南京大学环境学院任洪强院士团队黄辉副教授研究组污水处理填料表面生物膜形成的精准识别

文章信息

第一作者：赵颖 硕士研究生

通讯作者：黄辉 副教授

通讯单位：南京大学环境学院https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157776研究工作得到了国家自然科学基金面上基金项目（51878336）、江苏省自然科学基金优秀青年基金项目（BK20200063）、国家杰出青年科学基金项目（52025102）等项目的支持。

亮点

• 定量描述了SiO2填料表面生物膜形成的微观过程。

• 率先报道了SiO2表面生物膜形成中细菌可逆粘附距离的阈值。

• 提出了基于XDLVO总相互作用能二次最小值的生物膜微观形成分区方法。

• 识别了微生物群落的先锋物种和关键物种。

研究进展

生物膜是自然界中普遍存在的附着于物体表面被细菌胞外大分子包裹的有组织的微生物群体，是生物膜法污（废）水处理的核心。近年来，随着我国污水处理规模激增、排放标准趋严，生物膜法改造工艺（MBBR、IFAS、DNBF等）得到了广泛应用。填料表面大分子和细菌的初始附着和定殖是生物膜形成中的限制性步骤，其难点在于如何识别污（废）水复杂基质下生物膜形成的关键节点与物种？而这依赖于对生物膜的生物量、结构和活性的原位同步监测。然而，受研究手段的限制，国内外在这一领域始终未取得实质性进展。研究组依托搭建的多通道流室及旋流式反应器、光学相干层析成像系统、电化学工作站等实时定量监测系统平台，突破了生物膜生物量、结构、活性同步监测研究的瓶颈，并结合XDLVO理论与生物信息学分析方法，精准解析填料表面生物膜形成的微观过程，为污（废）水处理生物膜形成理论与技术的发展提供有力支撑。

在研究组前期关于有机填料表面生物膜形成和反硝化滤池快速挂膜启动等研究的基础上【参考文献1、2、3】，本研究进一步搭建无机SiO2材质填料的库爱特-泰勒旋流式生物膜反应器（CTR），模拟后置反硝化滤池进水条件，在1.0-2.5 Pa的水流剪切力条件下研究废水中生物膜的形成过程。研究中应用光学相干断层扫描技术和电化学工作站对生物膜形成中的厚度、粗糙度、胞外聚合物（EPS）分泌、电化学阻抗等特征进行同步监测（图1），以期了解物质代谢和微界面变化的阶段特征；采用16S rRNA高通量测序技术监测了生物膜形成过程中的细菌群落变化，通过Alpha多样性、群落共现性网络等进行先锋物种和关键物种的分析。同时，基于XDLVO理论表征了生物膜形成过程中界面总相互作用能的变化，获得生物膜形成各时间节点的XDLVO相互作用能二次最小值和微生物可逆黏附区域（图2），最后进一步结合生物膜各指标和群落组成进行相关性分析和冗余分析（RDA），揭示了生物膜形成的微观过程。

图1 CTR运行和电化学实验期间的生物膜特性：厚度（a）、粗糙度（b）、EPS分泌（c）、CPE（d）、Rsol（e）和Rct（f）

图2 基于XDLVO理论分析生物膜界面相互作用自由能的流程研究主要结论如下

（图3）:（1）XDLVO相互作用能二次最小值的变化曲线与生物膜生物量、生物活性和电化学指标的变化基本同步；（2）XDLVO相互作用能的二次最小值可作为区分生物膜形成阶段的新指标；（3）SiO2填料表面与生物膜之间的相互作用主要由路易斯酸碱相互作用（AB）和静电双电层相互作用能（EL）控制，而范德华力（LW）相互作用能起次要作用。此外，在＜4 nm的区域中，AB占主导地位，而在更远的距离中，EL占主导地位；（4）SiO2填料表面生物膜形成的细菌可逆粘附区域为3.06±0.48 nm，且不受剪切应力的显著影响；（5）最初定殖的菌属是Comamonadaceae、Azospira、Flavobacterium和Azonexus。关键物种如Hydrogenophaga、AKYH767、Aquimonas和Ignavibacterium决定了微生物群落的结构和功能稳定性。

图3 SiO2填料表面生物膜形成的微观过程示意图

综上，本研究提出了一个方法学示例，通过集成实验平台以及多种监测和分析方法，深入阐明生物膜微界面行为，实现对SiO2填料表面生物膜形成的精准识别。不论是无机填料还是有机填料，其表面生物膜的形成过程都历经4个阶段：大分子(如蛋白质、多糖)在填料表面的初始吸附、细菌的粘附增强、生物膜的形成发展以及生物膜的老化脱落。XDLVO相互作用能二次最小值与细菌粘附程度相关，其绝对值越大，细菌粘附程度越高，因此可作为一种新型指标量化表征生物膜初始形成过程。研究提出的二次最小值指标和研究方法学为污（废）水处理生物膜的形成和调控研究提供了重要参考和有益补充。未来仍需在多类型废水验证、关键功能菌成膜的生物学机制、简化和先进的可视化技术研究等方面开展工作，以进一步推动污（废）水处理生物膜形成及调控理论与技术的发展。