2024年10月16日，浙江师范大学地理与环境科学学院膜法课题组在Journal of Membrane Science期刊发表题为“Biochar-driven fouling mitigation in sustainable
microalgal-bacterial membrane bioreactors（生物炭驱动的可持续微藻-细菌膜生物反应器膜污染缓解）”的研究论文。Journal of Membrane Science是膜分离领域的顶级期刊，为SCI一区top期刊，最新影响因子为8.4。浙江师范大学硕士研究生黄飞为一作，浙江师范大学为第一通讯单位。（课题组发表的第399篇SCI论文）
论文链接地址：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2024.123427► 生物炭的添加大大减少了微藻-细菌MBR中的膜污染。。
►扩大絮凝物尺寸和降低SMP是减少膜污染的关键。
► 生物炭的吸附作用减少了造成膜污染的藻类和细菌种类。
► 氨基酸代谢途径的加强减少了SMP的产生。
► 更低的粘附相互作用能有效减少膜污染。
微藻-细菌MBR（MB-MBR）已成为可持续废水处理的一项重要技术。然而，游离微藻造成的膜污染仍然是其经济高效运行的主要障碍。本研究调查了生物炭的添加对MB-MBR膜污染的影响。研究结果表明，生物炭能显著减少膜污染，这主要是由于絮凝物尺寸增大和可溶性微生物产物（SMP）减少。详细的分析表明，生物炭的吸附特性及其对减少藻类和细菌（如Proteobacteria和Leptolyngbya）数量的影响是降低膜污染的关键因素。这种改变增强了特定的氨基酸代谢途径，从而减少了SMP的产生，降低了产生污染的可能性。因此，絮凝体的粘附相互作用能和膜污染都减少了。这项研究表明，添加生物炭是减轻MB-MBR系统膜污染的有效策略，为其稳定和可持续运行提供了理论基础。
TMP是膜污染的直接指标，与过滤阻力呈正相关。图1显示了两个反应器中的TMP变化和污染膜。如图1所示，R0在大约120天内经历了5个不同的膜污染周期，而RBC则表现出3个周期。由于驯化阶段微藻-细菌协同作用的固有不稳定性，这可能会影响膜污染动力学，因此本研究集中在R0和RBC的最后两个循环上，以更精确地了解反应器之间的膜污染变化。图1a显示R0的平均TMP增长率为1.07±0.27
kPa/d（特别是最后两个周期的0.88和1.26 kPa/d），而RBC的平均TMP增长率为0.76±0.07
kPa/d（特别是最后两个循环的0.80和0.71 kPa/d）。RBC系统的TMP增长速率显著降低了29.0%，表明生物炭的添加减少了膜污染。
在RBC的第28天和第37天之间，观察到TMP明显下降，这可能是由于生物炭减少了微生物和有机物与膜表面的接触，从而抑制了污物的附着。通过观察结束时在膜表面形成的污物层，可以证实这一点（图1b和图1c）。相比之下，R0的膜表面被滤饼层广泛覆盖，而RBC膜表面部分被微藻-细菌絮凝物覆盖，这是因为构成颗粒的尺寸较大。这表明，在藻菌MBR中添加生物炭改变了附着在膜表面的污染物的组成，从而影响了污垢层的结构和由此产生的TMP变化。
图1. （a）R0和RBC的TMP变化以及（b）R0和（c）RBC中受污染膜的光学图像
图2显示了R0和RBC中藻菌悬浮液的PSD差异。在R0反应器中，颗粒的主要粒径范围为60至140 μm，而在RBC反应器中，粒径集中在120至270 μm之间。图2b所示R0的平均粒径为106 μm，而RBC的平均粒径则达到193 μm。这表明生物炭的添加促进了藻菌颗粒的聚集，从而导致更大的絮凝体尺寸。生物炭的多孔结构为游离微藻的附着提供了大量的表面积，显著提升了其吸附性能。 与传统的MBR系统一样，在藻菌MBR系统中，膜污染主要是由悬浮颗粒在膜表面的积累引起的。因此，颗粒大小和分布会显著影响结垢过程。较大的颗粒通常具有更快的沉降速率，因此接触膜表面的可能性较低。相比之下，较小的颗粒沉降速率较慢且表面活性较高，更容易吸附在膜表面，进而引发膜污染。此外，粒径对滤饼层的密度和结构有显著影响，这直接关系到过滤阻力。较小的絮凝物通常形成更致密的滤饼层，导致更高的过滤阻力。观察到的PSD和平均粒径差异与TMP、污垢层形态变化相一致。因此，絮凝体大小的不同被认为是导致R0和RBC之间膜污染差异的重要因素。。图2. （a）R0和RBC中微藻-细菌悬浮液的粒径分布和（b）平均粒径. R0和RBC的EPS含量没有显著差异（图3a），因此EPS并不是本研究中膜污染分析的主要因素。相比EPS，RBC中的总SMP为24.19 mg/L，显著低于R0的34.08 mg/L，降低了29.02%（图3b）。这一显著差异表明R0中释放并积累了更多的SMP，这可能由以下两个原因导致。首先，R0中较高的生物量浓度可能加剧了微藻与细菌之间的竞争，导致更多的细胞裂解，并伴随着结合态EPS的水解。其次，RBC中的生物炭可能充当了吸附剂，将SMP吸附到其多孔结构中，从而减少了SMP的积累。成分分析显示，R0中总SMP的升高主要源于蛋白质浓度的显著增加。以往研究普遍认为，SMP和EPS中的蛋白质含量在膜污染中起着关键作用，且较高的蛋白质/碳水化合物比与更严重的膜污染密切相关。 为鉴定SMP中影响膜污染的特定蛋白质类型，使用了3D-EEM荧光光谱进行进一步分析，如图4所示。在两个系统中均检测到两个显著的荧光特征峰：峰A（Ex/Em：280/340 nm）与色氨酸样蛋白相关，峰B（Ex/Em：230/340 nm）与芳香族蛋白相关。尽管两个系统中的荧光峰波长相似，但与R0系统相比，RBC系统中峰A的荧光强度显著降低，表明RBC系统中色氨酸样蛋白浓度较低。这一结果与图3b中较低的SMP蛋白水平一致，表明SMP中色氨酸样蛋白含量差异是导致两个反应器膜污染性能差异的关键因素。图3. R0和RBC中微藻细菌悬浮液的（a）EPS和（b）SMP含量的比较.
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图4 SMP在（a）R0和（b）RBC中的3D-EEM荧光光谱. 图5显示了R0和RBC中微藻-细菌联盟内细菌群落在门和属水平的相对丰度，使用16S
rDNA基因测序技术进行分析。在两个分类水平上，观察到R0和RBC之间的微生物群落结构存在显著差异。在R0中，Proteobacteria（48.12%）、Bacteroidota（26.77%）和Chloroflexi（10.82%）是数量最多的细菌门。相比之下，RBC表现出不同的分布，Proteobacteria（22.32%）、Bacteroidota（26.09%）、Cyanobacteria（17.61%）和Actinobacteriota（18.11%）是主要门。尽管存在这些差异，Proteobacteria和Bacteroidota在这两个系统中仍然占主导地位（图5a），这与传统活性污泥系统的结果一致。这表明，最初活性污泥中的优势细菌很好地适应了反应器内的新环境。值得注意的是，已知Proteobacteria在膜表面积聚并促进SMP的分泌，加剧膜污染。相反，Bacteroidota具有降解复杂大分子的能力，而Actinobacteriota以分解代谢物而闻名。RBC中Actinobacteriota和Bacteroidota丰度的增加有利于减轻膜污染。具体来说，RBC中Proteobacteria的相对丰度约为R0的一半，而Actinobacteriota在RBC中的相对丰度约为4.5倍。这与观察到的较低的SMP水平（图3b）和RBC中膜污染减少（图1）相关，突出了微生物群落组成对藻菌MBR系统中膜污染的显著影响。 在属水平上，unclassified_f_Rhizobiaceae（23.73%）、norank_f_Saprospiraceae （24.82%）、norank_f_Caldilineaceae（6.79%）和Hyphomicrobium（3.91%）是R0中最丰富的属。在RBC中，优势属包括unclassified_f_Rhizobiaceae（7.55%）、Anabaena_PCC-7122（16.15%）、Edaphobaculum（15.93%）和Micropruina（15.49%）。值得注意的是，Rhizobiaceae等属与EPS的产生密切相关。而Hyphomicrobium在生物膜形成中起着至关重要的作用。R0中Rhizobiaceae和Hyphomicrobium的较高相对丰度表明与在该系统中观察到的膜污染增加有关。尽管R0和RBC之间的总体EPS含量没有显著差异，但EPS水解是SMP的主要来源，可能受到根际菌科的影响。此外，水处理系统中常见的Flavobacterium对SMP的生产和有机物分解很重要。与R0相比，它在RBC中的相对丰度增加了3.4%，表明RBC中有机物的分解增强。总之，这些结果强调了微生物群落组成对藻菌MBR系统中膜污染的直接影响，并提出了通过调节特定微生物群落来减少污染的潜在策略。图5. （a）门水平和（b）属水平上R0和RBC中细菌种群差异的16S rDNA分析.
在这项研究中，SMP含量的降低被认为是导致RBC中观察到的膜污垢减少的主要因素。详细分析显示，RBC中SMP含量降低的主要原因是SMP中蛋白质含量减少。先前的研究已经证实，氨基酸（如丙氨酸和谷氨酸）是蛋白质的主要成分。此外，微生物群落分析表明，微藻和细菌群落的变化是影响SMP含量的主要因素，而SMP含量与氨基酸代谢途径密切相关。本研究以丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸（ko00250）的代谢途径为例，如图6所示。虽然天门冬氨酸转氨酶和谷氨酸脱氢酶基因的丰度没有明显差异，但RBC中丙氨酸转氨酶基因的丰度明显高于R0。这一结果表明，由于添加了生物炭，氨基酸的降解过程得到了加强，从而促进了蛋白质的分解。这一推论与图3b中观察到的较低蛋白质浓度相吻合，黄等人也报道了这一结果。因此，添加生物炭似乎可以通过增强特定氨基酸代谢途径来降低SMP中的蛋白质含量，从而减轻藻菌MBR系统中的膜污染问题。图6. 氨基酸降解途径示意图.
【第一作者简介】
黄飞：男，安徽滁州人，导师为张媚佳教授，目前为浙江师范大学地理与环境科学学院环境工程专业研三硕士生，研究方向为膜生物反应器技术以及藻菌污水处理，拥有较高的科研素质，具有一定独立开展科研工作的能力。目前以第一作者的身份在Science of The Total Environment和Journal of Membrane Science期刊上发表论文2篇。
有需要博士生的课题组老师可直接联系他，他的微信号为HF552252。
