膜生物反应器NaClO清洗胁迫条件下微生物氧化应激机制与调控

In order to tackle the negative impacts of chemical cleaning on microbial viability and MBR performance, this project tends to systematically investigate the mechanism of microbial oxidative stress for membrane chemical cleaning by widely-used NaClO cleaning reagent. The critical NaClO concentration ensuring no obvious damage to cell integrity will be determined, and the transportation mechanism of HClO/ClO– to microbial cells through cell membrane will be clarified as well. Then, the detailed mechanisms on key enzyme inactivation, ferric ion release and production of reactive oxygen species (ROS) will be explored due to the transportation of cleaning reagent into microbial cells under different NaClO dosages and pH values, aiming to identify the relationship among damage of intracellular substances, NaClO dosage and pH, and ROS. In addition, the relations of HClO/ClO– to membrane cleaning efficiency and the penetration behavious of cleaning agents within membrane fouling layers will be studied in order to establish regulation strategies based on pH, surface tension, and cleaning parameter optimization. It is expected to effectively regulate the oxidative stress of microbes and enhance the MBR performance, facilitating the applications of MBRs for wastewater treatment and reclamation in China.

针对MBR工程应用中化学清洗对微生物活性以及系统运行所产生不利影响的问题，以应用最为广泛的NaClO化学清洗为研究对象，围绕NaClO清洗胁迫条件下的微生物氧化应激机制开展研究，在解析非破壁条件下NaClO临界浓度以及NaClO清洗中HClO/ClO–跨膜向胞内被动扩散（传输）机制的基础上，阐释不同NaClO浓度、不同pH条件下的跨膜传输引起的胞内关键酶失活、Fe离子的异常释放以及胞内活性氧的异常升高的内在机制，探明胞内物质损伤与NaClO浓度与pH条件、胞内活性氧变化等之间的关联关系；辨识HClO/ClO–活性成分与膜清洗效果之间的关系，探究NaClO在污染层的渗透扩散行为，建立基于pH调控、清洗剂表面张力控制、清洗过程参数优化的调控策略，为有效调节NaClO清洗过程中的微生物氧化应激行为，提升MBR系统运行稳定性提供技术支撑，从而推动我国MBR技术在污水处理与资源化领域的推广应用。

本项目围绕NaClO清洗胁迫条件下的微生物氧化应激机制开展研究，在解析非破壁条件下NaClO临界浓度以及NaClO清洗中HClO/ClO–扩散传输机制的基础上，阐释了不同NaClO浓度、不同pH条件下的传输引起的微生物胞内关键酶失活以及胞内活性氧的异常升高机制，探明了胞内物质损伤、微生物复苏过程、膜面生物污染行为与NaClO浓度、pH条件、胞内活性氧变化等之间的关联关系；辨识了HClO/ClO–活性成分与膜清洗效果之间的关系，明晰了膜清洗过程中NaClO在污染层中的扩散行为及清洗机制，建立了基于pH调控、清洗剂扩散行为强化、清洗过程参数优化的调控策略，为有效调控NaClO清洗过程中的微生物氧化应激行为、优化膜清洗效能和提升MBR系统运行稳定性提供了技术支撑。完成了项目计划书的各项研究内容，取得了以下研究成果：.（1）研究了以NaClO作为清洗剂的膜清洗过程中NaClO对MBR污泥中微生物的细胞完整性影响，探明了影响微生物细胞完整性的NaClO临界浓度（不超过1 mg/g-SS），明晰了非破壁条件下膜化学清洗过程中NaClO的扩散传输机制。.（2）围绕NaClO化学清洗诱导的微生物细胞内氧化应激行为，阐明了活性氧浓度变化与胞内关键酶活性变化之间的关联关系，讨论了Fe离子对胞内氧化应激反应的促进作用机制，同时揭示了EPS在外界氧化压力胁迫条件下的微生物保护机制。.（3）研究了膜清洗过程中NaClO诱导的胞内活性氧浓度升高对微生物代谢过程的影响，阐明了活性氧浓度升高引起的胞内代谢关键酶活性抑制机理，解析了NaClO清洗过程对微生物碳、氮代谢反应的影响机制。.（4）系统研究了NaClO清洗对微生物产生的生物影响及其在后续复苏过程中的生物污染行为，解析了NaClO预氧化诱导的膜面次生生物污染行为机制，明晰了以NaClO作为清洗剂的化学清洗过程对微生物生长及生物污染再形成的“抑制-刺激”作用机理；基于NaClO在污染层中的扩散行为机制，结合清洗过程中污染层脱落动态观测，明晰了活性氯在污染层中不同扩散行为导致的污染层不同解离模式，揭示了基于清洗剂扩散行为的NaClO膜清洗机制，构建了基于添加剂（SDS表面活性剂等）、pH调控等强化NaClO扩散的膜清洗优化策略。