摘要：生物被膜（又称胞外聚合物extracellular polymeric substances，EPS)是微生物新陈代谢时分泌或细胞裂解释放的一类大分子有机物的总称，由于其拥有絮凝性能、沉降性能、脱水性能和吸附性能等特性，在环境等领域中发挥着重要的作用。本文通过荧光滴定的方法来研究不同pH值下，Ca离子、Cu离子、Cd离子、Al离子、Zn离子对EPS荧光光谱特征的影响，从实验数据中推测出金属离子的作用机理。结果表明，不同pH值对荧光猝灭影响不同，同时对不同离子的影响也不同。此外，由荧光峰的波长变化中可表明不同金属离子在不同pH值下产生作用的生色团不同，不具有均一性。

关键词：生物被膜（EPS）；金属离子；荧光滴定；猝灭

Interaction between Extracellular Polymeric Substances and Metal Cations Probed by Fluorescence Quenching Titration

Abstract： The extracellular polymeric substances are classed as a mixture of macromolecular organic matters from microbial metabolisms or cell lysis. Due to the flocculating, settleability, dewaterability and adsorptive property, it plays an important role in many fields, such as the environmental engineering fields. This paper explores the interaction between extracellular polymeric substances and metal cations (calcium ions, copper ions, cadmium ions, aluminum ions, zinc ions) using a fluorescence quenching titration, infering the mechanism of the metal ions from the experiment data. The results indicated that it is different in fluorescence quenching efficiency at different pH and different metal cations. The change in fluorescent wavelengths, which are induced by different metal cations indicated the complexation of chromophores in EPS with metal species, which may be affected by pH values.

Key words: extracellular polymeric substances; metal cations; fluorescence titration; quenching

目  录

摘要 3

关键词 3

Abstract 3

Key words 3

1  材料与方法 4

1．1  实验仪器与试剂 4

1．1．1  实验仪器 4

1．1．2  试验试剂 5

1．2  试验方法 5

1．2．1  技术路线 5

1．2．2  实验步骤 5

1．2．2．1  原材料的培养 5

1．2．2．2  透析袋的预处理 5

1．2．2．3  EPS的提取 5

1．2．2．4  荧光滴定 6

2  结果与分析 6

2. 1  EPS的生色团组分 6

2. 2  不同金属离子对EPS荧光强度的影响 7

2. 3  不同金属离子对EPS荧光光谱特征的影响 8

3  讨论 10

3．1  EPS的提取 10

3．2  荧光滴定 11

3．3  实验总结 11

3．4  实验展望 11

致谢 12

参考文献 13

荧光猝灭法研究生物被膜与金属离子之间的相互作用

引言  微生物被膜（extracellular polymeric substances，EPS）是由微生物所分泌的胞外聚合物所构成，其主要组分为生物多糖、蛋白质和少量的脂类、核酸等。微生物被膜是一类有机高分子聚合物质，分子量大致在10000~30000之间。其组分由于微生物的种类、环境等因素的不同而有所差别，但最主要的成分仍是多糖和蛋白质。此类物质微生物细胞外形成一层保护层，既起到聚合微生物、固定微生物基质的作用，防止基质渗透等过程，又吸附环境中的有机物和无机离子，对生物吸附这一过程成起到关键的作用。此外，微生物被膜能提供能量来满足饥饿环境中微生物正常活动的需求，还可消化细胞外的大分子，助于细胞吸收利用[1]。

近年来，微生物被膜由于其优越的絮凝性能和吸附性能，被作为絮凝剂和吸附剂重点研究。对于微生物被膜絮凝性能的原理，由代艳华、曹同川等人的课题组提出，由于EPS的分子量在10000~30000之间，分子量较大，单个分子可通过离子键、氢键等化学键的作用，与若干较小的悬浮颗粒进行结合，形成网状结构并导致大分子沉积，这就是微生物被膜的絮凝性能[2]。龙腾锐、龙向宇、唐然等人的课题组得出结论，LB培养基数量越多生物絮凝效果越差，而磷酸三乙酯（TEPS）越多生物絮凝效果越好[3]。对于微生物被膜的吸附性能的产生原因，是因为EPS表面带负电荷，和带正电的金属离子会螯合形成较为稳定的复合物，由于此吸附性性能的优越性后被研究用于环境领域中废水的处理过程[4]。此外，EPS上有诸多官能团，如羧基、磷酰基、巯基、酚类和羟基，这些官能团都被一定的实验所验证，而这些官能团具备了阳离子交换潜力，促使了其能与重金属离子络合的能力[5,6]。自然条件下，水环境中的微生物被膜可以作为聚阴离子体，可与酸性聚合物（含有糖醛酸的多糖）的羧基基形成盐桥或与含有中性糖聚合物的羟基作用形成弱的静电作用。Mejare M等人的课题组[7]研究表明，在微生物被膜中，其多糖和蛋白质的组分都具有和金属离子键合作用。经研究表明，微生物被膜对金属离子的吸附作用有一定的选择性，但起到选择性的大基团尚未明确，有广阔的研究空间。虽没有明确的原理分析其选择性，但不可否认的是，胞外多糖和其它的生物聚合物具有优越的金属键合特性，且具有对于不同的金属离子来说有不同的专一性。