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深大周禮杰團(tuán)隊(duì)在膜生物反應(yīng)器中取得新進(jìn)展
來源：深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 2022-07-06
導(dǎo)讀：近日，深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院周禮杰老師團(tuán)隊(duì)與新加坡國立大學(xué)How Yong Ng教授合作在期刊《Science of the Total Environment》（影響因子10.753，中科院JCR 2區(qū)， TOP期刊）上發(fā)表了題為《Core carbon fixation pathways associated with cake layer development in an anoxic-oxic biofilm-membrane bioreactor treating textile wastewater》的論文。周禮杰為此論文第一作者，How Yong Ng和周禮杰為通訊作者，深圳大學(xué)為第一單位。
近年來，膜生物反應(yīng)器（Membrane Bioreactor）在工業(yè)廢水處理過程中得到了廣泛應(yīng)用。然而，生物膜污染是膜生物反應(yīng)器運(yùn)行的關(guān)鍵瓶頸，會直接導(dǎo)致反應(yīng)器運(yùn)行成本的增加，成為這一工藝亟需解決的難題。在生物膜形成過程中，濾餅層可以隨著微生物、無機(jī)和有機(jī)成分以及生物聚合物在膜表面的沉積和積累而發(fā)展。研究學(xué)者認(rèn)為，濾餅層是膜生物反應(yīng)器中膜污染的主要貢獻(xiàn)者。然而，濾餅層形成的微生物學(xué)機(jī)制尚未闡明，微生物固碳途徑在生物膜垢形成過程中的作用還未被充分了解。研究發(fā)現(xiàn)固碳細(xì)菌在一些易于自養(yǎng)的缺氧條件下在引起或促進(jìn)濾餅層形成的過程中發(fā)揮著重要作用，比如在硫循環(huán)的條件下。因此，了解微生物的固碳能力有利于在科學(xué)研究中指導(dǎo)膜生物污垢緩解策略的設(shè)計(jì)。 
在本次研究中，我們使用宏組學(xué)方法對處理紡織廢水的缺氧-好氧生物膜-MBR系統(tǒng)的濾餅層固碳途徑進(jìn)行了研究。根據(jù)廢水成分和其他特殊條件，如缺氧環(huán)境，硫酸鹽還原菌和硫氧化細(xì)菌可以在膜裝置中共存。此外，膜裝置也有被弱光輻射。然而，由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)全尺寸系統(tǒng)，我們無法準(zhǔn)確地量化光強(qiáng)或總能量輸入。以前的研究中發(fā)現(xiàn)自養(yǎng)生物使用的碳固定途徑有6種：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)。而本次研究在濾餅層中發(fā)現(xiàn)的具有完整的碳固定途徑包括Calvin-Benson-Bassham cycle、Wood-Ljugdahl pathway和3-hydroxypropionate bicycle。Wood-Ljugdahl pathway是要在厭氧條件下才能貢獻(xiàn)更多的固碳途徑。而Calvin-Benson-Bassham cycle (CBB)和3-hydroxypropionate bicycle在微需氧的作用下更能發(fā)揮作用。所以我們在研究的后期加入了曝氣，結(jié)論是曝氣可以有效地抑制微生物的固碳作用，具體是Wood-Ljugdahl pathway的原核生物的相關(guān)酶基因相對值降低了，從而減緩了生物膜濾餅層的發(fā)展，膜污染程度得到緩解。但是，曝氣帶來的好氧環(huán)境導(dǎo)致了3-hydroxypropionate bicycle的原核生物的酶基因得到增加，我們推測是一些硫氧化細(xì)菌，這為濾餅層提供了更豐富固碳途徑。在缺氧的MBR系統(tǒng)中，如果采用間歇和/或短期曝氣可能是抑制濾餅層發(fā)展和減輕膜生物污染的一種經(jīng)濟(jì)有效的選擇。這項(xiàng)工作得到了廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金的支持。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969722025797
參考資料：https://chem.szu.edu.cn/info/1061/5337.htm
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