环境功能材料界面性质对生物膜形成过程与代谢功能的调控机制

材料表面生物膜形成对环境与人类生产的影响纷繁复杂,关于环境功能材料与微生物之间的界面作用关系尚无系统阐述。介绍了材料表面生物膜的形成过程,重点解析了材料表面疏水性、形态特征、表面电荷、磁性、物质释放与电子传递等物理化学性质对生物膜形成的调控机制;综述了材料对生物膜微生物群落结构与代谢功能的影响,并且论证了不同环境功能材料与生物膜在水处理系统、废气生物处理和土壤生态修复领域协同降解污染物的潜在机制和应用情况;最后展望了材料与微生物相互作用的未来研究方向。拟为环境功能材料表面生物膜的形成与控制调控,充分发挥两者协同作用以及定向指导材料合成提供理论和技术支撑。     

生物强化自发电化学氧化含硫废水及关键功能微生物研究

构建了以高锰酸钾溶液为阴极电子受体,石墨棒为电极的硫化物自发电化学氧化系统.该系统可自发电化学氧化硫化物,去除率为68.15%~89.30%,其主要氧化产物为单质硫（68.10%~86.63%）,且最大氧化速率可达34.76 mg·L^-1·h^-1,最大稳定电流密度为37.38 mA·m^-2.经生物强化后,该系统的硫化物去除率高于99.80%,其主要氧化产物为硫酸盐（21.98%~74.43%）和单质硫（25.43%~78.02%）,其最大氧化速率可达45.90 mg·L^-1·h^-1,最大稳定电流密度为36.61 mA·m^-2.并通过高通量测序分别从门和属分类水平对生物强化系统阳极室内污泥细菌群落进行分析,相对丰度较高的是具有硫化物氧化功能的变形菌门和具有胞外电子传递能力的拟杆菌门.     

污水处理中的污泥源头减量技术研究及应用进展

污水处理厂中大多采用活性污泥法处理污废水,此法通常会产生大量剩余污泥,而污泥的处理处置费用较高,并且处置不当易对环境造成污染,因此若从源头控制减少污泥的产生则是更为理想的污泥减量方法.本文介绍了几种污泥源头减量工艺技术,如微生物强化技术、微生物固定化技术、解偶联技术(投加解偶联剂、好氧-沉淀-厌氧工艺)、强化隐性生长(物理、化学及生物法溶胞)及微型动物摄取污泥和捕食技术等,并阐述了各技术应用情况,为污泥处理技术人员提供参考方案.在水处理工程中需结合实际情况考虑选用合适的技术.     

改性蓝藻生物炭促进微生物电合成系统产乙酸的机制研究

微生物电合成系统(MES)是一种以微生物作为催化剂,在阴极电驱动下还原CO₂产生简单化学品的新型碳捕获利用技术.为探究蓝藻生物炭在MES中的添加强化乙酸合成的潜力,本研究通过不同蓝藻生物炭的投加,检测乙酸合成性能及电子回收率,观察阴极微生物分布及形态特征,分析微生物群落结构特征,探究蓝藻生物炭添加对乙酸合成的影响及机制.结果表明,添加蓝藻生物炭(ABC)和过氧化氢改性蓝藻生物炭(ABC-H₂O₂),使MES乙酸产量分别增加了33.8%和77.0%,电子回收率均有所上升,且ABC-H₂O₂组电子回收率高于ABC组.分析蓝藻生物炭电子传递性能和氧化还原活性表明,经过氧化氢改性后的蓝藻生物炭表面含氧官能团数量增加,增强了电子传递能力及氧化活性,有利于微生物通过蓝藻生物炭介导进行间接电子传递.在微生物群落结构方面,蓝藻生物炭的添加降低了产乙酸菌丰度,但提高了微生物群落中电活性微生物和产氢微生物的丰度,使得产乙酸微生物获得更多的电子,实现乙酸合成性能增强.本研究揭示了蓝藻生物炭,特别是改...     

微生物电解池原理及其在废水处理中的研究进展

微生物电解池是一种利用电极表面的氧化还原反应,通过电极与微生物间电子强化微生物代谢的技术。这项创新技术逐渐被国内外研究者们所关注,并被用于废水处理及高效产氢方向。本论文主要论述了微生物电解池电极微生物及电子传递机理以及其在废水处理领域的研究进展,并展望了其在该领域的发展方向。     

微氧环境中电化学活性微生物的分离与鉴定

电化学活性微生物在金属、碳等元素的生物地球化学循环,以及生物能源合成中具有重要作用.与微生物燃料电池厌氧阳极相比,微氧阳极能够捕集更多电能.但是相比于厌氧阳极中功能微生物的广泛研究,微氧阳极中的功能微生物还未被分离和研究.本研究采用传统好氧分离技术从微生物燃料电池微氧阳极分离获得3株纯菌Aeromonas sp.WS-XY2、Citrobacter sp.WS-XY3和Bacterium strain WS-XY4,其中WS-XY2和WS-XY3属于变形菌门,WS-XY4初步鉴定为新种.循环伏安、计时电流结果表明3株菌均具有电化学活性,且具有相似的直接胞外电子传递机制.3株菌在微生物分类学和电化学性质上的异同,表明微氧阳极能够定向筛选具有相似电化学性质的电化学活性微生物.微生物燃料电池微氧阳极具有更高效多样的功能微生物,可能是微氧阳极性能优于厌氧阳极的一个原因.因此,进一步针对微生物燃料电池微氧阳极中功能微生物的研究,将有助于阐明微氧阳极提高微生物燃料电池电能捕集的微生物机制.     

微生物燃料电池中产电微生物电子传递研究进展

微生物燃料电池集产电和污水净化为一体,作为一种新型的能源回收技术得到人们的广泛关注。从微生物燃料电池工作原理来看,电子能否顺利地传递到阳极表面对于电流的产生起着关键作用。因此,本文重点阐述了电子在产电微生物体内产生的途径、电子从微生物体内向阳极传递的不同方式以及阳极材料对产电微生物附着和电子传递的影响。从生物化学、电化学和材料学上对产电微生物体内的电子到阳极整个过程进行全面的综述。明确电子传递的关键环节,为新型高效阳极材料的开发提供思路。     

基于臭氧溶胞的活性污泥减量化技术

目前常见的活性污泥减量技术主要包括解偶联技术、微生物的捕食作用以及隐性生长三种方法。基于臭氧氧化溶胞作用从而强化细菌隐性生长的污泥减量技术具有较好的处理效果及良好的应用前景。着重探讨了臭氧溶胞作用的机理及溶胞过程的影响因素。考虑到污泥减量技术在实际污水处理系统中的应用,探讨了臭氧溶胞对污水生物处理系统的影响。     

恶臭假单胞菌原位还原Pd(0) NPs对微生物电子传递性能及活性的影响

微生物原位合成零价金属纳米颗粒在材料合成和环境应用领域引起了广泛关注和研究.本研究利用Pseudomonas putida(P.putida)合成Pd(0)纳米颗粒(NPs),通过FESEM、TEM、XPS等对合成的纳米颗粒进行形貌、价态表征,并对其电化学性能及微生物抑制作用进行分析.结果表明,在厌氧条件下,P.putida在胞外及细胞周质空间可原位合成粒径约10 nm的Pd(0)NPs.CV实验表明,相比P.putida,含Pd(0)NPs的P.putida有更高的氧化还原电流;随着初始反应Pd(Ⅱ)浓度增加至0.07和0.1 mmol·L~(-1),恒电位实验中的乳酸氧化电流分别升至(10.6±5.2)和(22.5±9.7)nA,分别为P.putida((5.7±2.8)nA)的1.85和3.95倍;TTC-ETS和INT-ETS分别提升至89.02和209.09μg·mg~(-1)·h~(-1),分别是P.putida的1.64和1.34倍.以上结果证明了Pd(0)NPs对微生物胞外电子传递(Extracellular Electron Transfer,EET)的正面影响.抑菌圈实验和激光共聚焦图像表明,低量Pd(0)NPs具有较好的生物相容性,过多Pd(Ⅱ)和Pd(0)NPs对微生物有一定的毒性.     

胞外聚合物调控污水微生物聚集体结构功能及表面特性的研究进展

胞外聚合物(extracellular polymeric substance, EPS)是污水处理系统内微生物聚集体的重要组成部分,其组分及含量与微生物聚集体的结构、功能和表面特性息息相关。基于已有研究成果,系统综述了EPS在维持微生物聚集体结构组成、强化其功能活性中发挥的作用,进一步从EPS对微生物聚集体的传质性能、亲/疏水性、物化稳定性、流变性能和脱水性能的调控作用,探究了EPS影响微生物聚集体功能活性的行为机理,旨在为改善污水生物聚集体的聚集性能、提高泥水分离效率、强化水处理能力提供理论基础和科学依据。     

金属材料的微生物腐蚀与防护研究进展

探讨了金属材料在微生物作用过程中的腐蚀与防护。通过在实验室内构建微生物环境来模拟自然状态下金属材料的腐蚀行为。回溯了微生物腐蚀的研究历史,结合近年来的研究进展,重点阐述了生物膜在金属腐蚀过程中的特性,并针对滨海工业用循环冷却水系统中金属材料的MIC,介绍了相关的防腐蚀技术并展望了未来的发展趋势。自然海水中,微生物倾向于附着在材料表面形成生物膜,它在金属/溶液界面扮演着双重角色。金属的微生物腐蚀通常由多种微生物协同作用,具有复杂的作用机制,应该综合运用各种物理、化学手段,尤其是防护性涂层方法才能达到控制腐蚀的目的。     

3DBER系统功能强化与协同作用机制研究

针对污水厂二级生物处理出水C/N低且可生化性差、深度脱氮需外加碳源等问题,结合污水资源化对二级处理出水深度去除TN、TP和微污染物的技术需求,通过改变传统三维电极生物膜工艺（3DBER）的填料组成,构建了强化反硝化脱氮、并具备同步除磷、除微污染物（以邻苯二甲酸二丁酯（DBP）、邻苯二甲酸（2-乙基已基）酯（DEHP）为例,用PAEs表示）功能的3DBER多功能复合反硝化系统,探讨了3DBER工艺强化脱氮同步实现除磷、除微污染物复合功能的技术途径,并从工艺性能、微生物种群分布等角度,深入解析了实现复合功能的技术方法与微观作用机制.结果表明,硫/铁复合功能填料是实现低C/N二级生物处理出水深度脱氮、除磷、除微污染物的关键因素,多功能复合反硝化系统脱氮效率比传统3DBER工艺平均提高20%左右,TP去除率可达80%,PAEs去除率在90%以上.化学计量学和分子生物学技术的分析表明,复合系统脱氮、除磷过程中在微生物生态、电子供体补偿和酸碱度平衡等方面存在协同促进作用.其中,脱氮功能来自异养与多种自养反硝化共同作用,除磷的关键是海绵铁的持续腐蚀,PAEs的去除过程则是吸附、电化学氧化与生物降解协同作用的结果.     

难降解含聚采出水处理技术研究进展

含聚采出水具有水质复杂、黏度大、乳化程度高、含油量高等特点,导致油水分离困难,对油田生产作业和环境带来严重影响。分析了含聚采出水的水质特性,对国内外含聚采出水处理技术进行了总结,如膜分离法、气浮法、高级氧化法、微生物法等,阐述了这些处理技术在油田的应用情况及存在的问题。简要说明了含聚采出水处理工艺及橇装一体化水处理装置开发问题,对今后的含聚采出水处理技术的研究进行了展望,以期为该类污水处理技术的研究和工程应用提供参考。     

我国污染场地化学氧化修复技术应用特征及再利用潜在腐蚀风险分析

化学氧化修复技术在国内有机污染场地修复中所占比例逐年快速增加,但是残留氧化剂、副产物等产生的再利用潜在腐蚀风险问题也引起了研究人员的关注. 首先,通过实际调研和网络检索对国内137个实际修复案例进行研究分析,总结出我国化学氧化法修复技术应用的4个主要特征,包括主要应用于中小型污染地块、水土协同修复且介质复杂、过硫酸盐占比过大且副产物较多、修复周期短且修复药剂过量现象严重;然后,针对应用最多的过硫酸盐氧化法修复技术,通过资料文献分析和国内外案例场地调研信息,梳理出修复后场地再利用过程中可能产生的残留氧化剂腐蚀、副产物盐分腐蚀及环境条件变化导致的微生物侵蚀等3种主要的腐蚀风险机理,以及定性及定量的腐蚀风险测试方法;最后,结合化学氧化过程及pH、氧化还原条件、盐分和微生物环境条件等发生短期、中期和长期的影响因素,提出了可将化学氧化修复后潜在腐蚀过程风险划分为三阶段的概念模型,以期为化学氧化修复技术实际应用及效果评估提供参考.      

微生物隔膜在生物阴极MFC中的应用及效能评价

本文构建了2.0L具有微生物隔膜的模块化生物阴极微生物燃料电池（MFC）,以实际生活污水为底物,在连续流运行模式中,系统考察了微生物隔膜（MS）在MFC长期运行过程中的功能特征.结果表明：发育成熟的微生物隔膜可以稳定维持MFC阴阳极室间的溶解氧（DO）浓度梯度,使阳极室平均DO浓度低于0.5mg/L,同时使完全混合的阴极室COD浓度低于50mg/L,避免了电解液性质对于电极反应的抑制.微生物隔膜可以实现离子的跨隔膜迁移,进而平衡阴阳极室间的pH值;阴阳极室间存在的跨隔膜离子梯度意味着微生物隔膜完全分隔了两极室内不同的微生物代谢类型,阴极快速的好氧代谢可能导致了阴极室离子强度的降低.微生物隔膜对于MFC中COD和DO梯度的保持以及pH值的平衡起到了决定性作用,这将严格保证MFC的正常运行.同时,本文论述了在面向规模化应用的MFC中装配微生物隔膜的巨大技术与经济优势,综合评价了微生物隔膜的效能特征,为进一步推广面向实际废水处理的微生物电化学设备提供了技术支撑.     

有机磷农药废水处理技术进展

有机磷农药废水COD值高、毒性大、可生化性差、组分复杂,排放前必须进行有效处理。综述了处理机磷农药废水的生化法及其吸附、水解、混凝沉淀等预处理方法,常规化学氧化法、超临界水氧化、电化学氧化、光催化降解法等化学法、物理法和超声波法等处理方法。展望了今后有机磷农药废水降解研究的主要方向,包括新方法、新设备的开发、去除机理及影响因素、动力学模型、新微生物菌种、先进检测技术等。为有机磷农药废水处理工艺的选择和设计提供指导和依据。     

生物电化学系统对河道沉积物中抗生素的强化去除

生物电化学系统已被证明可以有效降解废水或污泥中的抗生素,但对于河道沉积物中抗生素降解效果的研究还十分有限.本研究以河道沉积物为底物,考察了沉积物中本底抗生素在微生物电解池（microbial electrolysis cell, MEC）和微生物燃料电池（microbial fuel cell, MFC）中的去除、迁移和降解效率,以及反应器运行期间的电化学性能和微生物种群结构变化.结果显示,MEC和MFC均可以强化沉积物中抗生素的去除,喹诺酮类抗生素和四环素类抗生素中的CTC的去除是向上覆水中迁移与生物电化学降解共同作用的结果,而大环内酯类抗生素和四环素类抗生素中的TC和OTC的去除主要是依靠生物电化学降解作用.TC和OTC在MEC中的降解效率分别比MFC高出82.6%和29.5%,而MFC对大环内酯类抗生素的降解效率比MEC高27.6%~40.6%.电化学性能测试结果显示,以河道沉积物为底物的MFC内阻较大导致其功率密度相对较低,但MFC阳极比MEC阳极表现出了更好的氧化效果.微生物种群结构变化分析发现,门水平上的Proteobacteria及其对应的纲水平上的Deltaproteobacteria和Gammaproteobacteria可能对抗生素的强化去除起到了主要的积极作用,而且MFC阳极比MEC更容易富集Proteobacteria.     

渗滤液中有机化合物在电化学氧化和厌氧生物组合系统中的降解

根据GC-MS分析,垃圾渗滤液中有机组分大多是难生物降解的有机化合物,如酚类、杂环类、杂环芳烃、多环芳烃类化合物,约占渗滤液中有机组分的70%以上. 本文对渗滤液中典型有机化合物在电化学氧化和厌氧生物组合工艺系统中的降解特性进行了系统研究. 结果表明,在电化学处理系统中,杂酚类、酰胺类、苯并噻唑、苯醌、喹啉、萘等有机化合物降解速率高于外-2-羟基桉树脑和异喹啉等化合物,但前者在厌氧生物处理系统中去除率低;渗滤液原水经过电化学氧化处理后,挥发性脂肪酸(VFA)含量从原水中的0.68%增加到电化学出水中的16.18%;此组合工艺能够显著降低因渗滤液复杂组分间的增效协同作用和拮抗作用而引起的毒性,系统出水可生化性增强,为进一步研究垃圾渗滤液的处理技术和进行该组合处理系统的大规模开发提供参考.     

包埋厌氧氨氧化的脱氮特性及其微生物群落结构

采用聚乙二醇二丙烯酸酯作为载体,分别以N,N,N,‘N’-四甲基乙二胺（TEMED）,过硫酸钾（KPS）作为促进剂和引发剂,对厌氧氨氧化菌进行包埋固定化.采用正交试验优化包埋条件,得到的最佳条件为：10% PEGDA单体,0.25% KPS,0.5% TEMED,最佳的操作条件为：聚合温度20℃,聚合时间控制在5min左右,菌胶比选取1：1.包埋颗粒的连续流实验表明,颗粒经过短暂的活性恢复后,脱氮效果不断提升,并且对水力负荷的提高有一定的抗冲击能力.扫描电镜（SEM）表明本实验包埋材料具有很好的生物相容性,且具有良好的传质性能.高通量测序显示,稳定运行一段时间后,颗粒内微生物多样性略有减小,厌氧氨氧化功能菌Candidatus Kuenenia占整个微生物体系比例由6.58%上升至9.8%,微生物种群的变化说明了包埋后厌氧氨氧化性能能够得到更大的提升.