Structural characteristics and microbial function of biofilm in membrane-aerated biofilm reactor for the biodegradation of volatile pyridine

膜通氣生物膜反應(yīng)器中生物膜的結(jié)構(gòu)特征和微生物功能，用于揮發(fā)性吡啶的生物降解

來源：Journal of Hazardous Materials 437 (2022) 129370

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究采用無泡曝氣的膜曝氣生物膜反應(yīng)器（MABR）處理高濃度揮發(fā)性吡啶廢水，重點(diǎn)探究了生物膜的結(jié)構(gòu)特性與微生物功能：

 

高效降解：MABR可實(shí)現(xiàn)0.6 kg·m?3·d?1吡啶的完全去除，避免傳統(tǒng)曝氣導(dǎo)致的揮發(fā)污染（圖2）。

 

生物膜結(jié)構(gòu)：高負(fù)荷下生物膜增厚（64μm vs 初始48μm），但未脫落；微生物與胞外聚合物（EPS）呈現(xiàn)分層現(xiàn)象（圖3, 圖4）。

 

 

 

EPS穩(wěn)定性：色氨酸類物質(zhì)及蛋白質(zhì)中α-螺旋和β-折疊比例增加（表1），增強(qiáng)了生物膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（圖5）。

 

 

 

降解機(jī)制：通過多組學(xué)分析（宏基因組+轉(zhuǎn)錄組）揭示吡啶通過羥基化/還原雙途徑降解，關(guān)鍵功能菌為 Pseudomonas和 Delftia（圖6, 圖7）。

 

 

 

研究目的

 

解決揮發(fā)問題：替代傳統(tǒng)氣泡曝氣，避免吡啶揮發(fā)造成的空氣污染。

解析生物膜特性：闡明高吡啶負(fù)荷下生物膜結(jié)構(gòu)（厚度、EPS分布）與微生物功能的響應(yīng)機(jī)制。

揭示降解途徑：通過多組學(xué)技術(shù)挖掘吡啶生物降解的代謝路徑及關(guān)鍵功能基因。

 

研究思路

采用 “性能評估→結(jié)構(gòu)解析→機(jī)制挖掘”三層遞進(jìn)策略：

反應(yīng)器運(yùn)行：

構(gòu)建PDMS膜MABR（膜面積0.93 m2），逐步提升吡啶負(fù)荷（500→800 mg·L?1），監(jiān)測去除效率及NH??釋放（圖2）。

生物膜表征：

CLSM分析生物膜活性/厚度（圖3）；SEM/EPS熒光染色觀察空間分布（圖4）；

三維熒光（EEM-PARAFAC）和圓二色譜（CD）解析EPS組成及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖5, 表1）。

降解機(jī)制挖掘：

HPLC-MS鑒定降解中間產(chǎn)物（13種）；

宏基因組+轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析功能基因及表達(dá)（圖6, 圖7）。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 污染物去除性能（圖2）

數(shù)據(jù)：吡啶負(fù)荷0.8 kg·m?3·d?1時(shí)，去除率85.31%，TOC去除率87.53%。

意義：證明MABR處理高濃度揮發(fā)性有機(jī)物的可行性，為工業(yè)廢水提供技術(shù)路徑。

 

2. 生物膜結(jié)構(gòu)與活性（圖3）

數(shù)據(jù)：高負(fù)荷下生物膜增厚至64μm，外層細(xì)胞活性降至0.39（vs 內(nèi)層0.93）。

意義：揭示生物膜分層抵抗毒性的機(jī)制——外層為物理屏障，內(nèi)層為降解核心。

 

3. EPS特性（圖4, 圖5, 表1）

數(shù)據(jù)：

色氨酸類物質(zhì)（C1）占比顯著增加（熒光強(qiáng)度升高）；

蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)中α-螺旋（50.26%）和β-折疊（18.81%）比例上升。

意義：疏水性色氨酸及結(jié)構(gòu)蛋白增強(qiáng)生物膜穩(wěn)定性，抵抗高負(fù)荷沖擊。

 

4. 微生物群落與功能（圖6, 圖7）

數(shù)據(jù)：

高負(fù)荷下 Delftia（36.54%）和 Pseudomonas（10.69%）成為優(yōu)勢菌；

宏基因組顯示 Delftia主導(dǎo)羥化酶基因（如EC:1.13.11.9），轉(zhuǎn)錄組驗(yàn)證其表達(dá)上調(diào)。

意義：鎖定關(guān)鍵降解菌及功能基因，為生物強(qiáng)化提供靶點(diǎn)。

 

5. 降解途徑（圖6）

數(shù)據(jù)：鑒定三條途徑（羥基化A、還原B、開環(huán)C），途徑B的酰胺酶（EC:3.5.1.4）基因表達(dá)最活躍。

意義：闡明吡啶代謝網(wǎng)絡(luò)，指導(dǎo)降解菌株定向改造。

 

結(jié)論

 

技術(shù)可行性：MABR可高效降解高濃度吡啶（0.6 kg·m?3·d?1），避免揮發(fā)污染。

生物膜適應(yīng)性：EPS中結(jié)構(gòu)蛋白（α-螺旋/β-折疊）和色氨酸物質(zhì)增強(qiáng)生物膜穩(wěn)定性。

功能菌主導(dǎo)：Pseudomonas和 Delftia通過雙途徑（羥基化+還原）協(xié)同降解吡啶。

工程啟示：MABR適用于處理含揮發(fā)性/難降解有機(jī)物的工業(yè)廢水。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專項(xiàng)解讀

技術(shù)原理

Unisense微電極系統(tǒng)（PA2000）通過微米級探針（尖端直徑≤25μm）原位測量生物膜內(nèi)的溶解氧（DO）和pH梯度：

高空間分辨率：以20μm步進(jìn)掃描，獲取從膜界面到生物膜表層的DO/pH剖面（圖S3）。

無損監(jiān)測：避免取樣擾動生物膜結(jié)構(gòu)。

 

在本文中的核心發(fā)現(xiàn)

 

氧梯度定量：

膜界面處DO高達(dá)8.11 mg·L?1（深度400μm），向外層驟降至0.38 mg·L?1（深度0μm）。

意義：證實(shí)MABR生物膜的“反擴(kuò)散”特性——氧氣由內(nèi)向外擴(kuò)散，底物由外向內(nèi)擴(kuò)散。

活性分層機(jī)制關(guān)聯(lián)：

高DO區(qū)（>7 mg·L?1）對應(yīng)高活性層（CLSM顯示活細(xì)胞占比>0.93），低DO區(qū)（<0.5 mg·L?1）對應(yīng)死細(xì)胞層。

意義：解釋生物膜分層現(xiàn)象的成因——氧梯度驅(qū)動功能分區(qū)，內(nèi)層好氧菌主導(dǎo)降解，外層抵御毒性。

pH梯度指示代謝：

膜界面pH最高（堿性），對應(yīng)NH??釋放（吡啶開環(huán)產(chǎn)物）。

意義：反演降解反應(yīng)熱點(diǎn)區(qū)域，定位吡啶開環(huán)發(fā)生在生物膜內(nèi)層。

 

研究意義拓展

工藝優(yōu)化：DO剖面指導(dǎo)曝氣壓調(diào)控（如提升氣壓可擴(kuò)大好氧區(qū)，增強(qiáng)降解能力）。

抗毒性設(shè)計(jì)：明確生物膜“外層屏障”的氧限條件，可為抗毒性菌株富集提供參數(shù)。

模型驗(yàn)證：微尺度梯度數(shù)據(jù)為MABR傳質(zhì)-反應(yīng)模型校準(zhǔn)提供關(guān)鍵依據(jù)。

 

總結(jié)：Unisense電極通過原位解析生物膜微環(huán)境，揭示了MABR中“反擴(kuò)散”機(jī)制與生物膜功能的耦合關(guān)系，為高毒性廢水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了不可替代的微尺度證據(jù)。