盐城工学院杨百忍/孙祝秋团队CEJ：四种干燥方法预处理移动床生物膜反应器中生物膜的结构和组成

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成果简介

近日，盐城工学院环境科学与工程学院杨百忍团队在化工 / 环境领域知名期刊 Chemical Engineering Journal 上发表了题为： “Structures and compositions of biofilms in moving bed biofilm reactors pretreated by four drying methods” 的研究论文（ DOI: 10.1016/j.cej.2023.147228 ） 。这项研究旨在说明不同干燥方法对 MBBR 内生物膜结构和成分分析的影响。采用超临界 CO ₂ 干燥、真空冷冻干燥、热干燥和自然干燥四种干燥方法对 MBBR 内生物膜进行预处理，并详细研究了生物膜结构和成分的变化。超临界 CO ₂ 干燥和真空冷冻干燥都保持了生物膜的组成，而真空冷冻干燥使生物膜的平均孔径增加。热干燥和自然干燥都会破坏生物膜的结构和组成，特别是热干燥会导致结构崩溃，表面电荷明显下降， C 和 N 元素损失以及生物大分子损失。这项研究的结果将有助于阐明用于分析生物膜结构和成分的合适干燥方法 。

移动床生物膜反应器 (MBBR) 是一种以生物膜为基础的生物处理工艺，通常用于提高水质。理想生物膜的形成是 MBBR 高效处理废水的关键，而关注生物膜的结构和组成对于生物膜的复杂性、生物膜形成强化机制以及有机物降解功能的全面理解具有重要意义。干燥是很多生物膜分析不可或缺的预处理流程，然而，不同干燥方法对 MBBR 生物膜结构和成分分析的影响尚不清楚。这会影响旨在分析 MBBR 中生物膜的实验方案设计。在本研究中，连续监测了 MBBR 的性能和生物膜的生长情况，以确保在稳定阶段从 MBBR 中获得生物膜样品。采用四种不同的干燥方法预处理生物膜样品，并详细研究了这些对生物膜结构和组成的影响。分析了各种干燥方法的适宜性，并对选择合适的干燥方法提出了建议 。

图文导读

四种干燥方法制备生物膜的表面形态

显微镜下观察四种干燥方法制备的生物膜，超临界 CO ₂ 干燥得到了一种具有完好的支撑骨架和中等厚度的干燥生物膜。真空冷冻干燥使生物膜发生明显膨胀和变厚。热干燥导致干燥生物膜结构坍塌，粘附在载体表面。最后，自然干燥产生了一种致密的干燥生物膜，以维持其支撑骨架。这些观察结果突出了不同干燥方法对生物膜表面形态的显著影响，强调了干燥方法在观察和分析 MBBR 生物膜时的重要性。另外，扫描电镜观察也表明使用超临界 CO ₂ 干燥制备的干燥生物膜表面光滑，三维结构完整，细菌细胞光滑、完整、未破裂。使用真空冷冻干燥制备的干生物膜在保持完整的三维结构的同时，细菌细胞表面出现明显的褶皱和裂纹。这可能是因为真空冷冻干燥的负压和冷冻破坏了生物膜内的微生物细胞。热干燥制备的干生物膜结构崩塌，部分细菌细胞被破坏，形成许多小颗粒。此外，尽管使用自然干燥制备的干生物膜表面光滑，但细菌细胞表面被包裹并互相粘附 ; 这一观察结果表明生物膜在干燥过程中会继续生长。

四种干燥方法制备生物膜的比表面积和孔径分布

四种干燥方法制备的干燥生物膜中介孔结构的 BET 比表面积结果表明，热干燥下生物膜的比表面积最高，热干燥制备的干燥生物膜孔数最多，孔径较小 (0-10 nm) ，说明许多大孔在干燥过程中变成了小孔，结合比表面积数据和 SEM 观察表明，热干燥导致水分快速蒸发扩散，导致生物膜快速收缩、团聚和开裂。从而产生更多比表面积更高的亚微观颗粒。此外，四种干燥方法制备的生物膜的孔径分布主要集中在 2-270 nm 范围内。生成的干燥生物膜的平均孔径明显高于其他方法，这可能是由于水迅速形成冰晶，然后真空诱导升华成水蒸气，形成更大的孔隙。自然干燥的孔径分布与 SEM 观察一致，表明生物膜内的一些孔隙被填充，这可能是由于微生物在干燥过程中保持了较长时间的活性 。

四种干燥方法制备生物膜的 化学组成

超临界 CO ₂ 干燥和真空冷冻干燥由于干燥环境较温和，保留了较高的 O 含量，更有利于保存生物膜中的氧化物。此外， C1s 、 N1s 和 O1s 的窄谱扫描结果表明超临界 CO ₂ 干燥和真空冷冻干燥制备的干生物膜具有相似的 C1s 、 N1s 和 O1s 峰，超临界 CO ₂ 干燥和真空冷冻干燥对生物膜的有机质组成影响较小。此外，热干燥制备的生物膜的 C1s 、 N1s 和 O1s 峰比其他方法制备的生物膜弱，表明该干燥方法对生物膜的化学成分有显著影响 。

四种干燥方法制备生物膜的 表面特性

超临界 CO ₂ 干燥和真空冷冻干燥制备的生物膜的 Zeta 电位相近，干燥方法对生物膜表面电荷的影响较小。热干燥制备的干生物膜由于高温暴露具有较低的负 Zeta 电位值。 Zeta 电位较低意味着细菌在生物膜中的稳定性降低，这可能对吸附强度分析产生不利影响。此外，自然干燥制备的生物膜的 Zeta 电位表明，在干燥的生物膜表面可能产生了更多带负电荷的氨基酸。值得注意的是，热干燥与其他方法制备干生物膜的 FTIR 光谱相比，干生物膜在 900-1000 cm ⁻¹ 、 1500-1800 cm ⁻¹ 、 2800-2900 和 ~ 3400 cm ⁻¹ 附近的峰强度更高。这可能是因为生物膜细胞破裂，更多具有更多官能团的生物大分子从细胞中流出。相反，在使用超临界 CO ₂ 干燥和真空冷冻干燥制备制备的干燥生物膜的 FTIR 光谱中观察到类似的峰型，表明这两个干燥方法对其表面官能团造成的损害最小。此外，使用自然干燥制备的生物膜在 900-1000 cm ⁻¹ 处的峰值强度低于使用其他方法干燥的生物膜。这表明采用自然干燥会消耗生物膜内胞外多糖 。

采用四种不同干燥方法制备的生物膜的 TGA 和 DTG 分析表明，四种干燥方法制备的生物膜在 0-100℃ 干燥过程中蒸发或分解的物质损失差异不显著，说明四种干燥方法预处理的生物膜残留含水量相近。四种干燥生物膜的热解曲线在 180–600 °C 都发生了剧烈的变化。 TGA 曲线急剧下降，失重斜率明显，占其初始权重的 60% 以上，这是由于生物大分子如生物膜基质中的多糖、蛋白质和脂类发生的快速热解反应。大分子缩合挥发物和小分子挥发物是这一阶段的主要产物。值得注意的是，热干燥制备的生物膜在这一阶段的失重明显小于其他干燥方法制备的生物膜，这表明热干燥破坏了生物膜基质中多糖、蛋白质和脂质的分布。而存在于细胞壁和细胞膜上的大分子如蛋白质、磷脂、磷壁酸、磷壁酸和脂多糖对净表面电荷有贡献，而存在于胞内大分子也是维持细菌活性的主要成分。大分子的损失会影响我们对生物膜的活性和更新能力的分析，进而影响对 MBBR 性能的判断。此外，热干燥制备的干生物膜中的大分子损失部分解释了为什么该干燥方法导致生物膜具有低 Zeta 电位。

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