表面增强拉曼光谱原位研究滤膜表面生物膜的形成机制及影响因素

在膜技术的各种应用中，细菌在滤膜表面的附着和生物膜生长严重影响了膜的分离效能，而且形成后很难通过物理甚至化学方法去除，对滤膜造成了永久性破坏，抑制生物膜对膜技术的发展意义重大。针对前人所用银纳米粒子的杀菌性，我们将采用新颖的Ag@SiO2核壳纳米粒子实现表面增强拉曼光谱原位无损伤研究生物膜，并针对生物膜对滤膜的严重危害，开展滤膜表面从细菌附着到生物膜形成全过程的SERS原位检测。在附着阶段，SERS鉴别附着能力强的细菌，考察滤膜性质对细菌附着的影响，并据此实现生物膜的早期诊断。在生长阶段，细菌分泌的胞外聚合物EPS对生物膜的形成起重要作用，SERS原位研究生物膜形成过程中EPS化学组成和丰度的变化，分析对其形成起关键作用的EPS大分子，并考察滤膜表面性质、大分子降解酶、银离子、水利条件等外部因素对EPS组成和细菌成膜能力的影响以及其中的作用机制，为发展滤膜表面生物膜的抑制方法提供重要指导

膜技术由于高效的处理效率，已在水处理工艺中得到广泛应用。然而，膜污染由于降低膜通量、增加能耗、缩短膜寿命，严重制约了膜技术的应用。其中，生物污染是最普遍和难以彻底去除的污染类型。生物污染由不同微生物在滤膜表面附着、繁殖、并分泌大量胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS）形成生物膜引起，不仅造成膜通量和出水水质下降，而且致密的EPS结构能保护其中的微生物抵抗外界不良环境的影响，进一步增加了膜生物污染清洗的难度。对滤膜表面初始附着细菌的早期诊断，以及深入认识生物污染发展和/或清洗过程中菌群和EPS化学组成的变化，对控制生物污染和发展高效清洗策略具有重要意义。表面增强拉曼光谱（Surface-enhanced Raman Spectroscopy, SERS）是具有单细胞甚至单分子高检测灵敏度的分子光谱技术，可提供不同分子和细菌的指纹图谱，且无需标记，原位无破坏性，检测快速。因此，本项目建立了SERS原位研究膜生物污染的新方法。通过利用高SERS活性和生物相容性的纳米金，优化负载条件，获得了高质量的生物膜SERS图谱。在此基础上，利用细菌的特征SERS指纹图谱，SERS原位研究并揭示了静态培养条件下，混合双菌种生物膜在微滤膜表面从早期细菌附着（1 h）到发展过程中优势菌的动态变化，并分析出菌液浓度和营养竞争是导致菌群变化的主要因素。然后，SERS进一步逐层解析了模拟真实纳滤膜过滤系统中膜生物污染形成和清洗过程的化学组成变化。SERS的近场增强效应，使其可逐层解析不同阶段最表层的生物膜信息。表层生物膜在清洗过程中与清洗剂直接接触，了解其化学组成对提高清洗效率意义重大。研究发现组成变化明显，与生物膜发展阶段密切相关，形成和清洗过程呈相反的变化趋势，证明了层层清洗过程。另外，污染层内部的生物化学变化影响了污染去除效率，而且清洗剂对不同化学组成的清洗效率不同。最后，SERS考察了利用纳滤回收利用污水处理厂二次出水时引起的膜生物污染。二次出水引起的污染类型复杂，包括生物污染、结垢、无机颗粒物等，SERS对生物污染的选择性增强，使其可监控其中生物污染的发生和污染程度。以上研究说明SERS可作为多功能的工具用于生物污染早期诊断、菌群动态变化以及化学组成变化的详细信息，为控制膜生物污染的发生和提高去除效率提供了重要参考。