解偶联剂邻氯苯酚与活性污泥溶解性微生物产物(SMP)的相互作用研究

王苏娜，方芳,，徐润泽，操家顺,

(1.河海大学 环境学院， 江苏 南京 210098；2.河海大学 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098)

活性污泥法是一种有效的污水处理方法[1]，但同时会产生大量的剩余污泥[2]。研究表明，在活性污泥系统中投加化学解偶联剂能够实现污泥减量[3-4]。但是解偶联剂的投加会影响系统中微生物产物的形成[5]。

溶解性微生物产物(SMP)是由多糖、蛋白质等物质组成的高分子聚合物，其存在大量的活性官能团和疏水区域，能够与有机物进行吸附、络合等作用[6-7]。目前研究多关注SMP与重金属之间的相互作用，缺少SMP与解偶联剂间相互作用的研究。

本文以邻氯苯酚(oCP)为解偶联剂，通过一系列光谱方法研究oCP与SMP之间的相互作用，从而为解偶联剂与SMP的相互作用机制提供依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

接种污泥来自无锡市某污水处理厂;无水乙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾、七水硫酸镁、七水硫酸亚铁、氯化钙、乙二胺四乙酸、硫酸铜、氯化锰、钼酸铵、硫酸锌、氯化钴均为分析纯。

α-1506紫外-可见分光光度计;F-7000荧光分光计;NEXUS 870FT傅里叶红外光谱仪;Labconco真空冷冻干燥机。

1.2 污泥培养及废水配制

接种前将原污泥用蒸馏水冲洗3遍，以消除原有基质对后续实验的影响。污泥培养采用有效容积为3 L的SBR，其运行周期为360 min，其中进水5 min，反应320 min，沉淀20 min，排水7 min，闲置8 min。反应器运行过程中排水比为50%，污泥龄(SRT)通过人工排泥的方式保持在15 d。污泥培养过程中反应器内溶解氧浓度维持在(6±0.5) mg/L左右，温度为室温。

实验采用人工合成废水，其组分为无水乙酸钠(300 mg COD/L)、NH4Cl(86 mg/L)、KH2PO4(22 mg/L)、MgSO4·7H2O(25 mg/L)、CaCl2(25 mg/L)，此外，还添加微量元素，包括FeSO4·7H2O(5 mg/L)、EDTA(50 mg/L)、CuSO4·5H2O(1.8 mg/L)、MnCl2·4H2O(5.8 mg/L)、(NH4)6Mo7O24·4H2O(1.1 mg/L)、ZnSO4·7H2O(22 mg/L)和CoCl2·6H2O(1.6 mg/L)。

1.3 实验方法

活性污泥驯化1个月，然后从稳定运行的系统中提取足量的SMP溶液，此时反应器内混合液悬浮固体(MLSS)浓度约3 000 mg/L。当SBR反应器运行至沉降时间段，取反应器中上清液，在5 000 r/min下离心15 min，再经0.45 μm 醋酸纤维素膜过滤后得到SMP溶液。在5个烧杯中，分别装入250 mL提取的SMP溶液，投加不同量的oCP(ClC6H4OH),使5个烧杯中的oCP浓度依次为0，5，10，15,20 mg/L，磁力搅拌6 h。采集样品，采用紫外可见光谱、红外光谱和荧光光谱解析反应前后SMP溶液性质的变化。所得的光谱数据利用Origin 8.5处理。

2 结果与讨论

2.1 SMP与oCP相互作用的荧光解析

采用荧光分光计对SMP中的物质成分进行表征，激发波长(Ex)为200～600 nm，间隔10 nm，发射波长(Em)为200～600 nm，扫描步长2 nm。激发和发射缝均保持在5 nm，扫描速度为12 000 nm/min。图1为SMP溶液中投加不同浓度oCP后三维荧光图谱的变化。

由图1可知，出现了4个位置不同的荧光光谱峰，第1个峰A的位置位于Ex/Em=275～280/335～350 nm，其代表的是色氨酸类蛋白质；第2个峰B的位置位于Ex/Em=325～330/410～415 nm，为富里酸类物质，第3个峰C的位置位于Ex/Em=255～260/415～430 nm，为胡敏酸类物质[8]，峰B和峰C均属于腐殖质类物质。第4个峰D的位置位于Ex/Em=240/345～350 nm，为色氨酸氨基酸[9](表1)。投加不同浓度oCP后，A、B荧光峰的位置并没有较大移动，但是峰A和峰D的荧光强度有所变化，且该变化与oCP浓度呈负相关。这可能是由于色氨酸类物质与oCP发生了相互作用，使部分色氨酸类物质失去了荧光性。峰A和峰D的变化说明SMP中的蛋白类物质和oCP发生了作用，使得SMP本身的结构发生了变化[10]。

图1 SMP与不同浓度oCP反应的荧光光谱图

对于荧光峰D，随着oCP浓度的升高，其荧光强度逐步降低，在oCP浓度达到20 mg/L时，峰D消失，即荧光峰被oCP淬灭。常用的荧光猝灭方法有动态猝灭和静态猝灭2种。激发荧光团与淬火剂之间的扩散碰撞导致动态淬火过程，而荧光团与淬火剂之间的络合导致静态淬火过程[11]。基于荧光淬灭方法，我们进一步分析oCP与SMP的作用机制。

表1 SMP与不同oCP浓度反应的三维荧光光谱分析结果Table 1 Analysis results of three-dimensional fluorescence spectra of SMP reacting with different oCP concentrations

由于单纯通过荧光光谱不能判断荧光淬灭的类型，可以先假设峰D的淬灭过程为动态淬灭，那么它将符合Stern-Volmer方程[12](假设oCP在所选择的激发波长下没有吸收)：

F0/F=1+KSV[Q]=1+Kqτ0[Q]

(1)

式中,Kq为生物大分子的淬灭速率常数，KSV为动态淬灭常数，τ0为没有淬灭剂oCP存在下的荧光分子的平均寿命，F0和F分别为未加入oCP和加入oCP的SMP提取物的水溶液的荧光强度，Q为淬灭剂oCP的浓度[13]。

将F0/F-1对Q(mol/L)作图，拟合峰D的荧光强度，计算得到Ksv=2.57×103L/mol，Kq=2.57×1011L/mol/s，对于生物大分子，τ0通常取10-8s，R2=0.84。动态淬灭过程中，淬灭物质(本研究中为oCP)对生物大分子的最大扩散碰撞淬灭速率常数一般为2.0×1010L/mol/s[14]，而计算得到的Kq值远大于该值，证明oCP和SMP中荧光基团峰D的淬灭过程不是动态碰撞导致的，而应该是静态淬灭。即SMP与oCP发生了结合作用，生成了不发光的络合物。

2.2 oCP作用下SMP紫外可见光谱的变化

以双蒸水为参照对比，光程为1 cm。不同浓度的oCP与SMP溶液反应后的紫外-可见吸收光谱图见图2。

图2 (A)不同浓度oCP和(B)SMP与不同浓度oCP反应后的紫外-可见光谱图

由图2可知，去离子水中oCP特征峰出现在215 nm和273 nm处，215 nm表示苯酚的E2带，而273 nm是由于oCP中的苯环引起的[15-16]。oCP与SMP作用后，273 nm处的特征峰发生了红移，产生了281 nm处的吸收峰和292 nm处的肩峰。SMP中的主要成分是多聚糖和蛋白质，因此可以表明，oCP的投加明显改变了SMP中芳香族氨基酸残基的微环境，即oCP与SMP产生了相互作用。这与荧光光谱图中峰A和峰B所代表的芳环氨基酸结构物质的变化相吻合。

2.3 SMP与oCP作用下形成的官能团

SMP提取液由真空冷冻干燥机，在-40 ℃下冷冻干燥至固状粉末后，用傅里叶红外光谱仪根据GB/T 6040—2002红外光谱分析通则进行分析。SMP与不同浓度oCP反应后的傅里叶红外光谱图见图3。

图3 SMP与不同浓度oCP反应的红外光谱图

3 结论

(1)三维荧光光谱及荧光淬灭分析说明SMP中的蛋白类物质提供了结合位点，且SMP中色氨酸类氨基酸与oCP发生相互作用。

(2)紫外-可见吸收光谱图表明，oCP的投加明显改变了SMP中芳香族氨基酸残基的微环境，证明oCP与SMP发生了相互作用。

(3)傅里叶红外光谱图表明，oCP投加之后，SMP的红外图谱中1 694 cm-1处的蛋白质峰消失，进一步证明SMP中的蛋白类物质与oCP发生相互作用。