基于微生物群感效应的氢基质生物膜反应器生物膜富集动态调控机理与方法

Hydrogen-based membrane biofilm reactor (MBfR) integrates microporous diffusion of hydrogen by hollow fiber membranes and biofilm process for treatment of oxidized contaminants in water has attracted widely attention. Slow biofilm attachment, biofilm overgrowth and membrane fouling are problems occurred in maintaining stable and efficient operation for MBfR. This project aims to observe the biofilm structure (physical structure, chemical structure and microbial structure) and growth ability, to analyze the process of biofilm accumulation. Microbial quorum sensing (QS) in reactor system will be investigated to verify the molecular structure and mechanisms of AHLs signal. Effects of AHLs signaling molecules and structure analogs on biofilm structure and growth ability will be conducted to reveal the regulation mechanisms of QS positive reinforcement and negative attenuation on biofilm accumulation. Mathematical model or method of QS dynamic regulation matched to reactor removal efficiency and stability of pollutants is eventually established, and effects of QS regulation and physicochemical control on biofilm accumulation will be evaluate, that further promotes the reactor establishing and artificial regulation and process parameters optimization for stable and efficient operation of MBfR.

氢基质生物膜反应器（MBfR）将中空纤维膜微孔扩散氢气与生物膜法有机结合处理水中氧化性污染物而备受关注。反应器挂膜启动速度慢、生物膜富集过厚及膜污染一直是困扰MBfR稳定高效运行的难题。本项目旨在对MBfR生物膜结构（物理结构、化学结构和微生物结构）和附着生长能力进行观测，解析生物膜富集过程；调查分析反应器系统内微生物群感效应（QS），探明AHLs信号分子结构特征及作用过程；考察AHLs信号分子及结构类似物投加对生物膜结构和生长能力的影响，揭示QS正向强化和负向削弱生物膜富集的调控机制；最终建立与反应器污染物去除性能效率性和稳定性匹配的QS动态调控模型及方法，评价QS调控与物化调控协同控制生物膜富集的效果，进一步实现反应器构建和稳定高效运行的人工调控和工艺参数优化。

氢基质生物膜反应器（MBfR）是一种同步利用H2/CO2实现有毒有害污染物净化的新型处理技术，也对污染物控制协同碳减排带来新的契机。然而，氢基质生物膜反应器挂膜启动速度慢、生物膜富集过厚及膜污染一直是困扰MBfR稳定高效运行的难题。本项目对MBfR生物膜结构（物理结构、化学结构和微生物结构）和附着生长能力进行了观测，深入解析了生物膜富集过程；调查分析了反应器系统内微生物群感效应（QS），鉴定出系统存在C4-HSL、C8-HSL、C10-HSL、C12-HSL、C14-HSL、3-oxo-C10-HSL、3-oxo-C14-HSL等主导AHLs信号分子，并明确了其AHLs的结构特征；考察了AHLs信号分子及结构类似物投加对生物膜结构和生长能力的影响，证实了外源投加C4-HSL、C14-HSL对生物膜生长的正向强化机制，以及外源3-oxo-C14-HSL对生物膜厚度生长的抑制作用；分析鉴定了QS调控下主导AHLs信号分子产生及降解（或抑制）紧密关联的特异性生物标志物为反硝化细菌Rhodopseudomonas palustris (strain ATCC BAA-98/CGA009)；最终建立与反应器污染物去除性能效率性和稳定性匹配的QS动态调控模型及方法，进一步实现反应器构建和稳定高效运行的人工调控和工艺参数优化。