水处理中的生物膜技术：趋势与挑战

北极星环保网讯:什么是生物膜？生物膜是一种复杂的生物结构，它会出现在所有跟水接触的各种表面上。就定义来说，生物膜由原核生物和其他微生物(例如酵母菌、真菌、原生动物)以及其分泌出保护层的粘液(EPS)组成。生物膜可以在固体或者液体表面，甚至是生物的软组织内形成。它一般具有很强的抗性，能抵挡一般消毒方法的冲击。

《自然》微生物子刊2016年8月曾刊发关于生物膜新兴属性的综述文章

生物膜的形成是原核生物圈一个古老但又必不可少的组成部分，它是结构复杂的动态系统，具备原始多细胞生物和多层面生态系统的特点。它反映了细菌生长的一种保护模式，使其能在恶劣的环境下生存繁衍。

生物膜的存在可能会对一些系统的运行造成负面影响。例如船壳和膜表面的生物膜污染会增加经营成本，而致病性的生物膜则会对人类健康产生危害。囊性纤维变性病人的肺炎、慢性伤口、慢性中耳炎和移植和导尿管相关的感染都是跟生物膜相关的感染疾病，这影响了发达国家每年数以百万的人的健康，甚至夺去了人们的生命。由食物引起的疾病，往往也是由那些能形成生物膜的病原体导致的，这是一个全球性的健康问题。一些牙龈疾病则跟长在牙齿上的多物种生物膜有关。

自然水域里的生物膜有时也是人们不希望看到的，例如富营养化产生的水华藻。生物膜也会长在自来水输送管道的内壁，这使得要增加氯的投放，但同时也会滋生大肠杆菌、腐蚀管道、发出嗅味并最终影响水质。

但另一方面，对水处理而言，当生物膜得到合理控制和适当使用时，它又是有用的工具。这里的水处理主要指的是饮用水、市政和工业污水、海水淡化、地下水以及从水中回收资源。

生物膜与微生物生态学

微生物生态学是生物膜研究的重要部分，它能帮助人们更好地控制生物膜的形成、生物化学的反应工艺及其扩散。目前的研究焦点在应用先进的技术来分析其膜结构和功能，包括驱动其形成和扩散的主要因素。多种生物方法的结合应用是理解和认识微生物膜生态学的关键。

1. 现代分析工具

目前最常用的应用组合是实时荧光定量核酸扩增检测系统 (qPCR)、 荧光原位杂交技术 (FISH - fluorescence in situ hybridization)、高级二维显微镜、微型化学传感器。这个组合应用能帮助研究者跟过去相比更好地描述生物膜的形状，包括细胞和它们的分泌物。

PCR聚合酶连锁反应技术由美国人Kary Mullis和他的团队于1986年发明，并曾获得了1993年的诺贝尔化学奖。结合qPCR和微切割技术使研究者能对生物膜中的微生物功能性种群(functional guilds)进行分层量化分析。

荧光原位杂交技术(Fluorescence in situ hybridization, FISH)是根据已知微生物不同分类级别上种群特异的DNA序列，以利用荧光标记的特异寡聚核苷酸片段作为探针，与环境基因组中DNA分子杂交，检测该特异微生物种群的存在与丰度。应用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)的FISH技术可以对生物膜和活性污泥絮体的特异种群进行空间分布研究。

好氧颗粒污泥经FISH操作后冰冻切片的CLSM影像

研究者也应用CLSM、透射电子显微镜(TEM)和扫描透射X射线显微成像技术 (scanning transmission X-raymicroscopy, STXM)技术来对生物膜中的细胞及其EPS基质的大分子亚成分(例如多糖、蛋白质、脂质和核酸)进行制图。

光学相干断层扫描(optical coherence tomography - OCT)在最近几年也被应用到生物膜的研究中，它能可视化生物膜的中尺度结构(mesoscale structure)，而共焦显微拉曼光谱仪(confocal Raman spectroscopy)则为生物膜的化学均质度(heterogeneities)的原位研究提供了工具。

通过OCT技术捕获的人体气管内形成的生物膜三维影像

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