微生物胞外聚合物和水中难降解污染物的氧化还原相互作用机制研究

Micropollutants such as heavy metals and toxic organic substance can be significantly oxidized or reduced by the extracellular polymeric substances (EPS) of activated sludge after they flow into the WWTPs. Their migration and removal will be greatly influenced by the redox characteristics of EPS of activated sludge. However, due to the complex compositions of EPS, it is difficult to explore their redox properties, leading to their key roles in the pollutants removal are ignored. Thus, it is an important issue to explore the redox properties of EPS and improve their redox interaction between EPS and pollutants in the field of biological wastewater treatment. In this propose, sensitive analysis methods will be proposed to characterize the redox properties of EPS and their interaction between EPS of micropollutants. The formation and changes in redox properties of EPS in the presence of micropollutants will be elucidated. The mechanism of micro-pollutants oxidized or reduced by EPS will be explored, and the roles of the redox property of EPS in the removal of micro-pollutants in reactor will be clarified. The optimized strategies to improve the removal of micro-pollutants in biological wastewater treated system will be proposed through enhancing their redox interaction. The results will provide a scientific basis to improve removal efficiency of micro-pollutants in activated sludge reactor.

水体中的污染物如重金属和有毒有机物进入污水处理厂后，将与微生物胞外聚合物EPS发生吸附和氧化还原相互作用，进而影响其在废水生物处理系统中的迁移和去除。EPS含有丰富的官能团，但由于其成分和结构复杂，缺乏表征其氧化还原特性的灵敏分析方法，导致研究者忽略了EPS的氧化还原特性在污染物去除中的作用。因此，深入研究EPS氧化还原特性及其与污染物的相互作用机制，强化EPS与污染物的相互作用，是水污染控制领域的一个重要研究方向。本课题拟基于先进的分析技术和手段，建立表征EPS氧化还原特性的新方法，探索在重金属等污染物的存在压力下微生物EPS的形成及特性变化规律，明晰EPS和污染物的氧化还原作用机制，探索EPS氧化还原特性和污染物去除效率的内在联系，调控EPS与污染物间的氧化还原相互作用，强化污染物的去除效率。该课题的研究对于优化废水生物处理工艺及提高污染物去除效率，有着一定的理论意义和实际价值。

水体中的污染物如重金属和有机微污染物进入污水处理厂后，将与微生物EPS 发生吸附和氧化还原相互作用，进而影响其在废水生物处理系统中的迁移和去除。在国家自然科学基金委的支持下，本项目主要建立了表征EPS氧化还原特性的介质辅助电化学新方法，鉴别了EPS中氧化还原活性物质，建立了其与有机微污染物、重金属之间的相互作用的等温滴定微量热、表面等离子体共振、荧光光谱等新方法，阐明了EPS和微污染物之间的相互作用机制，提出了微生物EPS氧化还原活性在污染物迁移转化中中的作用机制。项目共包括在Water Research、Environmental Science: Nano等SCI源刊上发表SCI论文15篇，申请了发明专利2项。研究结果可为了解废水处理过程中微生物EPS的内在作用机制、提高废水生物处理效率提供理论指导。具体结果如下：. (1)构建了介导电化学法测定微生物EPS氧化还原能力的新方法，通过外加介导物质，加速电化学过程中EPS的氧化还原速率，能够准确、快速的测定EPS的氧化还原能力，且具有较高的灵敏性，并利用光谱电化学法和蛋白质电泳初步确定微生物EPS中具有氧化还原特性的氧化还原蛋白。. (2)发展了表征微生物代谢产物EPS与抗生素等微污染物之间的相互作用的热力学和动力学新方法，发现其中蛋白类物质结合SMZ的强度高于腐殖质类物质2个数量级，蛋白类物质可能主导了其与SMZ间的相互作用，认识到微生物EPS可将SMZ富集到活性污泥表面，促进了微污染物的生物降解。. (3)发展了微生物胞外聚合物与重金属相互作用的多种分析方法，结果表明不同的金属离子和EPS的结合机制不同，且该相互作用与EPS氧化还原形态有关。发现微生物EPS可以还原重金属离子，进而影响影响水体中重金属离子的形态以及转化，如不同来源的微生物EPS与Ag+反应均可形成Ag纳米颗粒。在自然条件下，光照可以显著加速该还原过程，且EPS中蛋白和多糖可能都参与了该过程。