下微生物体内或体外一些功能蛋白的鉴
定[62-63] .而对于微生物聚集体,其胞外蛋白种类繁
多, 且处于不断变化中, 这一复杂性决定了它表征
鉴定工作的艰巨性. 因此, 运用蛋白质组学研究胞
外蛋白涉及一系列的工作, 是一个比较复杂但系统
的流程(图 1).
图 1摇 胞外蛋白分析的技术路线
Fig. 1摇 Technical route of the extracellular protein analysis.
5摇 研究展望
胞外蛋白是污泥 EPS的主要成分, 其在微生物
聚集体的形成和结构稳定中起重要作用.因此,对污
泥胞外蛋白的研究有助于了解微生物聚集体性状、
改善废水生物处理系统运行性能.然而,目前对污泥
胞外蛋白的特性及其作用尚不明确, 有待在以下几
个方面开展研究:
1)EPS 的提取方法有待完善. 微生物聚集体
EPS的提取是研究胞外蛋白特性和作用的基础. 在
选择提取方法时, 不仅要追求高效的提取效率, 还
要尽量避免提取方法对蛋白三级结构和理化性质的
破坏.
2)明确胞外蛋白在生物聚集体形成中的作用
机理,优化工艺参数调控微生物胞外蛋白分泌, 从
而促进微生物聚集体的形成及其结构稳定性.
3)研究胞外蛋白特性作用的适用范围, 并将其
实用化和广谱化,如根据胞外蛋白吸附特性的适用
1883 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吕梅乐等: 胞外蛋白对微生物聚集体的形成及其特性的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 1摇 蛋白分析方法
Table 1摇 Analytical methods for the proteins
分析方法
Analytical method
表征对象
Objective
特点
Trait
文献
Reference
酚试剂法
Lowry
测定 EPS中蛋白浓度 Determining the protein
concentration in EPS
操作简单,但易受腐殖质干扰,不适合检测低浓
度蛋白 The determination is simple, but easily dis鄄
turbed by humic acid, and it is not suitable for the
protein in low content
[56-57]
激光扫描共聚焦显微镜
Confocal laser scanning
microscopy
(CLSM)
结合 FITC等荧光探针观察蛋白空间分布,
并根据相关软件估算蛋白含量 Observing the
spatial distribution of protein combined with
FITC fluorescent probe, and estimating its con鄄
tent with related sofeware
原位检测,检测速度快,可同时估算 EPS 各组分
含量,但信号重叠影响结果准确性 Detection is in
situ and fast, and the content of the constituents in
EPS can be estimated as well. But the overlap of the
signals will influence the accuracy
[4,58]
X射线光电子能谱
X鄄ray photoelectron spec鄄
troscopy (XPS)
定性定量分析蛋白官能团, 检测与金属离
子的结合情况 Analyzing the protein functional
groups qualitatively and quantificationally, and
detecting the binding between the protein and
metal ion
原位检测避免操作误差, 但不能准确判断各官
能团 The detection in situ can avoid the operating
error, but the functional groups can not be judged
precisely
[27,59]
三维荧光法 Excitation鄄
emission microscopy
(EEM)
测定具有荧光基团的蛋白、腐殖质等物质
Determining the substances carrying fluores鄄
cence groups like protein and humic acid
灵敏度高,选择性好,不破坏样品,但易受 pH、离
子强度等影响 This method has a high sensitivity, a
good selectivity, and do not destroy the samples.
But it is susceptible to external factors such as pH
and ionic intensity
[60-61]
高效分子排阻色谱
High performance size ex鄄
clusion chromatography
(HPSEC)
得出蛋白的分子量分布,结合其他技术再进
行深入分析 Obtaining the molecular weight
distribution of protein, which can be analyzed
further with other techniques
分离蛋白,易受提取方法和色谱柱本身的影响
The protein can be isolated, but it is easily influ鄄
enced by the extraction method and the chromato鄄
graphic column
[31,54]
变性聚丙烯酰胺凝胶电
泳
Denatured polyacrylamide
gel electrophoresis ( SDS鄄
PAGE)
判断蛋白分子量的大小,分离蛋白,为蛋白
的进一步研究如 LC鄄MS 提供基础 Judging
the molecular weight of protein and separating
the protein for the further study like LC鄄MS
纯化分离蛋白,操作较为繁琐,复杂蛋白分离效
果一般 The protein can be purified and separated,
but the operation is complicated and the isolation
effect is not very good for complex proteins
[5,14]
傅里叶变换红外光谱
Fourier transform infrared
spectroscopy (FTIR)
测定蛋白含量,分析蛋白的官能团和二级结
构 Determining the protein contents, analyzing
the functional groups and secondary structure
光谱峰特征性强,分辨率高,但定量分析误差多,
不适合分析含水样品 The method has a strong fea鄄
ture of the spectral peak and a high resolution, but it
is not suitable for quantitative analysis and the sam鄄
ples containing water
[27-28]
液相质谱
Liquid chromatography鄄
mass spectrometry ( LC鄄
MS)
鉴定蛋白,明确功能蛋白 Identifying protein
and elucidating the functional protein
精确,灵敏度高,但预处理和后续分析比较繁琐
The method is accurate and sensitive, but the pre鄄
treatment and subsequent analysis are complicated
[14,62]
环境和适用对象, 有选择地用于实际工程应用中重
金属的生物修复等.
参考文献
[1]摇 Sheng GP, Yu HQ, Li XY. Extracellular polymeric sub鄄
stances ( EPS) of microbial aggregates in biological
wastewater treatment systems: A review. Biotechnology
Advances, 2010, 28: 882-894
[2]摇 Yu Y鄄W (俞言文), Zhu L (朱摇 亮), Qi H鄄Y (戚韩
英), et al. Advances in extracellular polymeric sub鄄
stances of bio鄄aggregates in biological wastewater treat鄄
ment system. Chinese Journal of Applied and Environ鄄
mental Biology (应用与环境生物学报), 2012, 18
(2): 338-343 (in Chinese)
[3]摇 Dignac MF, Urbain V, Rybacki D, et al. Chemical de鄄
scription of extracellular polymers: Implication on acti鄄
vated sludge floc structure. Water Science and Technolo鄄
gy, 1998, 38: 45-53
[4]摇 McSwain BS, Irvine RL, Hausner M, et al. Composi鄄
tion and distribution of extracellular polymeric sub鄄
stances in aerobic flocs and granular sludge. Applied and
Environmental Microbiology, 2005, 71: 1051-1057
[5]摇 Zhang LL, Feng XX, Zhu NW, et al. Role of extracel鄄
lular protein in the formation and stability of aerobic
granules. Enzyme and Microbial Technology, 2007, 41:
551-557
[6]摇 Higgins MJ, Novak JT. Characterization of exocellular
protein and its role in bioflocculation. Journal of Envi鄄
ronmental Engineering, 1997, 123: 479-485
[7]摇 Yu GH, He PJ, Shao LM, et al. Extracellular polymer鄄
ic substances (EPS) and extracellular enzymes in aero鄄
bic granules. Drying Technology, 2010, 28: 910-915
[8]摇 Cetin S, Erdincler A. The role of carbohydrate and pro鄄
tein parts of extracellular polymeric substances on the
dewaterability of biological sludges. Water Science and
Technology, 2004, 50: 49-56
[9]摇 Meng FG, Zhang HM, Yang FL, et al. Identification of
activated sludge properties affecting membrane fouling in
submerged membrane bioreactors. Separation and Purifi鄄
cation Technology, 2006, 51: 95-103
[10]摇 Sheng GP, Yu HQ, Yue ZB. Production of extracellular
polymeric substances from Rhodopseudomonas acidophila
288 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
in the presence of toxic substances. Applied Microbiology
and Biotechnology, 2005, 69: 216-222
[11]摇 Wang ZP, Liu LL, Yao H, et al. Effects of extracellular
polymeric substances on aerobic granulation in sequen鄄
cing batch reactors. Chemosphere, 2006, 63: 1728 -
1735
[12]摇 Li TG, Bai RB, Liu JX. Distribution and composition of
extracellular polymeric substances in membrane鄄aerated
biofilm. Journal of Biotechnology, 2008, 135: 52-57
[13]摇 Laspidou CS, Rittmann BE. A unified theory for extra鄄
cellular polymeric substances, soluble microbial prod鄄
ucts, and active and inert biomass. Water Research,
2002, 36: 2711-2720
[14]摇 Park C, Novak JT, Helm RF, et al. Evaluation of the
extracellular proteins in full鄄scale activated sludges.
Water Research, 2008, 42: 3879-3889
[15]摇 Seviour T, Pijuan M, Nicholson T, et al. Understanding
the properties of aerobic sludge granules as hydrogels.
Biotechnology and Bioengineering, 2009, 102: 1483 -
1493
[16]摇 Sutherland IW. Exopolysaccharides in biofilms, flocs
and related structures. Water Science and Technology,
2001, 43: 77-86
[17]摇 Wloka M, Rehage H, Flemming HC, et al. Rheological
properties of viscoelastic biofilm extracellular polymeric
substances and comparison to the behavior of calcium al鄄
ginate gels. Colloid and Polymer Science, 2004, 282:
1067-1076
[18]摇 Li ZH, Kuba T, Kusuda T. The influence of starvation
phase on the properties and the development of aerobic
granules. Enzyme and Microbial Technology, 2006, 38:
670-674
[19]摇 Adav SS, Lee DJ, Lai JY. Proteolytic activity in stored
aerobic granular sludge and structural integrity. Biore鄄
source Technology, 2009, 100: 68-73
[20] 摇 Tielen P, Rosenau F, Wilhelm S, et al. Extracellular
enzymes affect biofilm formation of mucoid Pseudomonas
aeruginosa. Microbiology, 2010, 156: 2239-2252
[21]摇 Romani AM, Fund K, Artigas J, et al. Relevance of
polymeric matrix enzymes during biofilm formation. Mi鄄
crobial Ecology, 2008, 56: 427-436
[22]摇 Schmidt I, Steenbakkers PJM, op den Camp HJM, et
al. Physiologic and proteomic evidence for a role of ni鄄
tric oxide in biofilm formation by Nitrosomonas europaea
and other ammonia oxidizers. Journal of Bacteriology,
2004, 186: 2781-2788
[23]摇 Zhang XQ, Bishop PL. Spatial distribution of extracellu鄄
lar polymeric substances in biofilms. Journal of Environ鄄
mental Engineering, 2001, 127: 850-856
[24]摇 Adav SS, Lee DJ, Tay JH. Extracellular polymeric sub鄄
stances and structural stability of aerobic granule. Water
Research, 2008, 42: 1644-1650
[25]摇 Liu Y, Tay JH. The essential role of hydrodynamic
shear force in the formation of biofilm and granular
sludge. Water Research, 2002, 36: 1653-1665
[26]摇 Wang ZW, Liu Y, Tay JH. Distribution of EPS and cell
surface hydrophobicity in aerobic granules. Applied Mi鄄
crobiology and Biotechnology, 2005, 69: 469-473
[27]摇 Badireddy AR, Chellam S, Gassman PL, et al. Role of
extracellular polymeric substances in bioflocculation of
activated sludge microorganisms under glucose鄄controlled
conditions. Water Research, 2010, 44: 4505-4516
[28]摇 Beech I, Hanjagsit L, Kalaji M, et al. Chemical and
structural characterization of exopolymers produced by
Pseudomonas sp. NCIMB 2021 in continuous culture.
Microbiology, 1999, 145: 1491-1497
[29]摇 Koehler J, Woetzel N, Staritzbichler R, et al. A unified
hydrophobicity scale for multispan membrane proteins.
Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics,
2009, 76: 13-29
[30]摇 Kurgan LA, Stach W, Ruan J. Novel scales based on
hydrophobicity indices for secondary protein structure.
Journal of Theoretical Biology, 2007, 248: 354-366
[31]摇 Garnier C, Gorner T, Lartiges BS, et al. Characteriza鄄
tion of activated sludge exopolymers from various ori鄄
gins: A combined size鄄exclusion chromatography and in鄄
frared microscopy study. Water Research, 2005, 39:
3044-3054
[32]摇 Sponza DT. Extracellular polymer substances and physi鄄
cochemical properties of flocs in steady鄄 and unsteady鄄
state activated sludge systems. Process Biochemistry,
2002, 37: 983-998
[33]摇 Xie B, Gu JD, Lu J. Surface properties of bacteria from
activated sludge in relation to bioflocculation. Journal of
Environmental Sciences, 2010, 22: 1840-1845
[34]摇 Liao BQ, Allen DG, Droppo IG, et al. Surface proper鄄
ties of sludge and their role in bioflocculation and settle鄄
ability. Water Research, 2001, 35: 339-350
[35]摇 Martinez F, Lema J, Mendez R, et al. Role of exopoly鄄
meric protein on the settleability of nitrifying sludges.
Bioresource Technology, 2004, 94: 43-48
[36]摇 Sponza DT. Investigation of extracellular polymer sub鄄
stances (EPS) and physicochemical properties of differ鄄
ent activated sludge flocs under steady鄄state conditions.
Enzyme and Microbial Technology, 2003, 32: 375-385
[37]摇 Shin HS, Kang ST, Nam SY. Effect of carbohydrate and
protein in the EPS on sludge settling characteristics.
Water Science and Technology, 2001, 43: 193-196
[38]摇 Martinez F, Favela鄄Torres E, Gomez J. Oscillations of
exopolymeric composition and sludge volume index in ni鄄
trifying flocs. Applied Biochemistry and Biotechnology,
2000, 87: 177-188
[39]摇 Chen HA, Zhou SG, Li TH. Impact of extracellular pol鄄
ymeric substances on the settlement ability of aerobic
granular sludge. Environmental Technology, 2010, 31:
1601-1612
[40]摇 Shao LM, He PP, Yu GH, et al. Effect of proteins,
polysaccharides, and particle sizes on sludge dewater鄄
ability. Journal of Environmental Sciences, 2009, 21:
83-88
[41]摇 Novak JT, Muller CD, Murthy SN. Floc structure and
the role of cations. Water Science and Technology,
2001, 44: 209-213
[42]摇 Neyens E, Baeyens J, Dewil R, et al. Advanced sludge
3883 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吕梅乐等: 胞外蛋白对微生物聚集体的形成及其特性的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
treatment affects extracellular polymeric substances to
improve activated sludge dewatering. Journal of Hazard鄄
ous Materials, 2004, 106: 83-92
[43]摇 Wang F, Ji M, Lu S. Influence of ultrasonic disintegra鄄
tion on the dewaterability of waste activated sludge. En鄄
vironmental Progress, 2006, 25: 257-260
[44]摇 Pei HY, Hu WR, Liu QH. Effect of protease and cellu鄄
lase on the characteristic of activated sludge. Journal of
Hazardous Materials, 2010, 178: 397-403
[45]摇 Wang ZW, Wu ZC, Tang SJ, et al. Role of EPS in
membrane fouling of a submerged anaerobic鄄anoxic鄄oxic
(A鄄A鄄O) membrane bioreactor for municipal wastewater
treatment. Desalination and Water Treatment, 2011,
34: 88-93
[46]摇 Wang QY, Wang ZW, Wu ZC, et al. Insights into
membrane fouling of submerged membrane bioreactors by
characterizing different fouling layers formed on mem鄄
brane surfaces. Chemical Engineering Journal, 2012,
179: 169-177
[47]摇 Ou SH, You SJ, Lee YC. Extracellular polymeric sub鄄
stance characteristics and fouling formation mechanisms
in submerged membrane bioreactors. Desalination and
Water Treatment, 2010, 18: 175-181
[48]摇 Arabi S, Nakhla G. Impact of protein / carbohydrate ratio
in the feed wastewater on the membrane fouling in mem鄄
brane bioreactors. Journal of Membrane Science, 2008,
324: 142-150
[49]摇 Zhang YP, Wang F, Yang XL, et al. Extracellular pol鄄
ymeric substances enhanced mass transfer of polycyclic
aromatic hydrocarbons in the two鄄liquid鄄phase system for
biodegradation. Applied Microbiology and Biotechnology,
2011, 90: 1063-1071
[50]摇 Pan XL, Liu J, Zhang DY, et al. Binding of dicamba to
soluble and bound extracellular polymeric substances
(EPS) from aerobic activated sludge: A fluorescence
quenching study. Journal of Colloid and Interface Sci鄄
ence, 2010, 345: 442-447
[51]摇 Wang ZK, Hessler CM, Xue Z, et al. The role of extra鄄
cellular polymeric substances on the sorption of natural
organic matter. Water Research, 2012, 46: 1052-1060
[52]摇 Zhou J (周摇 健), Li J鄄J (栗静静), Long T鄄R (龙腾
锐), et al. Study on the action of extracellular polymer鄄
ic substances (EPS) in biological phosphorus removal
from wastewater. Acta Scientiae Circumstantiae (环境科
学学报), 2008, 28(9): 1758-1762 (in Chinese)
[53]摇 Liu H, Fang HHP. Extraction of extracellular polymeric
substances (EPS) of sludges. Journal of Biotechnology,
2002, 95: 249-256
[54]摇 Comte S, Guibaud G, Baudu M. Effect of extraction
method on EPS from activated sludge: An HPSEC inves鄄
tigation. Journal of Hazardous Materials, 2007, 140:
129-137
[55]摇 D爷 Abzac P, Bordas F, van Hullebusch E, et al. Ex鄄
traction of extracellular polymeric substances ( EPS)
from anaerobic granular sludges: Comparison of chemi鄄
cal and physical extraction protocols. Applied Microbiolo鄄
gy and Biotechnology, 2010, 85: 1589-1599
[56]摇 Li XY, Yang SF. Influence of loosely bound extracellu鄄
lar polymeric substances ( EPS) on the flocculation,
sedimentation and dewaterability of activated sludge.
Water Research, 2007, 41: 1022-1030
[57]摇 Avella AC, Gorner T, de Donato P. The pitfalls of pro鄄
tein quantification in wastewater treatment studies. Sci鄄
ence of the Total Environment, 2010, 408: 4906-4909
[58]摇 Wagner M, Ivleva NP, Haisch C, et al. Combined use
of confocal laser scanning microscopy (CLSM) an Ra鄄
man microscopy (RM): Investigations on EPS鄄Matrix.
Water Research, 2009, 43: 63-76
[59]摇 Sun XF, Wang SG, Zhang XM, et al. Spectroscopic
study of Zn2+ and Co2+ binding to extracellular polymeric
substances ( EPS) from aerobic granules. Journal of
Colloid and Interface Science, 2009, 335: 11-17
[60]摇 Sheng GP, Yu HQ. Characterization of extracellular pol鄄
ymeric substances of aerobic and anaerobic sludge using
three鄄dimensional excitation and emission matrix fluores鄄
cence spectroscopy. Water Research, 2006, 40: 1233-
1239
[61]摇 Wang ZW, Wu ZC, Tang SJ. Characterization of dis鄄
solved organic matter in a submerged membrane bioreac鄄
tor by using three鄄dimensional excitation and emission
matrix fluorescence spectroscopy. Water Research,
2009, 43: 1533-1540
[62]摇 Cao B, Shi LA, Brown RN, et al. Extracellular poly鄄
meric substances from Shewanella sp. HRCR鄄1 bio鄄
films: Characterization by infrared spectroscopy and pro鄄
teomics. Environmental Microbiology, 2011, 13: 1018-
1031
[63]摇 Wilmes P, Andersson AF, Lefsrud MG, et al. Commu鄄
nity proteogenomics highlights microbial strain鄄variant
protein expression within activated sludge performing en鄄
hanced biological phosphorus removal. ISME Journal,
2008, 2: 853-864
作者简介摇 吕梅乐,1988 年生,硕士研究生. 主要从事废水
生物处理、好氧污泥颗粒化机理研究. E鄄mail: lvmei鄄
le19880902@ 163. com.
责任编辑摇 孙摇 菊
488 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷