胞外聚合物在微生物细胞吸附药物中的作用探析
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作者:刘吉
摘 要：本文就胞外聚合物在微生物细胞吸附药物中的作用进行实验设计，分析出胞外聚合物是微生物细胞药物吸附作用的关键要素，但并非全部要素，无胞外聚合物的微生物细胞对药物仍具有一定的吸附作用，推测与微生物细胞自身结构特征、活性有关。但ESP能够大大加强微生物细胞的药物吸附作用。
关键词：胞外聚合物;微生物细胞吸附药物;作用
1 胞外聚合物的概念
胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）是微生物在特定环境下分泌的一种高分子聚合物，主要由细菌分泌产生。其成分和微生物细胞内成分基本一致，是多糖、蛋白质、核酸等聚合物组成的高分子物质。
研究表明，胞外聚合物在活性污泥絮体内和表面普遍存在，可通过吸附作用将外界环境中零散的营养成分富集起来，并通过胞外酶降解为小分子材料后吸收到细胞内，从而提高自身营养供给。近期研究表明，胞外聚合物在抵御杀菌剂和对细胞有害的毒性物质时也有良好表现。
2 试验设计
2.1 材料与设备
涉及材料有CIP、SMX、ACP、SA、BSA、多种金属盐类化合物;甲醇、甲酸、甲酸铵等试剂;活性污泥取自周边污水处理厂周围。
涉及仪器有相色谱-质谱联用仪、SPE萃取仪、HLB固相萃取小柱、纯水机、等离子体发射光谱仪、变换红外光谱仪、电位分析仪、干燥剂、离心机、超声波仪等。
2.2 EPS获取
对活性污泥进行初步处理后，离心提取并使用纯水清洗，冷冻干燥后得到活性污泥微生物胞体，获得样本1;应用阳离子树脂交换法提取污泥中EPS，离心并使用滤膜处理，获得样本2;使用纯水清洗提取EPS后污泥，冷凍干燥后获得不含EPS的微生物胞体，获得样本3。分别得到3份样本，样本1：微生物胞体;样本2：纯EPS;样本3：不含EPS微生物胞体;
3 实验和结果
3.1 红外光谱分析
根据实验光谱分析结果，样本1和样本2的红外光谱分布特征基本一致，这提示两者在官能团上基本相同。同时两者的蛋白质和多糖频段的振动频率相差不大，相差不足150cm-1，再结合金属离子存在频段进行分析后可以认定微生物胞体对金属离子存在名曲的吸附作用，并且这一吸附作用和微生物胞体表面EPS密切联系（不排除胞体结构对金属离子具有一定吸附作用，只是可认定EPS具有较强的吸附金属离子的效果。）
3.2 改变pH实验
将样本分别置于不同pH环境下，发现随着pH变化吸附作用发生改变。主要变化为：随着pH增加实验药物的固液分配系数指数型减少，推测与实验药物表面阳离子在pH影响下向阴离子转变以及细胞表面负电势逐渐降低有关。然而多种实验药物均呈现这一特征，这提示pH可影响细胞表面对金属离子的架桥作用而使吸附能力发生改变。不过无论pH如何改变，样本1、样本2的对药物的最大吸附容量均高于样本3，这提示EPS对金属离子具有良好的吸附作用。
3.3 添加不同金属离子的吸附效果
添加不同浓度的金属离子时EPS的固液分配系数会发生改变，这提示EPS对不同金属离子的吸附能力存在差异。对各类金属离子进行分类汇总后发现，添加金属离子为2价时，以pH=7为外部环境，随着金属离子浓度的增加，EPS的固液分配系数逐渐增加，该项结果提示EPS对金属离子的吸附作用随着浓度增加而增加（金属离子价位不变，外部pH环境不变时），但是当吸附能力达到最大值后，浓度的增加会阻碍EPS对金属离子的吸附能力，推测可能是过量金属离子在EPS上吸附点上具有竞争机制，提示EPS对金属离子的吸附能力具有饱和值，该饱和值与最大吸附值接近。当添加金属离子为3价时，以pH=7为外部环境，随着金属离子浓度的增加，EPS的固液分配系数逐渐增加，该项该项结果提示EPS对金属离子的吸附作用随着浓度增加而增加（金属离子价位不变，外部pH环境不变时），同时也出现了添加2价金属离子时的特点，超过最大吸附值后EPS吸附能力逐渐降低。
当添加不同金属离子时发现，同等浓度下EPS对2价镁离子吸附能力高于高于3价铁离子，推测可能是因为镁离子具有更大的离子半径，因此在吸附点上有更强的竞争力。但是同时加入ACP与金属离子时发现（pH=7），EPS对ACP的吸附能力不受到金属离子的影响，推测这是由于在pH=7的环境下ACP处于分子态，ACP与EPS之间的作用机制以亲疏水性为主，离子正负电性影响效果无关，提示正负电性是EPS吸附离子态物质的主要机制。
4 结论
（1）胞外聚合物是微生物细胞药物吸附作用的关键要素，但并非全部要素，无胞外聚合物的微生物细胞对药物仍具有一定的吸附作用，推测与微生物细胞自身结构特征、活性有关。但ESP能够大大加强微生物细胞的药物吸附作用。
（2）pH值会对微生物细胞药物吸附作用产生显著影响，推测与pH可影响药物在水中的存在形态以及微生物细胞表面电位，当药物在水中以离子态存在是，其离子半径越大，吸附点竞争力越大，吸附能力越强，而分子态并不会受到吸附点竞争机制的影响。因此，需要根据实际情况确定是利用吸附点竞争机制或亲疏水性质实现吸附，两种机制作用效果不同，但相互影响并不明显。
（3）在吸附饱和值之前，浓度增加可提高微生物细胞药物吸附能力，饱和值之后，浓度增加会因竞争机制导致微生物细胞药物吸附能力降低。因此应用EPS进行药物吸附或离子吸附时，需要根据溶液中离子分布浓度进行计算，以单位EPS吸附容量为限度添加EPS，使之达到配比的平衡，以达到最大吸附值。
（4）当物质以离子态存在时，pH的增加可提高微生物细胞表面金属离子架桥作用，从而提高微生物细胞的药物吸附作用。因此想要提高单位微生物细胞离子吸附能力，可适当调高pH来增强其吸附作用。
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