百欧林 May 08, ’09 < 20210106

南京大学环境学院黄辉副教授利用石英晶体微天平技术研究鼠李糖脂促进自养反硝化细菌初始成膜的微观机制

近些年来,随着污水处理标准的不断提高以及城市污水处理厂“提标增效”、“节能降耗”的热潮兴起,生物膜法污水处理工艺尤其是反硝化滤池受到极大关注。

在污水处理的尾端,由于有机物沿程降解导致其浓度降低,污水处理厂频繁面对反硝化效能下降、出水总氮难以达标排放的难题。另一方面,传统异养反硝化工艺中外加碳源的补充带来的经济负担导致污水处理厂运行成本的上升,因此,以硫自养-异养反硝化为代表的混合营养反硝化的应用成为当前反硝化脱氮领域研究的热点之一,其稳定的脱氮能力和相对低廉的处理成本为其应用推广提供了良好的基础,但受限于自养反硝化微生物的缓慢生长,硫自养异养反硝化滤池往往需要较长的启动时间,如何加速生物膜生长、缩短挂膜时间是硫自养异养反硝化滤池应用中的关键技术瓶颈。

南京大学环境学院黄辉副教授基于课题组前期在污水处理生物膜领域的研究经验【参考文献1-4】,提出了一种加速硫自养-异养反硝化生物膜形成的思路【参考文献5和6】:采用鼠李糖脂这一典型的生物表面活性剂来降低大分子及微生物与填料表面的水力斥力,调控生物膜与填料表面的亲/疏水性及生物膜的粘弹性,进而促进大分子和微生物在填料表面的初始粘附进程,加速生物膜的形成,并利用石英晶体微天平(QCM-D)技术对其过程及影响因素进行了探究。该工作以“Microscopic analysis towards rhamnolipid-mediated adhesion of Thiobacillus denitrificans: a QCM-D study”为题,于2021年1月5日在线发表在Chemosphere杂志上。

 

在该项研究中,研究人员首次将鼠李糖脂应用于促进硫自养-异养反硝化生物膜的形成,以脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)这一典型硫自养反硝化菌属为代表,通过石英晶体微天平技术,以表面镀SiO2材料的芯片为模式填料,模拟反硝化滤池内生物膜的形成,相关实验设计及流程如下:

图1 QCM-D实验设计及流程

图1 QCM-D实验设计及流程

实验发现常温条件下鼠李糖脂对大分子及脱氮硫杆菌的沉积有一定的调控作用,尤其是低浓度时(20 mg/L)对大分子物质的沉积具有较为明显的促进作用(图2),而高浓度的鼠李糖脂(80 mg/L)对脱氮硫杆菌的沉积有较为显著的抑制作用,由于鼠李糖脂兼具降低水力斥力及清洗效应两种作用,鼠李糖脂的添加量是决定其对大分子和脱氮硫杆菌初始粘附起促进或抑制作用的关键因素,综合考虑大分子物质及脱氮硫杆菌在常温条件下的粘附结果,仅20 mg/L鼠李糖脂对大分子的沉积有十分显著的促进作用,其他浓度条件下其效果不明显或者无明显规律。

图2  常温下鼠李糖脂对大分子物质及脱氮硫杆菌初始粘附的影响:(a)&(b)大分子溶液;(c)&(d)大分子及低浓度微生物菌液;(e)&(f)大分子及高浓度微生物菌液

图2  常温下鼠李糖脂对大分子物质及脱氮硫杆菌初始粘附的影响:(a)&(b)大分子溶液;(c)&(d)大分子及低浓度微生物菌液;(e)&(f)大分子及高浓度微生物菌液

低温条件下,生物膜的形成较常温下更为缓慢,那么,鼠李糖脂对低温下大分子物质及微生物的初始粘附作用效果又如何呢?对此,研究人员将同样的实验组于低温条件(10oC)下进行了探究,结果则与常温条件下大为不同,鼠李糖脂偏向于在较高浓度时才表现出对大分子及微生物初始粘附的促进作用,其中,在高浓度菌液组这一特征最为明显(图3)。

图3  低温下鼠李糖脂对大分子物质及脱氮硫杆菌初始粘附的影响:(a)&(b)大分子溶液;(c)&(d)大分子及低浓度微生物菌液;(e)&(f)大分子及高浓度微生物菌液

图3  低温下鼠李糖脂对大分子物质及脱氮硫杆菌初始粘附的影响:(a)&(b)大分子溶液;(c)&(d)大分子及低浓度微生物菌液;(e)&(f)大分子及高浓度微生物菌液

这一变化与鼠李糖脂的清洗效应相违背。研究人员借助QCM-D对初始沉积的生物膜的粘/弹性这一结构特性进行了探究。结果表明,生物膜的初始粘附量与生物膜的粘弹性有较大的关联性,生物膜呈粘弹性时,其粘附量一般较刚性时更大,尤其是低温高浓度菌液组中,随着鼠李糖脂浓度的上升,生物膜呈现由刚性转变为粘弹性的变化,而其沉积量也有显著的提升(p<0.05)。

图4  鼠李糖脂介导SiO2填料表面大分子物质沉积及脱氮硫杆菌粘附示意图

图4  鼠李糖脂介导SiO2填料表面大分子物质沉积及脱氮硫杆菌粘附示意图

基于对大分子及脱氮硫杆菌的初始粘附量、生物膜粘弹性及溶液Zeta电位等的研究结果,结合冗余分析与相关性分析,总结鼠李糖脂发挥作用的机制(图4)如下:(1)鼠李糖脂在室温下降低水力斥力,促进大分子物质的沉积。但随着鼠李糖脂含量的增加,其溶解效应增强,沉积物质随进水带走导致沉积量的减少;(2)大分子物质与脱氮硫杆菌的沉积薄层一般呈刚性,不利于脱氮硫杆菌的粘附,高浓度的鼠李糖脂可使薄层由刚性转变为粘弹性,有利于脱氮硫杆菌的粘附。

总结:研究团队利用石英晶体微天平技术探究了大分子及脱氮硫杆菌在SiO2填料表面的沉积粘附过程,提出了鼠李糖脂促进自养反硝化细菌初始成膜的微观机制,为硫基混合营养反硝化滤池的快速启动提供了理论依据。

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0045653521000096

Chong Peng, Xuan Fan, Yujin Xu, Hongqiang Ren, Hui Huang*. Microscopic analysis towards rhamnolipid-mediated adhesion of Thiobacillus denitrificans: a QCM-D study[J]. Chemosphere, 2021, 271, 129539.

参考文献:

[1] Xuan Fan, Pengcheng Peng, Hui Huang*, Chong Peng, Yilin Gao, Hongqiang Ren. Undesirable effects of exogenous N-acyl homoserine lactones on moving bed biofilm reactor treating medium-strength synthetic wastewater. Science of the Total Environment, 2019, 696: 134061.

[2] Pengcheng Peng, Hui Huang*, Hongqiang Ren, Haijun Ma, Yuan Lin, Jinju Geng, Ke Xu, Yan Zhang, Lili Ding. Exogenous N-acyl homoserine lactones facilitate microbial adhesion of high ammonia nitrogen wastewater on biocarrier surfaces. Science of the Total Environment, 2018, 624: 1013-1022.

[3] Hui Huang#, Yuan Lin#, Pengcheng Peng, Jinju Geng, Ke Xu, Yan Zhang, Lili Ding, Hongqiang Ren*. Calcium ion- and rhamnolipid-mediated deposition of soluble matters on biocarriers. Water Research, 2018, 133: 37-46.

[4] Hui Huang, Lili Ding, Hongqiang Ren*, Jinju Geng, Ke Xu, Yan Zhang. Preconditioning of model biocarriers by soluble pollutants: a QCM-D study. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7(13): 7222-7230.

[5] Chong Peng, Hui Huang*, Yilin Gao, Xuan Fan, Pengcheng Peng, Xuxiang Zhang, Hongqiang Ren. A novel start-up strategy for mixotrophic denitrification biofilters by rhamnolipid and its performance on denitrogenation of low C/N wastewater. Chemosphere, 2019, 239: 124726.

[6] Chong Peng, Yilin Gao, Xuan Fan, Pengcheng Peng, Hui Huang*, Xuxiang Zhang, Hongqiang Ren. Enhanced biofilm formation and denitrification in biofilters for advanced nitrogen removal by rhamnolipid addition. Bioresource Technology, 2019, 287: 121387.

QCM-D技术简介:
具有耗散因子检测功能的石英晶体微天平(QCM-D)是瑞典百欧林科技有限公司的QSense产品系列的专利技术,可提供多个频率和耗散因子数据,用于测定非常薄层的吸附层的质量,并同步提供粘弹性等结构信息。耗散型石英微晶体天平技术(QCM-D)作为一种实时界面多维跟踪技术,可以对多种不同类型的界面进行实时在线无需标记的表征。
该仪器应用范围包括:食品、蛋白质、核酸,多糖等生物分子和细胞/细菌、自组装材料、生物传感器、高分子聚合物、环境膜处理、纳米颗粒、石墨烯等,从纳米到微米尺度的物质与界面之间的相互作用及物质的环境响应。

更多耗散型石英晶体微天平仪器详情,请访问QSense产品页面

 

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