CN110057899A - 厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的系统及方法，其中系统包括第一离心处理装置、超声处理装置、钠型阳离子交换树脂、第二离心处理装置、过滤装置、固相萃取装置和高分辨率质谱仪。方法包括：(1)对含厌氧氨氧化污泥颗粒的泥水混合物进行离心和超声处理；(2)投加激活处理后的钠型阳离子交换树脂；(3)离心处理，对上清液进行过滤；(4)使固相萃取柱进行固相萃取；(5)对固相萃取柱进行淋洗，收集淋洗液；(6)使用高分辨率质谱仪检测淋洗液中的胞外聚合物。本发明利用高分辨率质谱仪对胞外聚合物进行检测，可在分子水平对胞外聚合物进行检测。

Description

厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的系统及方法
技术领域
本发明属于厌氧氨氧化水处理技术研究领域，具体涉及一种厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的系统及方法。
背景技术
厌氧氨氧化反应用于污水处理，是在厌氧或者缺氧条件下，厌氧氨氧化菌以氨氮作为电子供体，以亚硝酸盐作为电子受体，将氨氮氧化为氮气。厌氧氨氧化处理具有无需外加碳源、降低能耗和污泥产量少的优点。
在厌氧氨氧化反应废水处理过程中，厌氧氨氧化污泥会分泌出胞外聚合物(EPS，extracellular polymeric substances)，厌氧氨氧化污泥胞外聚合物在污泥颗粒化中起着十分重要的作用，其分布与组成是厌氧氨氧化反应的一项重要指标。EPS的成分复杂，其主要物质包括多糖(PS)和蛋白质(PN)等。根据文献记载，现有技术中在进行厌氧氨氧化污泥胞外聚合物的测定时采用的方法有：提取污泥中的胞外聚合物，利用Lowry法测定蛋白质，利用苯酚-硫酸法测定多糖，完成胞外聚合物中主要物质的检测；此外，也可采用多重荧光染色法对污泥中的多糖、蛋白质、脂类等物质的分布进行分析。
厌氧氨氧化颗粒污泥胞外聚合物(EPS)对确保污泥颗粒完整性、维持污泥良好沉降性能、保持污泥高效脱氮性能发挥重要作用。近年来，许多学者通过光谱手段(荧光光谱、紫外可见光光谱等)，对厌氧氨氧化颗粒污泥EPS组分(蛋白类、腐殖质类等)特征展开大量研究，而缺乏EPS结构组分特征分子层面的认识。鉴于此，本发明拟建立起一套适合于ESIFT-ICR MS测定的厌氧氨氧化颗粒污泥EPS提取及表征方法，从分子层面解析厌氧氨氧化污泥EPS化学组份、来源及性质特征，实现对其高灵敏度、高精确度、高分辨率检测，为进一步揭示溶解性有机质迁移转化机理提供理论基础。
发明内容
本发明解决的是现有技术中厌氧氨氧化污泥胞外聚合物成分较为复杂，难以进行较为全面和精确的定性和定量分析的技术问题，进而提供一种精度高、能够有效对厌氧氨氧化污泥胞外聚合物进行表征的系统及方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的系统，包括：第一离心处理装置，对含厌氧氨氧化污泥颗粒的泥水混合物进行离心处理；超声处理装置，所述超声处理装置设置有冰水浴，所述泥水混合物完成离心处理后弃去上清液保留污泥样品；向所述污泥样品中补充磷酸缓冲溶液后置于所述冰水浴中进行超声处理；钠型阳离子交换树脂，所述钠型阳离子交换树脂经激活后投加至完成超声处理后的污泥样品混合液中；第二离心处理装置，对投加钠型阳离子交换树脂后的污泥样品混合液进行离心处理；过滤装置，对经所述第二离心处理装置离心处理后的上清液进行过滤得到胞外聚合物样品；固相萃取装置，对所述胞外聚合物样品进行固相萃取；高分辨率质谱仪，对完成萃取的所述固相萃取柱的淋洗液中的胞外聚合物进行检测。
所述过滤装置设置有规格为0.22um的纤维素滤膜；所述固相萃取柱为C18固相萃取柱、PPL固相萃取柱和MAX固相萃取柱中的任意一种。
所述第一离心处理装置和第二离心处理装置中进行离心处理和所述超声处理装置进行超声处理以及投加所述钠型阳离子交换树脂的操作均是在同一个离心筒中进行。
与所述离心筒配套设置有树脂分离装置，所述树脂分离装置包括：V形筒，用于放置在离心筒内，所述V形筒的直径与所述离心筒的内径相吻合，所述V形筒的底面设置为沿竖直方向由上向下逐渐收缩的锥形底面，所述V形筒的顶面设置为与所述锥形底面平行的锥形顶面，在所述锥形底面上以及所述锥形顶面的一部分上设置有直径为0.5-0.8mm的网孔，在所述V形筒内填充有直径为1-1.5mm的玻璃球；树脂置放筒，用于放置在所述V形筒的上方，直径同样与所述离心筒的内径相吻合，所述树脂置放筒的底面与所述V形筒的锥形顶面相吻合，在所述树脂置放筒的底面的一部分上设置有网孔；在所述离心筒的内壁上设置有至少一条凹槽，所述凹槽沿所述离心筒的轴向设置且贯穿所述离心筒的顶面设置，在所述V形筒的外壁上设置有第一凸起，在所述树脂置放筒的外壁上设置有第二凸起，所述第一凸起和第二凸起均适宜于安装入所述凹槽中并沿凹槽滑动，当所述第一凸起和第二凸起均安装至所述凹槽中时，所述树脂置放筒的底面上的网孔与所述V形筒的所述锥形顶面上的网孔交错设置。
厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的方法，包括如下步骤：(1)厌氧氨氧化污泥颗粒的提取和预处理：取含厌氧氨氧化污泥颗粒的泥水混合物，离心处理后弃去上清液保留污泥样品；向所述污泥样品中补充磷酸缓冲溶液后置于冰水浴中进行超声处理；(2)向完成超声处理后的污泥样品混合液中投加激活处理后的钠型阳离子交换树脂，所述钠型阳离子交换树脂的投加量与所述污泥样品的质量比为60-90g/g；(3)厌氧氨氧化菌胞外聚合物的提取：对步骤(2)中投加钠型阳离子交换树脂后的污泥样品混合液进行离心处理，对所述上清液进行过滤，所得滤液即为胞外聚合物样品；(4)使用活化处理后的固相萃取柱对所述胞外聚合物样品进行固相萃取；(5)对完成萃取的所述固相萃取柱进行淋洗，收集淋洗液；(6)使用高分辨率质谱仪检测淋洗液中的胞外聚合物。
步骤(1)中进行离心处理时的离心力条件为1500-2500g，离心处理的时间为20-30min；向所述污泥样品中补充的磷酸缓冲溶液的pH值为6.8-7.2；进行所述超声处理的频率为20-25KHZ，功率范围为32w-40w，进行所述超声处理的时间为3min。
对所述钠型阳离子交换树脂进行激活处理的方法包括：第一步，用质量浓度为7％-9％的NaCl溶液浸泡14小时，水洗至中性；第二步，用质量浓度为4％-6％的HC1溶液浸泡5h,水洗至中性；第三步，用质量浓度为4％-6％的NaOH溶液浸泡5小时,水洗至中性。
步骤(2)中在投加所述激活处理后的钠型阳离子交换树脂前，先将所述激活处理后的钠型阳离子交换树脂置于磷酸盐缓冲液或者纯水中浸泡1h以上；并且在投加所述激活处理后的钠型阳离子交换树脂前，先对完成超声处理后的污泥样品混合液进行离心处理。
步骤(3)中进行离心处理时的离心力条件为4500-5500g，离心时间为20-30min；步骤(3)中将上清液过0.22um纤维素滤膜过滤。
对所述固相萃取柱进行活化处理的方法为：先使用甲醇润洗所述固相萃取柱，再使用纯净水淋洗所述固相萃取柱。
本发明所述的厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的方法，优点在于：利用高分辨率质谱仪对胞外聚合物进行检测，所述高分辨率质谱仪为傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(FT-ICR MS)，可在分子水平对胞外聚合物进行检测。将高分辨率质谱仪用于胞外聚合物的检测存在极大的技术障碍，原因在于傅里叶离子回旋质谱的分辨率非常高，通常使用的前处理方法会造成谱图噪音较大，干扰测试结果，仅使用物理方法如振荡、离心进行处理时，又会造成污泥干重提取的样品量较少，对污泥消耗量较大，且无法提取到结合态的EPS。
为了解决这一技术问题，本发明步骤(1)取含厌氧氨氧化污泥颗粒的泥水混合物，离心处理后弃去上清液保留污泥样品；向所述污泥样品中补充磷酸缓冲溶液后置于冰水浴中进行超声处理；冰水浴中的低温超声处理可在不破坏分子结构的条件下有效分离出胞外聚合物，便于胞外聚合物的提取。
完成超声处理后，步骤(2)向完成超声处理后的污泥样品混合液中投加激活处理后的钠型阳离子交换树脂进行提取；再对步骤(2)中投加钠型阳离子交换树脂后的污泥样品混合液进行离心处理，将上清液过纤维素滤膜过滤，所得滤液即为胞外聚合物样品；本发明中对所述钠型阳离子交换树脂进行激活处理的方法包括：第一步，用质量浓度为7％-9％的NaCl溶液浸泡14小时，水洗至中性；第二步，用质量浓度为4％-6％的HC1溶液浸泡5h,水洗至中性；第三步，用质量浓度为4％-6％的NaOH溶液浸泡5小时,水洗至中性。本发明采用7％-9％的NaCL浸泡，主要是减小液相与树脂内部的渗透压，防止树脂急剧吸涨而破损。采用4％-6％的HCL与4％-6％的NaOH反复浸泡，并用二次蒸馏水淘洗主要是去除树脂粘附或吸附的污染物。
本发明使用活化处理后的固相萃取柱对完成酸化处理后的胞外聚合物样品进行固相萃取。
经本发明步骤(1)-(3)处理后所得滤液，无需进行包括酸化在内的任何调节和处理，即可直接进入MAX固相萃取柱进行萃取，二者配合具有良好的协同效果，从而简化了操作流程，提高了检测的效率。
本发明所述的厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的系统，优选所述第一离心处理装置和第二离心处理装置中进行离心处理和所述超声处理装置进行超声处理以及投加所述钠型阳离子交换树脂的操作均是在同一个离心筒中进行，从而可简化实验设备，便于实验人员进行操作。本发明与所述离心筒配套设置有树脂分离装置，原因在于在本发明中的厌氧氨氧化污泥样品具有一定的粘度，且投加至所述污泥样品混合液中的钠型阳离子交换树脂优选采用的是钠型阳离子交换树脂颗粒，具有造价低、便于操作的优点，但其粒径通常只有0.4-0.7mm，如不设置所述树脂分离装置，那么钠型阳离子交换树脂颗粒与污泥接触后将无法再次分离，而钠型阳离子交换树脂本身实际是可再生的，这样会造成大量的树脂浪费。预分离所述污泥混合物，通常需要进行过滤操作，但这样一来无疑增加了操作的步骤和实验的时间。为此，本申请设置了所述树脂分离装置，所述树脂分离装置中的V形筒的顶面和底面均设置有网孔，内部也设置有用于过滤混合物的玻璃球，因此可较好地对污泥进行隔离。所述树脂置放筒的底面同样设置有网孔，且其网孔可与所述V形筒的顶面交错放置时形成交错不连通结构，此时放置树脂颗粒，树脂颗粒可被隔离在所述树脂置放筒内，不与污泥接触即可用于吸附处理。
为了使本发明所述的厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的系统及方法的技术方案及更加清楚明白，以下结合具体附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。
附图说明
如图1所示是本发明实施例1所述的厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的方法得到的谱图。
如图2所示是本发明所述的离心筒的剖视图；
如图3所示是本发明所述的离心筒的俯视图；
如图4所示是本发明所述的V形筒的剖视图；
如图5所示是本发明所述的V形筒的俯视图；
如图6所示是本发明所述的树脂分离筒的剖视图；
如图7所示是本发明实施例2所述的厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的方法得到的谱图。
其中附图标记为：
1-离心筒；2-凹槽；3-V形筒；31-第一凸起；32-V形筒的锥形顶面；33-V形筒的锥形底面；4-树脂置放筒；41-第二凸起。
具体实施方式
本申请实施方式中涉及到的方向“顶”、“底”是相对于装置的使用状态而言的，对于离心筒及其内部的V形筒3、树脂置放筒4而言，其轴向方向上的上方为“顶”，反之为“底”。
实施例1
本实施例中提供的厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的系统，包括：第一离心处理装置、超声处理装置、钠型阳离子交换树脂、第二离心处理装置、过滤装置、固相萃取装置和高分辨率质谱仪。其中所述过滤装置设置有规格为0.22um的纤维素滤膜；所述固相萃取柱为MAX固相萃取柱。本实施例中使用的MAX固相萃取柱为市售的PolybaseTM MAX固相萃取柱，所述PolybaseTM MAX固相萃取柱的规格为3mL。本实施方式中所述的钠型阳离子交换树脂采用市售的钠型阳离子交换树脂颗粒，平均粒径为0.4-0.7mm。
其中，所述固相萃取柱在使用前先进行活化处理，具体的活化处理方法为：先使用15mL甲醇进行对所述固相萃取柱润洗，再使用15mL的纯净水淋洗所述固相萃取柱。
本实施例中厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的方法，包括以下步骤：
(1)厌氧氨氧化污泥颗粒的提取和预处理：取50mL含厌氧氨氧化污泥颗粒的泥水混合物，本实施例中所述泥水混合物取自用于处理人工配制废水的厌氧氨氧化反应器中。
将所述泥水混合物在第一离心处理装置的离心筒中离心处理后弃去上清液保留污泥样品，进行离心处理时的离心力条件为1500g，离心处理的时间为20min；向所述离心筒中的所述污泥样品中补充pH值为6.8的磷酸缓冲溶液后置于超声处理装置的冰水浴中进行超声处理，进行所述超声处理的频率为20KHZ，功率范围为32w，进行所述超声处理的时间为3min，本步骤中所述磷酸缓冲溶液的添加量使得所述污泥样品混合液的体积为所述泥水混合物的1/2，即25ml。
(2)向所述离心筒中完成超声处理后的污泥样品混合液中投加激活处理后的钠型阳离子交换树脂并静置直至吸附平衡，所述钠型阳离子交换树脂的投加量与所述污泥样品的质量比为70g/g vss；在投加所述激活处理后的钠型阳离子交换树脂前，先将所述激活处理后的钠型阳离子交换树脂置于磷酸盐缓冲液或者纯水中浸泡2h。
本实施例中对所述钠型阳离子交换树脂进行激活处理的方法为：第一步，用质量浓度为7％的NaCl溶液浸泡14小时，水洗至中性；第二步，用质量浓度为4％的HC1溶液浸泡5h,水洗至中性；第三步，用质量浓度为4％的NaOH溶液浸泡5小时,水洗至中性；完成上述三步后，再将上述第二步至第三步的步骤重复两次，即完成激活。
(3)厌氧氨氧化菌胞外聚合物的提取：将所述离心筒放入第二离心处理装置中，使用第二离心处理装置对步骤(2)中投加钠型阳离子交换树脂后的污泥样品混合液进行离心处理，进行离心处理时的离心力条件为4500g，离心时间为20min。将上清液过0.22um的纤维素滤膜过滤，所得滤液即为胞外聚合物样品；
(4)使用活化处理后的固相萃取柱对所述胞外聚合物样品进行固相萃取；
(5)使用15mL甲醇对完成萃取的所述固相萃取柱进行淋洗，收集淋洗液；
(6)将淋洗液氮吹浓缩至1mL，使用高分辨率质谱仪检测淋洗液中的胞外聚合物。
实施例2
本实施例中提供的厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的系统，包括：第一离心处理装置、超声处理装置、钠型阳离子交换树脂、第二离心处理装置、过滤装置、固相萃取装置和高分辨率质谱仪。其中所述过滤装置设置有规格为0.22um的纤维素滤膜；所述固相萃取柱为MAX固相萃取柱。本实施例中使用的MAX固相萃取柱为市售的PolybaseTM MAX固相萃取柱，所述PolybaseTM MAX固相萃取柱的规格为3mL。本实施方式中所述的钠型阳离子交换树脂采用钠型阳离子交换树脂颗粒，所述钠型阳离子交换树脂颗粒投加在经超声处理装置处理过的样品中，钠型阳离子交换树脂颗粒的平均粒径为0.4-0.7mm。
其中，所述PolybaseTM MAX固相萃取柱在使用前先进行活化处理，所述PolybaseTMMAX固相萃取柱的活化方法也同实施例1。
本实施方式中所述第一离心处理装置和第二离心处理装置中进行离心处理和所述超声处理装置进行超声处理以及投加所述钠型阳离子交换树脂的操作均是在同一个离心筒1中进行，所述离心筒如图2和图3所示。
作为优选的实施方式，本实施例与所述离心筒1配套设置有树脂分离装置，所述树脂分离装置包括：V形筒3，如图4和图5所示，所述V形筒3的底面设置为沿竖直方向由上向下逐渐收缩的锥形底面33，所述V形筒3的顶面设置为与所述锥形底面33平行的锥形顶面32，在所述锥形底面33上以及所述锥形顶面32的一部分上设置有直径为0.5-0.8mm的网孔，其中所述锥形底面33上上网孔均匀分布设置，在所述V形筒3内填充有直径为1-1.5mm的玻璃球，所述玻璃球填满所述V形筒3的内部。所述V形筒3沿竖直方向的高度为5-8mm；树脂置放筒4，如图6所示，所述树脂置放筒4的底面与所述V形筒3的锥形顶面32相吻合，在所述树脂置放筒4的底面的一部分上设置有网孔。本实施方式中所述V形筒3的锥形顶面32如图5所示，所述锥形顶面32沿其旋转方向被平均划分为四个区域，其中相对设置的两个区域上设置有网孔；相应的所述树脂置放筒4的底面也同样被平均划分为四个区域，并在其中相对设置的两个区域上设置有网孔。作为优选的实施方式，本实施方式中所述V形筒3的锥形底面33、锥形顶面32的锥形角的角度为150℃，以便于更好地和位于其下部的污泥样品贴合。本实施例中所述离心筒1采用塑料材质，V形筒3以及树脂置放筒4的主体部分也采用塑料材料，其设置有滤网的部分则设置为不锈钢材质，所述V形筒3的侧壁与所述树脂置放筒4的侧壁上均不设置孔隙。所述树脂置放筒4的底面的一部分的网孔的孔径设置为0.2-0.5mm。
本实施方式在所述离心筒1的内壁上设置有一条凹槽2，所述凹槽2沿所述离心筒1的轴向设置且贯穿所述离心筒1的顶面设置，在所述V形筒3的外壁上设置有第一凸起31，在所述树脂置放筒4的外壁上设置有第二凸起41，所述第一凸起31和第二凸起41均适宜于安装入所述凹槽2中并沿凹槽2滑动，当所述第一凸起31和第二凸起41均安装至所述凹槽2中时，所述树脂置放筒4的底面上的网孔与所述V形筒3的锥形顶面32上的网孔交错设置，本实施方式中所述凹槽2为方形凹槽2，所述第一凸起31和第二凸起41均设置为与所述凹槽2的截面相吻合的块状体。本实施方式中，当所述树脂置放筒4和V形筒3沿凹槽2放置于离心筒1内部时，所述树脂置放筒4的底面上的网孔与所述V形筒3的锥形顶面32上的网孔交错设置，形成不连通结构。
本实施方式在所述离心筒1的顶端开口处设置有顶盖，所述顶盖可采用卡扣的方式或者螺纹的方式安装在所述离心筒1的开口上。本实施方式中设置所述凹槽2和凸起结构，可起到防旋的效果，使得树脂置放筒4和V形筒3可与离心筒1同步旋转。本实施方式中所述凹槽2设置有一条。作为可选择的实施方式，也可沿所述离心筒1的内壁对称设置两条凹槽2，相应的所述V形筒3的外壁上的第一凸起31和树脂置放筒4的外壁上的第二凸起41叶均对称设置有两个，从而使得离心筒1的结构更加对称，防止长期高速离心使用后发生结构上的偏移。
本实施例中厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的方法，包括以下步骤：
(1)厌氧氨氧化污泥颗粒的提取和预处理：取100mL含厌氧氨氧化污泥颗粒的泥水混合物，本实施例中所述泥水混合物取自用于处理煤化工废水的厌氧氨氧化反应器中。
将所述泥水混合物置于离心筒1中，在第一离心装置中离心处理后弃去上清液保留污泥样品，进行离心处理时的离心力条件为2000g，离心处理的时间为20min；除去上清液后，向所述离心筒1的污泥样品中补充pH值为7磷酸缓冲溶液后置于超声处理装置的冰水浴中进行超声处理，进行所述超声处理的频率为20KHZ，功率范围为40w，进行所述超声处理的时间为3min，所述磷酸缓冲溶液的添加量使得所述污泥样品混合液的体积为所述泥水混合物的1/2。
(2)向完成超声处理后的污泥样品混合液中投加激活处理后的钠型阳离子交换树脂并静置直至吸附平衡，本实施方式中投加钠型阳离子交换树脂的具体步骤为：先向所述离心筒1投加所述V形筒3，将所述V形筒3外壁的第一凸起31安装至所述凹槽2中，向下推动所述V形筒3向下移动直至所述V形筒3与底部污泥相挤压抵触，移动过程中，水通过网孔以及V形筒3中的玻璃球间的缝隙穿过，污泥则留在V形筒3下方。然后再安装所述树脂置放筒4，将所述树脂置放筒4外壁面上的第二凸起41安装至所述凹槽2中，向下推动所述树脂置放筒4直至所述树脂置放筒4的底面与所述V形筒3的顶面相抵触，此时所述V形筒3的底面上的网孔与所述树脂置放筒4底端的网孔交错设置，形成不连通结构，再向所述树脂置放筒4内放入钠型阳离子交换树脂颗粒。本实施方式中所述钠型阳离子交换树脂的投加量与所述污泥样品的质量比为75g/g VSS；在投加所述激活处理后的钠型阳离子交换树脂前，先将所述激活处理后的钠型阳离子交换树脂置于磷酸盐缓冲液或者纯水中浸泡2h。
本实施例中对所述钠型阳离子交换树脂进行激活处理的方法为：第一步，用质量浓度为8％的NaCl溶液浸泡14小时，水洗至中性；第二步，用质量浓度为5％的HC1溶液浸泡5h,水洗至中性；第三步，用质量浓度为8％的NaOH溶液浸泡5小时,水洗至中性；完成上述三步后，再将上述第二步至第三步的步骤重复两次，即完成激活。
(3)厌氧氨氧化菌胞外聚合物的提取：使用第二离心装置对步骤(2)中投加钠型阳离子交换树脂后的污泥样品混合液进行离心处理，进行离心处理时的离心力条件为5000g，离心时间为20min。将上清液过0.22um的纤维素滤膜过滤，所得滤液即为胞外聚合物样品；本实施方式在使用第二离心装置进行离心之前，先将离心筒1顶端的开口处的顶盖关闭，为便于关闭顶端开口，可以理解的是，本实施方式中当所述V形筒3和所述树脂置放筒4均放置在所述离心筒1内时，所述树脂置放筒4的顶端应低于所述离心筒1的顶端开口。
在完成本步骤后，可打开所述顶盖，取出滤液用于下一步骤的检测，然后用药匙将树脂颗粒取出，取出的树脂颗粒可再次再生利用。
(4)使用活化处理后的固相萃取柱对所述胞外聚合物样品进行固相萃取；
(5)使用15mL甲醇对完成萃取的所述固相萃取柱进行淋洗，收集淋洗液；
(6)将淋洗液氮吹浓缩至1mL，使用高分辨率质谱仪检测淋洗液中的胞外聚合物。
实施例3
本实施例中提供的厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的系统完全同实施例1，其中所述PolybaseTM MAX固相萃取柱的活化方法也同实施例1。
本实施例中厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的方法，包括以下步骤：
(1)厌氧氨氧化污泥颗粒的提取和预处理：取100mL含厌氧氨氧化污泥颗粒的泥水混合物，本实施例中所述泥水混合物同实施例1。
将所述泥水混合物在第一离心装置中离心处理后弃去上清液保留污泥样品，进行离心处理时的离心力条件为2500g，离心处理的时间为30min；向所述污泥样品中补充pH值为7磷酸缓冲溶液后置于冰水浴中进行超声处理，进行所述超声处理的频率为25KHZ，功率范围为40w，进行所述超声处理的时间为3min，所述磷酸缓冲溶液的添加量使得所述污泥样品混合液的体积为所述泥水混合物的1/2。
(2)向完成超声处理后的污泥样品混合液中投加激活处理后的钠型阳离子交换树脂并静置直至吸附平衡，所述钠型阳离子交换树脂的投加量与所述污泥样品的质量比为90g/g VSS；在投加所述激活处理后的钠型阳离子交换树脂前，先将所述激活处理后的钠型阳离子交换树脂置于磷酸盐缓冲液或者纯水中浸泡2h。
本实施例中对所述钠型阳离子交换树脂进行激活处理的方法为：第一步，用质量浓度为9％的NaCl溶液浸泡14小时，水洗至中性；第二步，用质量浓度为6％的HC1溶液浸泡5h,水洗至中性；第三步，用质量浓度为9％的NaOH溶液浸泡5小时,水洗至中性；完成上述三步后，再将上述第二步至第三步的步骤重复两次，即完成激活。
(3)厌氧氨氧化菌胞外聚合物的提取：对步骤(2)中投加钠型阳离子交换树脂后的污泥样品混合液进行离心处理，进行离心处理时的离心力条件为5500g，离心时间为20min。将上清液过0.22um的纤维素滤膜过滤，所得滤液即为胞外聚合物样品；
(4)使用活化处理后的固相萃取柱对所述胞外聚合物样品进行固相萃取；
(5)使用15ML甲醇对完成萃取的所述固相萃取柱进行淋洗，收集淋洗液；
(6)将淋洗液氮吹浓缩至1mL，使用高分辨率质谱仪检测淋洗液中的胞外聚合物。
上述实施例1-3制备得到的高分辨率质谱图的分峰效果好，且基线水平低、响应强度大，可满足检测需求。其中，实施例1中得到的高分辨率质谱图如图1所示，实施例2中得到的高分辨率质谱图如图2所示，对谱图进行解读，可分析出各个峰对应物质的分子式。其中，实施例2中得到的高分辨率质谱图的解读结果反映出EPS中含有较多的含硫物质，而实施例1中人工配制废水培养出的厌氧氨氧化菌的EPS则不带有含硫物质。这是因为人工配制废水中仅添加有营养元素及氮素，而煤化工废水相对于人工废水，除了基本的营养元素及氮素之外还含有大量的化工类含硫有机物。这进一步证明本发明所述测定厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构的方法具有良好的适用性，对于成分复杂的废水培养出的厌氧氨氧化菌的EPS同样可实现检测。
本申请上述实施例1-3中所述的固相萃取柱采用的是PolybaseTM MAX固相萃取柱，污泥EPS含有大量的酸性基团以及疏水基团，MAX固相萃取柱是混合型强阴离子交换小柱，相较于现有技术中其它类型的固相萃取柱而言，MAX固相萃取柱对EPS中的酸性基团以及疏水基团均具有优异的吸附能力，从而可提高对EPS物质的选择吸附效果。但本申请中所述固相萃取柱的选择并不局限于此，也可采用C18、PPL等固相萃取柱实现萃取。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求为准。

Claims (10)

1.厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的系统，其特征在于，包括：
第一离心处理装置，对含厌氧氨氧化污泥颗粒的泥水混合物进行离心处理；
超声处理装置，所述超声处理装置设置有冰水浴，所述泥水混合物完成离心处理后弃去上清液保留污泥样品；向所述污泥样品中补充磷酸缓冲溶液后置于所述冰水浴中进行超声处理；
钠型阳离子交换树脂，所述钠型阳离子交换树脂经激活后投加至完成超声处理后的污泥样品混合液中；
第二离心处理装置，对投加钠型阳离子交换树脂后的污泥样品混合液进行离心处理；
过滤装置，对经所述第二离心处理装置离心处理后的上清液进行过滤得到胞外聚合物样品；
固相萃取装置，对所述胞外聚合物样品进行固相萃取；
高分辨率质谱仪，对完成萃取的所述固相萃取柱的淋洗液中的胞外聚合物进行检测。
2.根据权利要求1所述的厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的系统，其特征在于，所述过滤装置设置有规格为0.22um的纤维素滤膜；所述固相萃取柱为C18固相萃取柱、PPL固相萃取柱和MAX固相萃取柱中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的系统，其特征在于，所述第一离心处理装置和第二离心处理装置中进行离心处理和所述超声处理装置进行超声处理以及投加所述钠型阳离子交换树脂的操作均是在同一个离心筒中进行。
4.根据权利要求3所述的厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的系统，其特征在于，与所述离心筒配套设置有树脂分离装置，所述树脂分离装置包括：
V形筒，用于放置在离心筒内，所述V形筒的直径与所述离心筒的内径相吻合，所述V形筒的底面设置为沿竖直方向由上向下逐渐收缩的锥形底面，所述V形筒的顶面设置为与所述锥形底面平行的锥形顶面，在所述锥形底面上以及所述锥形顶面的一部分上设置有直径为0.5-0.8mm的网孔，在所述V形筒内填充有直径为1-1.5mm的玻璃球；
树脂置放筒，用于放置在所述V形筒的上方，直径同样与所述离心筒的内径相吻合，所述树脂置放筒的底面与所述V形筒的锥形顶面相吻合，在所述树脂置放筒的底面的一部分上设置有网孔；
在所述离心筒的内壁上设置有至少一条凹槽，所述凹槽沿所述离心筒的轴向设置且贯穿所述离心筒的顶面设置，在所述V形筒的外壁上设置有第一凸起，在所述树脂置放筒的外壁上设置有第二凸起，所述第一凸起和第二凸起均适宜于安装入所述凹槽中并沿凹槽滑动，当所述第一凸起和第二凸起均安装至所述凹槽中时，所述树脂置放筒的底面上的网孔与所述V形筒的所述锥形顶面上的网孔交错设置。
5.厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)厌氧氨氧化污泥颗粒的提取和预处理：取含厌氧氨氧化污泥颗粒的泥水混合物，离心处理后弃去上清液保留污泥样品；向所述污泥样品中补充磷酸缓冲溶液后置于冰水浴中进行超声处理；
(2)向完成超声处理后的污泥样品混合液中投加激活处理后的钠型阳离子交换树脂，所述钠型阳离子交换树脂的投加量与所述污泥样品的质量比为60-90g/g；
(3)厌氧氨氧化菌胞外聚合物的提取：对步骤(2)中投加钠型阳离子交换树脂后的污泥样品混合液进行离心处理，对所述上清液进行过滤，所得滤液即为胞外聚合物样品；
(4)使用活化处理后的固相萃取柱对所述胞外聚合物样品进行固相萃取；
(5)对完成萃取的所述固相萃取柱进行淋洗，收集淋洗液；
(6)使用高分辨率质谱仪检测淋洗液中的胞外聚合物。
6.根据权利要求5所述的厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的方法，其特征在于，步骤(1)中进行离心处理时的离心力条件为1500-2500g，离心处理的时间为20-30min；向所述污泥样品中补充的磷酸缓冲溶液的pH值为6.8-7.2；进行所述超声处理的频率为20-25KHZ，功率范围为32w-40w，进行所述超声处理的时间为3min。
7.根据权利要求6所述的厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的方法，其特征在于，对所述钠型阳离子交换树脂进行激活处理的方法包括：第一步，用质量浓度为7％-9％的NaCl溶液浸泡14小时，水洗至中性；第二步，用质量浓度为4％-6％的HC1溶液浸泡5h,水洗至中性；第三步，用质量浓度为4％-6％的NaOH溶液浸泡5小时,水洗至中性。
8.根据权利要求7所述的厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的方法，其特征在于，步骤(2)中在投加所述激活处理后的钠型阳离子交换树脂前，先将所述激活处理后的钠型阳离子交换树脂置于磷酸盐缓冲液或者纯水中浸泡1h以上；并且在投加所述激活处理后的钠型阳离子交换树脂前，先对完成超声处理后的污泥样品混合液进行离心处理。
9.根据权利要求8所述的厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的方法，其特征在于，步骤(3)中进行离心处理时的离心力条件为4500-5500g，离心时间为20-30min；步骤(3)中将上清液过0.22um纤维素滤膜过滤。
10.根据权利要求9所述的厌氧氨氧化污泥胞外聚合物分子结构表征的方法，其特征在于，对所述固相萃取柱进行活化处理的方法为：先使用甲醇润洗所述固相萃取柱，再使用纯净水淋洗所述固相萃取柱。
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