深大周礼杰团队在膜生物反应器中取得新进展

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深大周礼杰团队在膜生物反应器中取得新进展

来源：深圳大学化学与环境工程学院 2022-07-06

导读：近日，深圳大学化学与环境工程学院周礼杰老师团队与新加坡国立大学How Yong Ng教授合作在期刊《Science of the Total Environment》（影响因子10.753，中科院JCR 2区， TOP期刊）上发表了题为《Core carbon fixation pathways associated with cake layer development in an anoxic-oxic biofilm-membrane bioreactor treating textile wastewater》的论文。周礼杰为此论文第一作者，How Yong Ng和周礼杰为通讯作者，深圳大学为第一单位。

近年来，膜生物反应器（Membrane Bioreactor）在工业废水处理过程中得到了广泛应用。然而，生物膜污染是膜生物反应器运行的关键瓶颈，会直接导致反应器运行成本的增加，成为这一工艺亟需解决的难题。在生物膜形成过程中，滤饼层可以随着微生物、无机和有机成分以及生物聚合物在膜表面的沉积和积累而发展。研究学者认为，滤饼层是膜生物反应器中膜污染的主要贡献者。然而，滤饼层形成的微生物学机制尚未阐明，微生物固碳途径在生物膜垢形成过程中的作用还未被充分了解。研究发现固碳细菌在一些易于自养的缺氧条件下在引起或促进滤饼层形成的过程中发挥着重要作用，比如在硫循环的条件下。因此，了解微生物的固碳能力有利于在科学研究中指导膜生物污垢缓解策略的设计。

在本次研究中，我们使用宏组学方法对处理纺织废水的缺氧-好氧生物膜-MBR系统的滤饼层固碳途径进行了研究。根据废水成分和其他特殊条件，如缺氧环境，硫酸盐还原菌和硫氧化细菌可以在膜装置中共存。此外，膜装置也有被弱光辐射。然而，由于整个实验装置是一个全尺寸系统，我们无法准确地量化光强或总能量输入。以前的研究中发现自养生物使用的碳固定途径有6种：Wood-Ljungdahl pathway、reduc-tive tricarboxylic acid (rTCA) cycle、dicarboxylic acid/4-hydroxybutyricacid cycle (DC/HB)、3-hydroxypropionic acid/4-hydroxybutyric acidcycle (HP/HB)、3-hydroxypropionate bicycle、Calvin-Benson-Bassham cycle (CBB)。而本次研究在滤饼层中发现的具有完整的碳固定途径包括Calvin-Benson-Bassham cycle、Wood-Ljugdahl pathway和3-hydroxypropionate bicycle。Wood-Ljugdahl pathway是要在厌氧条件下才能贡献更多的固碳途径。而Calvin-Benson-Bassham cycle (CBB)和3-hydroxypropionate bicycle在微需氧的作用下更能发挥作用。所以我们在研究的后期加入了曝气，结论是曝气可以有效地抑制微生物的固碳作用，具体是Wood-Ljugdahl pathway的原核生物的相关酶基因相对值降低了，从而减缓了生物膜滤饼层的发展，膜污染程度得到缓解。但是，曝气带来的好氧环境导致了3-hydroxypropionate bicycle的原核生物的酶基因得到增加，我们推测是一些硫氧化细菌，这为滤饼层提供了更丰富固碳途径。在缺氧的MBR系统中，如果采用间歇和/或短期曝气可能是抑制滤饼层发展和减轻膜生物污染的一种经济有效的选择。

这项工作得到了广东省基础与应用基础研究基金的支持。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969722025797

参考资料：https://chem.szu.edu.cn/info/1061/5337.htm

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