“向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。
经典论文解读：建立污泥中胞外聚合物无损化学提取的标准化方法
解读人：张伟军
文章作者：Bo Frølund, Rikke Palmgren, Kristian Keiding, Per Halkjær Nielsen
文章标题：Extraction of extracellular polymers from activated sludge using a cation exchange resin
文献来源：Water Research
被引次数：2043次（Web of Science）；2941次（Google Scholar）
研究背景
胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）是污泥中主要有机组分，以网络状结构包裹微生物细胞，对微生物的生存和污泥的理化性质具有重要影响。在不破坏微生物细胞和生物聚合物结构的前提下，非破坏性高效提取EPS是精确解析其化学组成和结构特性的先决条件。阳离子交换树脂通过置换阳离子导致污泥絮体分散，促使EPS释放到液相中。EPS阳离子交换树脂提取方法最早由Rudd等人提出，随后经过Per Halkjær Nielsen教授团队的系统研究，验证了方法的有效性和优越性，并进一步建立了用于提取污泥中EPS的标准化步骤。
研究思路及核心发现
研究思路
研究通过设置不同条件（离子交换树脂投加量、搅拌强度、提取时间），以提取EPS含量、细胞完整性以及生物聚合物组分的结构变化作为量化指标，评估了阳离子交换树脂法对不同来源污泥中EPS的提取效能。研究发现，阳离子交换树脂提取法可以对EPS中的蛋白质、多糖、腐殖酸、DNA等生物聚合物组分实现高效提取，细胞裂解程度低，生物聚合物组分结构保持良好。研究总结了适用于不同研究目的提取操作参数，证明了阳离子交换树脂提取法再污泥EPS研究中的适用性和可靠性。
核心发现
1. 提取方法参数控制
系统地研究了树脂添加量、搅拌强度与提取时间对EPS提取效率的影响。结果显示，当CER添加量为70 g/g VS、搅拌强度为900 rpm、提取时间超过12 h时，可获得较高的提取产率。另一方面，低速（600 rpm）、短时间（0.5-1 h）的提取模式适用于对细胞结构要求较高的温和提取。
图1 碳水化合物、糖醛酸、蛋白质、腐殖物和DNA的提取量随提取时间的变化关系。实验条件为搅拌强度900 rpm，两种污泥CER添加量分别为65和85 g/g VS。
2. 阳离子树脂提取法的效能
与加热提取法（80 ℃）和碱提取法（pH=11）相比，CER法在蛋白、腐殖物、多糖等主要组分的提取效率显著提升。阳离子树脂法对蛋白质和腐殖酸具有很高的提取效率，能够提取污泥中50%的蛋白质和70%的腐殖酸。
表1 三种不同提取方法的EPS提取率对比（浓度单位为 mg/g VS）
3. 细胞和提取组分的结构变化
通过细胞染色计数和胞内酶活监测，发现提取初期（1-2 h）细胞裂解较少；同时，HPSEC分析表明，提取过程中各类高分子组分保持较好的完整性，无明显降解或结构破坏，证明了CER法的温和性与结果可重复性。
图2. 两种污泥不同提取时间的HPLC-SEC分析结果，提取时间分别为0.5、4、8和17 h，（A）和（B）分别为两种不同来源污泥，随着提取时间延长，紫外响应信号增强，EPS结构无明显变化
图3. 污泥中细胞总数（DAPI染色）和具有呼吸活性的细胞数（CTC染色）随提取时间的变化
研究领域地位
研究总结的阳离子交换树脂提取法因其高效率和低细胞破坏率成为活性污泥EPS研究中最广泛使用的提取方法之一。该方法已被应用于颗粒污泥形成机制、膜污染控制、生物絮体稳定性等多个方向的研究，在环境微生物学与污水处理工程领域均产生重要影响。
作者
佩尔·哈尔克耶·尼尔森 （Per Halkjær Nielsen）
丹麦奥尔堡大学微生物群落多学科中心负责人，环境微生物领域的杰出教授，长期致力于生物污水处理系统的微生物生态学研究。现任国际水协会（IWA）战略委员会委员，IWA/ISME BioCluster主席。在环境微生物领域发表了超过650篇学术论文，引用次数超过53,000次。2010年获得丹麦皇室授予的丹尼布罗勋章（Ridder af Dannebrog），2021年获得国际水协会Ardern-Lockett奖。