Il protocollo prevede una metodologia per solubilizzare fango granulare aerobico per estrarre polimeri extracellulari alginato-like (ALE).
To evaluate and develop methodologies for the extraction of gel-forming extracellular polymeric substances (EPS), EPS from aerobic granular sludge (AGS) was extracted using six different methods (centrifugation, sonication, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), formamide with sodium hydroxide (NaOH), formaldehyde with NaOH and sodium carbonate (Na2CO3) with heat and constant mixing). AGS was collected from a pilot wastewater treatment reactor. The ionic gel-forming property of the extracted EPS of the six different extraction methods was tested with calcium ions (Ca2+). From the six extraction methods used, only the Na2CO3 extraction could solubilize the hydrogel matrix of AGS. The alginate-like extracellular polymers (ALE) recovered with this method formed ionic gel beads with Ca2+. The Ca2+-ALE beads were stable in EDTA, formamide with NaOH and formaldehyde with NaOH, indicating that ALE are one part of the structural polymers in EPS. It is recommended to use an extraction method that combines physical and chemical treatment to solubilize AGS and extract structural EPS.
Negli ultimi anni il processo di fango granulare (AGS) aerobico è diventato un popolare processo di trattamento biologico delle acque reflue, applicato con successo in diverse su larga scala impianti di depurazione 1. In contrasto con il processo a fanghi attivi convenzionali, elaborano i AGS microrganismi formano granuli invece di fiocchi 2. Questi granuli hanno una migliore sedimentazione, sono in grado di resistere a più alti tassi di carico organico, e hanno una maggiore tolleranza alla tossicità di fiocchi fanghi attivi 3.
A differenza di biofilm, AGS si forma spontaneamente senza il coinvolgimento di qualsiasi materiale di supporto 4. In AGS, come in biofilm, microorganismi producono una notevole quantità di sostanze polimeriche extracellulari altamente idratati (EPS) 5 per formare una matrice idrogel in cui sono auto-immobilizzato 4 – 6. EPS sono una miscela complessa, costituita da polisaccaridi, proteine, acidi nucleici, (phospHo) lipidi, sostanze umiche ed alcuni polimeri intercellulari 5,7,8. Queste sostanze polimeriche interagiscono tra loro mediante forze elettrostatiche, legami idrogeno, forze ioniche attraenti e / o reazioni biochimiche, ecc 5, formando una struttura di rete terziaria densa e compatta. I polimeri in EPS che sono in grado di formare idrogeli 4,9 e contribuire alla formazione della struttura di rete terziaria sono a questo riguardo considerato EPS strutturali, un sottoinsieme del totale EPS.
EPS sono responsabili della struttura chimica e proprietà fisiche dei granuli 5. E 'quindi fondamentale per capire la funzione di ogni composto EPS. Vari approcci sono applicati per estrarre EPS 10 – 15. Tuttavia, a causa della loro estrema complessità, è quasi impossibile estrarre tutti i componenti EPS da un unico metodo. Ad oggi, non vi è "one size fits all" metodo di estrazione EPS. La scelta del metodo di estrazione influenza non solo la quantità totale, ma anche la composizione dei polimeri recuperati 13,16 – 20. A seconda del tipo di fanghi e le EPS di interesse metodi differenti sono necessari.
Estrazione polimeri gelificanti, caratterizzano le loro proprietà e indagare le loro interazioni con l'altro e con EPS non-gelificanti contribuirà a rivelare il ruolo di EPS in formazione di fango aerobico granulare. Inoltre, i polimeri gelificanti sono anche biopolimeri utili in applicazioni industriali. Una possibile applicazione è stato già dimostrato utilizzando polimeri gelificanti da AGS come materiale di rivestimento per aumentare la resistenza all'acqua di carta 21.
Pertanto, sono necessari metodi di estrazione, specifici per EPS gelificanti. Lo scopo di questo studio è quello di sviluppare una metodologia per estrarre EPS gelificanti da AGS. Sei metodi di estrazione 10 – 15,22, che sono spesso utilizzati in letteratura, sono stati selezionati per estrarre EPS da AGS. L'importo totale e la struttura gelificante dell'EPS estratti sono stati confrontati per ciascuna metodologia.
Osservazioni per la sezione protocollo
L'estrazione di EPS / ALE è descritto per un volume di 50 ml e 3 g di granuli. Questi valori sono da intendersi come linee guida. Estrazioni con concentrazioni più elevate di granuli possono diminuire la resa dei EPS estratti. Durante l'estrazione ALE la temperatura deve essere mantenuta costante a 80 ° C per 30 min. Il tempo necessario per la miscela per riscaldare (circa 5 min) è incluso nel protocollo. Inoltre, l'efficacia di estrazione viene migliorata utilizzando un ancoretta magnetica della stessa dimensione del diametro del fondo matraccio. Questo si tradurrà in buone proprietà di miscelazione e effetti di fresatura, promuovendo l'estrazione di EPS.
Più tardi, nella sezione del protocollo, TS e VS rendimenti di tutte le estrazioni (surnatante raccolti nei passaggi 1.1-1.6) sono determinati. Dialisi deve essere eseguita prima della TS e VS misura di diminuire possibili errori dovuti alla presenza di sostanze chimiche usate per estrazioni. UNMWCO di 3.500 Da consiglia di rimuovere queste sostanze chimiche, pur mantenendo le macromolecole EPS all'interno del sacchetto di dialisi. La sacca di dialisi dovrebbe avere un volume maggiore del volume dell'estratto. Ciò è necessario, in quanto il volume dell'estratto aumenta durante la dialisi (ad esempio, per l'estrazione EDTA fino a aumento di volume del 40%). Il grado di rimozione chimica mediante dialisi può essere determinata misurando il pH nel campione prima e dopo la dialisi. In alternativa, misure di conducibilità dell'acqua di dialisi mostrano l'estensione della rimozione di ioni.
Per ottenere ALE dall importo totale estratto i EPS (punti 1.6 e 2) la fase di dialisi è facoltativo. Tuttavia, la dialisi ha tre vantaggi: riduce la quantità di HCl necessaria per la precipitazione, migliora il trasferimento di massa di acido nell'estratto e diminuisce il contenuto di ceneri del ALE ottenuto. Per la precipitazione di ALE è consigliabile utilizzare un bicchiere di vetro con un volume molto maggiore della estrat. Na 2 CO 3 è normalmente overdose nell'estrazione. Il HCl aggiunto sarà dapprima reagire con Na 2 CO 3 rimasti nell'estratto, causando la formazione di biossido di carbonio e, se il campione non è stato dializzato prima, in schiuma. Durante l'aggiunta di HCl, l'estratto dovrebbe essere mescolato lentamente di ancoretta magnetica della stessa dimensione del fondo del bicchiere. Una barra di agitazione di queste dimensioni e lenta agitazione si tradurrà in una miscelazione uniforme senza rompere la struttura del precipitato. Se grumi gel acidi si formano nell'estratto, il bicchiere deve essere agitato un po 'a mano. La precipitazione viene condotta con una concentrazione di acido di 1 M di evitare un forte aumento del volume dell'estratto mentre ancora ottenere una distribuzione omogenea di acido nel campione. concentrazioni di acido più elevate possono comportare una diminuzione del pH regionale e ciuffi gel acidi formazione. Un pH inferiore a 2,0 diminuisce la quantità di ALE che può essere recuperato, probabilmente a causa di cambiamenti strutturalidei polimeri a pH inferiore. E 'quindi importante mantenere il pH finale a 2,20 ± 0,05.
limitazioni
Il metodo di estrazione ALE intende estrarre polimeri extracellulari strutturali delle EPS da AGS o biofilm in generale e non è inteso per estrarre tutti presenti EPS. Per estrarre tutti EPS, una combinazione di più di un metodo di estrazione è necessaria. Inoltre, come illustrato con l'aumento della resa VS EPS applicando un'estrazione doppie e quadruple, una singola estrazione sarà non estrarre tutti EPS strutturali. Estrazione ALE è un metodo di estrazione EPS dura, combinando costante miscelazione con condizioni di calore e alcaline. Per questo motivo è possibile che materiale intracellulare viene estratto insieme ai EPS. Anche se la lisi cellulare può essere causato da tecniche di estrazione fisica e chimica (sonicazione 31,32, 31,32 NaOH, EDTA 11,32, CER 32, 32 e di calore ad alta taglio tassi di missaggio 19), la presenza di materiale intracellulare in EPS recuperati deve ancora essere verificata. La proprietà ionico gelificante delle EPS estratte è l'obiettivo principale di questa ricerca, se l'EPS recuperato contiene materiale intracellulare non è stato analizzato. La ricerca futura si concentrerà sull'identificazione materiale intracellulare nelle EPS estratti.
Solubilizzante la matrice idrogel di AGS è cruciale per estrarre EPS strutturali
EPS forma una matrice idrogel densa e compatta in AGS. Sebbene EPS contiene varie classi di macromolecole organiche quali polisaccaridi, proteine, acidi nucleici, lipidi (fosfo), sostanze umiche e alcuni polimeri intercellulari 7,5,8, non tutti formare un gel. Solo quei polimeri gelificanti sono qui considerati come polimeri strutturali in EPS.
Lo scopo di EPS estrazioni è per solubilizzare dapprima EPS e quindi raccogliere i EPS solubilizzate. Se l'EPS strutturale (vale a dire, tha EPS formando un idrogel) è la porta di estrazione, la matrice di gel di AGS deve essere solubilizzati prima. Solo metodi che possono solubilizzare la matrice di gel sono in grado di estrarre EPS strutturali. In questa ricerca, più frequenti utilizzate EPS metodi di estrazione, come centrifugazione 10-15, sonicazione 10,14,15, EDTA 10 – 12,14,15, formaldeide + NaOH 10 – 15 e formammide + NaOH 13 non poteva isolare efficacemente l'strutturale EPS. Ciò è dovuto al fatto che la matrice idrogel dei granuli aerobici non è stato solubilizzato con questi metodi. Per questo motivo, prove di stabilità nella sezione 4 sono stati eseguiti solo con le condizioni attuali in EDTA, formammide + NaOH e formaldeide + estrazione di NaOH. Questi tre estrazioni non erano in grado di isolare EPS strutturali, ma ancora ottenere il massimo rendimento VS EPS oltre il Na 2 CO 3 estrazione. condizioni Of Na 2 CO 3 estrazione non è applicata a questo metodo di estrazione chiaramente solubilizzati matrice AGS. Quindi le condizioni applicate durante la prova di stabilità sono state considerate rappresentative.
Estrazione con resina a scambio cationico (CER), un altro metodo di estrazione EPS utilizzato di frequente, non è stato considerato per questo confronto, come gli studi precedenti sulla estrazione EPS con CER non danno i risultati migliori rispetto alle estrazioni chimici utilizzati qui.
EPS gelificanti nei AGS
EPS gelificanti sono considerati come i EPS strutturali nella matrice idrogel di AGS. Vale la pena notare che ci sono vari tipi di idrogel come gel ionici, gel di temperatura indotta e gel pH indotti. Questo studio si concentra solo su EPS che formano gel ionici. Per quanto riguarda la grande frazione di materiale gel strutturale estratto, questo è probabilmente i EPS strutturali dominanti. Ci sono certamente possibilità che altri tipi di EPSche formano diversi tipi di idrogel (per esempio, pH gel indotta 28) esiste nello stesso o altro tipo di granuli aerobici. Tuttavia, non importa che tipo di idrogel è rivolto, solubilizzanti la matrice EPS gel è il passo più importante per estrarre EPS gelificanti.
Attualmente, poca ricerca è stata fatta su EPS strutturali del fango granulare. L'estrazione ALE descritto in questo protocollo è in grado di estrarre EPS gelificanti da AGS e verrà utilizzato in studi futuri per caratterizzare EPS strutturali. Più ricerca deve essere fatto su AGS, EPS strutturali e non strutturali EPS per meglio comprendere il processo e la funzione di granulazione e EPS. In particolare i seguenti tre punti devono essere indagati: il motivo per cui i microrganismi producono una tale quantità di EPS, qual è l'esatta composizione di EPS e di come è la composizione di EPS, modificate in funzione dei cambiamenti ambientali. Rilevamento e analisi di tutti i composti coinvolti e la loro interactions aiuterà a comprendere biofilm e come usarli a nostro vantaggio.
The authors have nothing to disclose.
This research was financially supported by the SIAM Gravitation Grant 024.002.002, the Netherlands Organization for Scientific Research and by the Dutch Technology Foundation (STW – Simon Stevin Meester 2013). The authors want to thank Mario Pronk for providing the granular sludge samples.
250 ml baffled flask | Kimble | 25630-250 | |
1000 ml glass beaker | VWR | 213-1128 | |
RCT basic, magnetic stirrer with thermometer | IKA | 3810000 | |
sodium carbonate decahydrate | Merck KGaA | 1063911000 | |
50 ml centrifugation tubes | greiner bio-one | 227261 | |
Multifuge 1 S-R, centrifuge | Heraeus/Thermo Scientific | – | |
hydrochloric acid, 37 % | Sigma-Aldrich | 30721-1L-GL-D | |
250 ml glass beaker | VWR | 213-1124 | |
calcium chloride dihydrate | Merck KGaA | 1023821000 | |
1 ml Pasteur Pipette | Copan | 201C |