微生物胞外多糖在環境中的應用

楊義，趙守祺，葛菁萍,2，宋剛,2，杜仁鵬,2

（1黑龍江大學生命科學學院，農業微生物技術教育部工程研究中心，黑龍江省寒區植物基因與生物發酵重點實驗室，黑龍江省普通高校微生物重點實驗室，哈爾濱 150080；2河北環境工程學院，河北省農業生態安全重點實驗室，河北秦皇島 066102）

0 引言

微生物胞外多糖(EPS)是由細菌、真菌、藻類等微生物分泌的次級代謝產物。目前，已報道的能夠產EPS 的微生物主要有根瘤菌(Rhizobium)、假單胞菌(Pseudomonasadaceae)、放射形土壤桿菌(Agrobacte riumradiobacter)、葡萄球菌(Staphylococcus)、霍亂弧菌(Vibriocholerae)、短乳桿菌(Lactobacillusbrevis)、腸膜明串珠菌(Leuconostocmesenteroides)、融合魏斯氏菌(Weissellacibaria)、羅伊氏乳桿菌(Lactobacillus reuteri)、出芽短梗霉菌(Aureobasidiumpullulans)、毛霉(Mucorsp.)和小球藻(Chlorellavulgaris)等[1-2]?；诙嗵擎溨械膯误w組成，EPS 大致可分為同多糖和雜多糖。同多糖主要由D-葡萄糖、果糖或D-半乳糖組成，根據組成不同進一步分為α-D-葡聚糖、β-D-葡聚糖、果聚糖和多聚半乳聚糖。而雜多糖由D-葡萄糖和D-半乳糖以及稀有糖L-鼠李糖、阿拉伯糖、甘露糖、木糖、L-巖藻糖、N-乙酰氨基葡萄糖、N-乙酰半乳糖胺組成。在某些情況下，雜多糖也可能存在非碳水化合物實體，如醋酸酯、甘油酸、丙酸、丙酮酸、琥珀酸、氨基酸、L-谷氨酸、磷酸鹽和硫酸鹽[3]。

與其他天然多糖相比，微生物EPS 的生產時間較短，提取工藝簡單[1]。微生物EPS 具有優異的生物學特性，在免疫調節、益生元、抗癌、抗氧化、抗病毒、抗潰瘍和抗胃炎等方面展現較好的功效[4]，被廣泛應用于制備生物材料、生物醫藥、食品工業、環境保護等眾多領域。隨著人類對環境保護意識的不斷提高，越來越多的研究者開始關注天然高分子材料在環境中的應用。目前，微生物EPS 在醫藥和食品工業上的報道較多，但關于微生物EPS 構效關系與環境保護的研究較少且不全面。因此，本文綜述了微生物EPS 的構效關系以及其在環境保護中的應用，為微生物EPS 的開發及應用提供理論參考。

1 微生物EPS構效關系

微生物EPS 的分子量、單糖組成、糖苷鍵、官能團和表面形態等因素都會影響EPS 的功能特性[5]。因此，深入探討EPS的功能和結構的關系，對于發掘其潛在的應用價值具有重要作用。表1總結了一些微生物EPS的來源、單糖組成和糖苷鍵與應用之間的聯系。

表1 微生物EPS來源及應用

1.1 單糖組成對微生物EPS的影響

EPS是由許多不同單糖組成的細胞外分泌高分子聚合物，這些單糖組成直接影響了EPS的物理化學性質和生物活性。研究表明，尖胞柵藻(Scenedesmus acuminatus)產生的EPS 主要由甘露糖、鼠李糖和糖醛酸組成，其中甘露糖是與銅和鉛離子形成復合物的關鍵糖[15]。EPS中的其他單糖如阿拉伯糖可能有助于細胞聚集，鼠李糖和巖藻糖可以影響絮凝和細胞粘附，而EPS骨架中存在的葡萄糖醛酸殘基對于抗凝活性至關重要[16]。此外，研究發現，路德維希腸桿菌(Enterobacterludwigii)產生的EPS是一種帶電的六糖，由D-半乳糖、D-葡萄糖、L-巖藻糖和D-葡萄糖醛酸(2:1:2:1)組成[17]。研究EPS的金屬結合特性還發現，丙酮化的半乳糖能降低亞麻種子對Cd2+的吸收。因此，不同的單糖組成對EPS的吸附性和絮凝性等都有不同的影響，在環境保護中具有潛在的應用價值。

1.2 分子量對微生物EPS的影響

大部分微生物EPS的分子量在10～106Da之間[18]，分子量的不同導致了EPS在絮凝性上的差異。一些研究指出使用高分子量生物絮凝劑進行絮凝作用，其具有更多的吸附位點、更強的橋連作用和更強的絮凝活性，而使用低分子量生物絮凝劑所得到的絮凝效果相對較弱。這是因為分子量較大的絮凝劑通常具有足夠數量的游離官能團，橋連作用將許多懸浮顆粒聚集在一起，從而在絮凝反應中產生較大的絮凝體尺寸[19-21]。據報道膠質芽孢桿菌(Bacillusmucilaginosus)產生的高分子量EPS(2.6×106Da)具有很高的絮凝活性(99%)，相比之下，谷氨酸棒桿菌(Corynebacterium glutamicum)所產生低分子量(105Da)EPS 的絮凝活性僅為80%[22]。此外，在TANG等[23]的研究中，腸桿菌屬(Enterobactersp.)ETH-2 所生成的EPS(1.8×106Da)對高嶺土懸浮液也有較高的絮凝表現，絮凝活性為94%。CHEN 等[24]從類芽孢桿菌屬(Paenibacillussp.)純化的EPS(2.38×108Da)在較大的pH 值范圍內對高嶺土懸浮液(99.8%)、煤廢水(98.8%)和高濁度飲用水(89.2%)中表現出較高的絮凝活性。這些研究表明，EPS 的分子量對其絮凝活性具有直接影響，分子量越高，絮凝效果越好。因此高分子量的EPS 有望成為一種有用的生物絮凝劑，應用于廢水處理和水資源利用。

1.3 官能團對微生物EPS的影響

微生物EPS具有電負性官能團能夠作為生物吸附劑與重金屬離子發生離子交換反應、配位絡合反應，通過生物吸附、生物轉化兩種方式處理環境中的重金屬離子[25]。而EPS 的羥基、巰基、羧基和磷酸等基團在EPS與重金屬結合形成有機金屬配合物的過程中至關重要[25]。YE 等[26]研究發現節桿菌(Arthrobacter)ps-5 EPS 中的羥基、羧基、羰基等基團能與重金屬離子Cu2+、Pb2+和Cr6+有效結合，對重金屬具有較強的吸附能力。CHEN 等[27]的研究也報道了帶負電荷官能團如羰基、羥基、氨基等的增加，提高了EPS 對Cd2+的結合能力。此外，BHUNIA 等[25]通過傅里葉紅外光譜(FTIR)實驗證實EPS 對金屬離子的結合能力取決于EPS 表面羥基、羰基、醇、胺、磷?；?、巰基和羧基等負電荷基團的表達。微藻EPS 中的硫酸基團賦予其親水性和電負性，可以使水溶液中的Ca2+、Mg2+、Zn2+絮凝沉淀下來，所以帶有硫酸基團的微藻EPS 可以被當作有效的絮凝劑[28-29]。從以上研究可知，微生物EPS 可以通過生物吸附去除廢水中的重金屬，主要是因為EPS 中羥基、羧基、氨基、硫酸基團等官能團賦予EPS 電負性，導致EPS能夠吸附重金屬離子沉淀下去?；谶@些研究結果微生物EPS可以被認為是一種有前途的螯合劑，用于去除環境中帶正電荷的重金屬離子污染。

1.4 糖苷鍵對微生物EPS的影響

糖苷鍵是EPS 分子中重要的結構單位，對EPS 的性能具有重要影響。高含量、多類型和特定空間構型的糖苷鍵調節EPS 的溶解度、穩定性和親水性。ADAV 等[30]研究發現胞外蛋白質、脂質和α-糖苷鍵連接的EPS 被酶水解之后，生物聚集體的三維結構未被破壞，而β-糖苷鍵連接的EPS 被水解后生物聚集體解體，說明β-糖苷鍵在維持生物聚集體結構穩定性中起到重要作用。WANG 等[31]發現可溶性α-葡聚糖中α-(1,6)糖苷鍵含量高，而不溶性α-葡聚糖具有93%的α-(1,3)和7%的α-(1,6)糖苷鍵。這可能因為EPSα-(1,3)糖苷鍵含量高，導致其分子間交聯程度增加，溶解性低且親水性強。這樣的特性還讓EPS能夠在土壤中形成團聚體，這些團聚體不僅可以儲存水分、養分，抵御風蝕和水蝕等自然作用，還能提供物理支撐和空間來改善植物的生長環境[32]。因此，EPS 的存在可以促進土壤的健康和植物的茁壯成長，了解糖苷鍵對EPS 性能的影響對于深入研究其生物學功能以及開發多功能材料具有重要意義。

1.5 表面形態對微生物EPS的影響

微生物EPS 的表面形態與EPS 的吸附性、親水性和乳化性密切相關。MATHIVANAN 等[33]研究發現由蠟狀芽胞桿菌(Bacilluscereus)KMS3-1 在不同條件下制備的EPS 呈現出不同的表面形態，而這種形態可能與金屬離子的耐受性相關。未添加金屬離子制備的EPS 表面呈現出不均勻、網狀、多孔的結構，而在添加金屬離子后制備的EPS表面則更加光滑、堅硬，并具有多孔混凝土狀結構，這種多孔混凝土結構的EPS 可以吸附金屬離子，增強細胞膜的剛性，從而有效的防止重金屬離子進入細菌細胞。其他研究發現表面更光滑，孔隙率更小的EPS對水(105.3%)和油(86.3%)具有較好的吸收能力，對棉籽油、芥子油、汽車油、煤油和柴油也表現出較好的乳化性能[34]。INSULKAR等[35]研究發現地衣芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis)PASS26 EPS呈現光滑、致密、孔隙率小的片狀結構，對水(98.8%)和油(101.7%)具有良好的吸收能力，并且該EPS對花生油、椰子油、橄欖油和葵花籽油具有中等的乳化活性。以上研究證實了光滑、致密、多孔、孔隙率小的EPS在去污、重金屬污染方面具有很大的應用潛力，利用EPS可以有效的保護生態環境。

2 微生物EPS在環境中的應用

2.1 微生物EPS改善農作物生長發育的環境

在農作物生長發育過程中，干旱、土壤鹽堿化和重金屬污染是具有破壞性的非生物脅迫，近幾十年來變得更加強烈，大大降低了農業產量，威脅著可持續農業生產和全球糧食安全[36-38]。有研究發現微生物EPS 能夠提高土壤肥力，調節植物細胞滲透壓，促進土壤團聚體形成，對重金屬具有較強吸附能力，基于這些特性EPS 能保護農作物免受干旱、土壤鹽堿化和重金屬的侵害[26,39-41]。

2.1.1 微生物EPS改善鹽脅迫下農作物生長隨著全球氣候的變化和人類活動的加劇，土壤鹽堿化使耕地面積每年減少約1%～2%[42]。土壤高鹽度不僅會損害土壤理化性質和微生物活性，還會對植物的各種生理和代謝過程產生不利影響[43]。據報道利用有益微生物緩解鹽脅迫對植物生長的影響，是一種生態友好和可持續農業發展的方法[44]。KUMAR 等[45]研究發現一些植物根際促生菌(PGPR)能夠分泌EPS 以維持細胞內滲透壓平衡，也可作為在生物和非生物脅迫條件下植物生存的保護屏障，導致PGPR 耐受高鹽濃度并促進植物生長。LIU 等[46]研究結果表明PGPR 分泌的EPS 用于保護生長中的根，除了直接改善根系結構外，EPS還形成生物膜作為抵御不利環境壓力的物理屏障，并提高光合作用能力和保護植物細胞膜免受鹽脅迫引起的氧化損傷。SUN等[47]從海稻的根部分離出了能產生大量EPS 的內生菌(Pantoeaalhagi)NX-16，并使用水培實驗研究了EPS 對鹽脅迫下水稻幼苗生理反應的影響，研究證實EPS 能減輕鹽脅迫的不利影響，增強了水稻幼苗的耐鹽性。因此，利用微生物EPS 減弱農作物的鹽脅迫是可持續和適應性強的方法，可以在不損害環境的情況下提高農作物在鹽堿條件下的性能。

2.1.2 微生物EPS 改善干旱脅迫下農作物生長據估計，世界上三分之一的耕地受到缺水的影響，作物生產受到干旱脅迫的限制[41]。干旱脅迫不僅影響農作物根際微生物的數量和活動，還影響植物的各種生理和生化過程，從而對農業生產造成巨大的損失[48]。而微生物EPS 在保持土壤濕度、提高農作物抗旱性等方面具有顯著作用。一些報道指出，土壤微生物將EPS 以黏液物質和膠囊的形式釋放到土壤中，在范德華力、氫鍵和陰離子吸收機制下EPS 可被粘土表面吸收，在土壤中形成保護膠囊結構。含有EPS 的膠囊可以保持水分，比周圍環境更慢地干燥，從而保護植物根系和細菌免受干旱脅迫[41,49]。NASEEM等[50]研究發現，產生EPS的菌株結合各自的EPS 對玉米種子進行殺菌，可以改善土壤含水量、植物生物量、根和莖長以及葉面積。在干旱脅迫下，接種植株的相對含水量、蛋白質和糖含量增加。與接種單個PGPR 菌株相比，接種多個PGPR菌株及其各自的EPS表現出更大的抗旱潛力。ILYAS等[51]報道了枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)MT742976和巴西固氮螺菌(Azospirillumbrasilense)MT742977 組合使用產生大量的EPS，能誘導植物表達更高的激素水平。這些菌株聯合接種后，小麥種子發芽率、幼苗活力指數分別提高了18.2%、23.7%。在盆栽試驗中，它們對植株生長也有促進作用，其中莖長、根長和葉面積分別增加42.9%、29.8%和33.7%。以上研究結果表明，EPS 能提高農作物抗旱性，改善農作物生長、形態屬性、生理參數，因此將EPS應用于植物的抗旱處理中成為了一個新興的研究方向。

2.1.3 微生物EPS改善重金屬脅迫下農作物生長不負責任地處置工業廢水、礦山尾礦、城市垃圾和富含重金屬的廢污泥造成了土壤重金屬污染[52]。重金屬污染會降低土壤肥力，影響農業生產力，導致糧食減產[53]。一些研究報道微生分泌EPS 通過絡合作用與重金屬結合，降低土壤中重金屬遷移率，最大限度地減少了植物對重金屬的吸收，減少了重金屬對植物的脅迫[54-55]。JOSHI 等[56]報告了由固氮菌(Azotobacterspp.)產生的EPS可結合15.17±0.58 mg/g的Cd2+和21.9±0.08 mg/g CrO42-，從而減少了小麥中的金屬吸收。XU等[57]報道，惡臭假單胞菌(Pseudomonasputida)X4 分泌的EPS 顯著降低了白菜中Cd2+的吸收率，白菜枝條的Cd2+吸收率降低了10.0%～62.0%，白菜根部的Cd2+吸收率降低了8.1%～60.1%，增強了將Cd2+固定在土壤中的效率。之前研究發現物理和化學技術可以被用來修復土壤中的重金屬污染，但這些方法大多數具有生態毒性，價格昂貴，導致污染物去除不完全等特性[58]。相較而言，利用微生物EPS修復土壤中的重金屬污染是一種有前途的技術，在性質上是有效的，具有成本低、環保、高效，比其他傳統修復技術具有社會經濟重要性，具有廣泛的應用前景。

2.2 微生物EPS在污染物處理中的應用

2.2.1 重金屬去除工業生產、礦山開采、化石能源的使用等活動造成了土壤、水體中的重金屬累積。重金屬累積會導致作物減產、生態結構破壞并嚴重影響人類健康[59]。一些研究發現利微生物EPS 通過生物吸附、生物轉化能夠有效去除重金屬的污染。DIENGDOH等[60]從一條被污染的河流的河岸上分離出蘚類念珠藻(Nostocmuscorum)，發現N.muscorumEPS能有效的去除水溶液中的Zn2+。通過FTIR 分析證實了EPS 與金屬離子的結合能力取決于羥基、羰基、巰基和羧基等負電荷基團。此外，微生物EPS還能夠還原金屬離子，并進一步將其轉化為納米粒子。例如KANG等[61]發現在不用光和酶的幫助下大腸桿菌(Escherichiacoli) EPS中的半縮醛基團能作為還原劑將Au3+還原為零價轉化為AuNPs納米顆粒，并且EPS可以作為滲透屏障來減弱Au3+的毒性。除了單菌株外，多菌株聯合體生產的EPS在去除重金屬方面也取得了巨大的成功。從烴類污染水體中分離的細菌聯合體分泌的EPS對Cd2+、Zn2+和Cu2+的吸收率分別為87.12%、19.82%和37.64%。由A.radiobacterF2 和球形芽孢桿菌(Bacillus sphaericus) F6 聯合產生的EPS 在最優pH 值為7 時，60 min內對鎘的吸收率顯著[62]。由此可見不同微生物產生的EPS 可以清除由于重金屬造成的污染，利用EPS修復可以作為控制重金屬污染以及解決環境保護和人類健康問題的可靠方法。

2.2.2 清除有機物合成染料廣泛用于紡織品、紙張、印刷、皮革加工、化妝品、塑料、制藥和食品加工中的產品著色。這些工業廢水中含有大量有毒化合物和合成染料成分，這種未經處理的廢水釋放到陸地或水體將對水生生物、人類和周圍環境產生有害影響[62]。EPS 因為具有氨基、羧基、羥基、磷酸、巰基、酚類等官能團，所有EPS 有著較高的吸附性，可以消除廢水中的有機和無機物質[63]。ZHANG 等[63]研究發現奇異變形桿菌(Proteusmirabilis)TJ-1 EPS 中存在羧基、羥基和氨基等吸附基團，并且該EPS 分子量較高具有更多的結合位點和更強的范德華力，導致P.mirabilisEPS 具有優異的染料吸附性能。依據朗謬爾模型，該EPS 對堿性藍54最大的吸收量為2.005 g/g。KILIC等[64]發現蒼白桿菌屬(Ochrobactrumsp.)生產的EPS對活性藍染料的去除效率為89.4%。其他研究發現鮑氏不動桿菌(Acinetobacterbaumannii)YNWH 226 合成的EPS 可用于染料去除，在脫色實驗48 h后，EPS對剛果紅染料的脫色效率為98.62%[65]。除此，微生物EPS 還能還原降解環境中的有機物，降低水土環境中的有機負荷。JIA等[66]從動膠桿菌屬(Zoogloeasp.)和黑曲霉(Aspergillus niger)純化的EPS均可降解芘，且隨著EPS初始濃度的增加，芘的還原量增加。Kang等[67]研究發現，EPS能夠將1,3-二硝基苯還原為成3-羥基氨基硝基苯和3-硝基苯胺，在這一過程中鼠李糖和酚類殘基起關鍵作用。由此可見EPS在廢水處理和去除染料污染方面的巨大潛力。

2.2.3 清除抗生素醫療、農業等領域抗生素的大量使用，造成了水土環境中的抗生素殘留物大量累積。這會導致自然環境中的微生物形成抗性基因，對動植物和人類造成難以估計的負面影響[68]。大量的研究闡明了EPS 在環境修復中的作用，特別是對于抗生素的有效去除[69]。一些研究證實，微生物EPS 是可以阻礙磺胺甲二唑和磺胺類抗生素的擴散，從而減輕細胞和抗生素的直接相互作用以及隨后的抑制作用[70-71]。WANG等[72]發現生物膜微生物在緩解抗生素暴露的過程中，對抗生素的吸附主要由EPS 完成。EPS 對四環素(TC)、紅霉素(ERY)、氯霉素(CHL)都有較強的吸附能力，這可能與抗生素的親水性和電荷有關。TC 和ERY 都含有羧基和羥基，而CHL 含有氨基和氯原子。這些官能團可以與EPS中的羧基、羥基、胺基和磷酸基等官能團發生靜電作用或氫鍵作用，從而影響抗生素的吸附。PI 等[73]研究發現克雷伯氏桿菌(Klebsiellasp.) J1 EPS 對水溶液中磺胺類抗生素SMX、SM70、SM0 和SDZ 的生物吸附效率分別為55.1%、51.8%、46.7%和1.2%，顯示出EPS 對磺胺類藥物的良好吸附能力。這些研究結果可為EPS在環境修復系統中抗生素的轉化提供新見解。

2.3 微生物EPS對胃腸道環境的影響

環境微生物的多樣性在維持和保護全球遺傳資源方面起著重要作用，并構成了地球上大部分的生物多樣性。此外，它還對人類健康產生著重要影響。其中腸道微生物群對于維持動物生理平衡、營養代謝和免疫系統的發育至關重要。而某些微生物EPS發揮益生元作用，可以調節腸道微生物群、增強腸道蠕動、維持腸道微生態平衡、減少炎癥和改善腸道功能。因此，如何調節腸道菌群已經成為研究的熱點。LI等[74]研究發現雙歧桿菌(Bifidobacteriumbifidum)WBIN03 EPS 能夠作為營養物質來源，顯著提高了乳桿菌和總厭氧菌的生長。ASHFAQ 等[75]研究表明，EPS 不僅增加了有益乳酸菌的豐度，而且還降低了家禽腸道中E.coli、沙門氏菌(Salmonella)和腸球菌(Enterococcus)等致病菌的豐度，這表明EPS有可能在家禽飼料中用作抗生素的替代品，以抑制腸道病原體的生長。TIAN等[76]發現EPS 不能被唾液和胃腸道消化，但EPS 可以被人體腸道菌群降解和消耗并促進短鏈脂肪酸的產生。EPS也可以提高擬桿菌(Bacteroides)的相對豐度，降低致病菌克雷白氏桿菌屬(Klebsiella)和梭菌屬(Fusobacterium)的相對豐度，從而顯著調節腸道菌群組成。此外，EPS能夠恢復受損的腸道粘膜屏障，從而增強動物的胃腸道健康。LI 等[77]的細胞培養研究表明，鼠李糖乳桿菌(Lactobacillusrhamnosus)產的EPS能夠減少H2O2誘導的豬小腸上皮細胞(IPEC-J2)的氧化損傷，并通過上調細胞緊密連接蛋白顯著提高了H2O2受損IPEC-J2的存活率。CHEN 等[78]發現嗜熱鏈球菌(Streptococcus thermophilus)EPS 能在體外和體內維持和恢復小鼠腸粘膜屏障功能，并能增強緊密連接蛋白claudin-1、occludin 和E-cadherin 的表達。這可能因為缺乏緊密連接蛋白會導致腸道屏障的滲透性增加，從而促進病原體和潛在有害抗原的侵入導致腸道炎癥[79]。這些研究表明EPS 對于刺激免疫系統，維持腸上皮功能，調節上皮生長并降低炎癥和免疫疾病的發生很重要，EPS 有可能用作抗生素的替代品，抑制腸道病原體的生長。

3 展望

微生物EPS 可以賦予微生物抗逆性和儲存營養物質的能力，可以構建植物-微生物共生體系幫助植物對抗極端環境，有助于荒漠地區等極端環境的生態恢復，可以與污染物質結合解決多種環境污染問題。然而，由于多數微生物EPS 的產量受限，生物活性不明顯等原因，尚未被大規模工業化生產和應用。為了促進其廣泛應用，需要進一步改進和優化生產工藝，提高產量和活性。因此可以加強以下幾個方面的研究，以解決微生物EPS 應用受限的困難：（1）利用基因工程手段和代謝途徑分析，實現微生物EPS 的大規模生產和應用。通過基因水平的修飾，改變微生物EPS 的單糖組成或結構，從而改變其生物活性和功能，制造出符合需求的產物；（2）通過結構修飾，顯著提高微生物EPS 的生物活性。例如，改變EPS 的分子量或增加取代基，可以調節其水溶性、吸附性等理化性質，為創造新型生態修復手段提供可能；（3）優化發酵條件和培養介質，提高微生物EPS 的產量和質量。選擇適宜微生物生長和EPS 產生的培養條件，如溫度、pH 值、營養成分等，可以提高微生物EPS 的產量和活性。