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

膜通氣生物膜反應器中生物膜的結構特征和微生物功能，用于揮發性吡啶的生物降解

來源：Journal of Hazardous Materials 437 (2022) 129370

 

摘要核心內容

 

本研究采用無泡曝氣的膜曝氣生物膜反應器（MABR）處理高濃度揮發性吡啶廢水，重點探究了生物膜的結構特性與微生物功能：

 

高效降解：MABR可實現0.6 kg·m?3·d?1吡啶的完全去除，避免傳統曝氣導致的揮發污染（圖2）。

 

生物膜結構：高負荷下生物膜增厚（64μm vs 初始48μm），但未脫落；微生物與胞外聚合物（EPS）呈現分層現象（圖3, 圖4）。

 

 

 

EPS穩定性：色氨酸類物質及蛋白質中α-螺旋和β-折疊比例增加（表1），增強了生物膜結構穩定性（圖5）。

 

 

 

降解機制：通過多組學分析（宏基因組+轉錄組）揭示吡啶通過羥基化/還原雙途徑降解，關鍵功能菌為 Pseudomonas和 Delftia（圖6, 圖7）。

 

 

 

研究目的

 

解決揮發問題：替代傳統氣泡曝氣，避免吡啶揮發造成的空氣污染。

解析生物膜特性：闡明高吡啶負荷下生物膜結構（厚度、EPS分布）與微生物功能的響應機制。

揭示降解途徑：通過多組學技術挖掘吡啶生物降解的代謝路徑及關鍵功能基因。

 

研究思路

采用 “性能評估→結構解析→機制挖掘”三層遞進策略：

反應器運行：

構建PDMS膜MABR（膜面積0.93 m2），逐步提升吡啶負荷（500→800 mg·L?1），監測去除效率及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組成及蛋白質結構（圖5, 表1）。

降解機制挖掘：

HPLC-MS鑒定降解中間產物（13種）；

宏基因組+轉錄組聯合分析功能基因及表達（圖6, 圖7）。

 

關鍵數據及研究意義

1. 污染物去除性能（圖2）

數據：吡啶負荷0.8 kg·m?3·d?1時，去除率85.31%，TOC去除率87.53%。

意義：證明MABR處理高濃度揮發性有機物的可行性，為工業廢水提供技術路徑。

 

2. 生物膜結構與活性（圖3）

數據：高負荷下生物膜增厚至64μm，外層細胞活性降至0.39（vs 內層0.93）。

意義：揭示生物膜分層抵抗毒性的機制——外層為物理屏障，內層為降解核心。

 

3. EPS特性（圖4, 圖5, 表1）

數據：

色氨酸類物質（C1）占比顯著增加（熒光強度升高）；

蛋白質二級結構中α-螺旋（50.26%）和β-折疊（18.81%）比例上升。

意義：疏水性色氨酸及結構蛋白增強生物膜穩定性，抵抗高負荷沖擊。

 

4. 微生物群落與功能（圖6, 圖7）

數據：

高負荷下 Delftia（36.54%）和 Pseudomonas（10.69%）成為優勢菌；

宏基因組顯示 Delftia主導羥化酶基因（如EC:1.13.11.9），轉錄組驗證其表達上調。

意義：鎖定關鍵降解菌及功能基因，為生物強化提供靶點。

 

5. 降解途徑（圖6）

數據：鑒定三條途徑（羥基化A、還原B、開環C），途徑B的酰胺酶（EC:3.5.1.4）基因表達最活躍。

意義：闡明吡啶代謝網絡，指導降解菌株定向改造。

 

結論

 

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

生物膜適應性：EPS中結構蛋白（α-螺旋/β-折疊）和色氨酸物質增強生物膜穩定性。

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

工程啟示：MABR適用于處理含揮發性/難降解有機物的工業廢水。

 

Unisense電極數據的專項解讀

技術原理

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

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

無損監測：避免取樣擾動生物膜結構。

 

在本文中的核心發現

 

氧梯度定量：

膜界面處DO高達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MABR生物膜的“反擴散”特性——氧氣由內向外擴散，底物由外向內擴散。

活性分層機制關聯：

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

意義：解釋生物膜分層現象的成因——氧梯度驅動功能分區，內層好氧菌主導降解，外層抵御毒性。

pH梯度指示代謝：

膜界面pH最高（堿性），對應NH??釋放（吡啶開環產物）。

意義：反演降解反應熱點區域，定位吡啶開環發生在生物膜內層。

 

研究意義拓展

工藝優化：DO剖面指導曝氣壓調控（如提升氣壓可擴大好氧區，增強降解能力）。

抗毒性設計：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。

模型驗證：微尺度梯度數據為MABR傳質-反應模型校準提供關鍵依據。

 

總結：Unisense電極通過原位解析生物膜微環境，揭示了MABR中“反擴散”機制與生物膜功能的耦合關系，為高毒性廢水處理系統的設計與優化提供了不可替代的微尺度證據。