石墨烯基水凝胶为载体的微生物膜构建、形成机制及水环境应用研究

The stabilized structure of biofilm is critical for wastewater treatment via biofilm technique. In the study, reduced grapheme oxide hydrogel (rGOH) with different C/O atom ratio, coordination capability, pore structure, and wrinkling microstructure, will be synthesized. To reveal the physicochemical origin of rGOH hydrogel microstructure characteristics, the effects of reaction conditions on microstructure of rGOH will be investigated by in situ SAXS. The effects of rGOH with different structures on biofilm formation, such as attachment, aggregation and activity, will be further investigated to reveal the structure-effects relationship. The formation mechanism of the biofilm with stabilized structure will be explored via investigating the interface interactions between rGOH and microbial membrane and extracellular polymer substances (EPS) via SAXS and SR-IMI. The efficiency of designed biofilm on wastewater treatment will be assessed by comparing with that of biofilm via active carbon fiber as carriers.

构建结构稳定的生物膜是实现生物膜法大规模应用于废水处理的关键。本研究拟以表面带正电的还原氧化石墨烯水凝胶（rGOH）为载体，通过化学调控水凝胶载体的还原程度、配位能力、孔隙结构和褶皱程度，构建结构稳定的生物膜。通过原位同步辐射小角散射（SAXS）研究反应条件（rGO与交联剂之间的比例、配体和金属离子种类和浓度）对水凝胶还原程度、配位能力、孔隙结构和褶皱程度的影响，揭示影响水凝胶微结构特征的物理化学因素，为可控制备特定微结构的水凝胶提供新策略；通过研究结构不同的rGOH水凝胶对生物膜粘附、聚集结构和活性的影响，揭示其与生物膜相互作用的效应机制；通过SAXS和同步辐射傅利叶红外谱学显微成像（SR-IMI）技术研究水凝胶与微生物细胞膜及胞外多聚物的作用规律，揭示水凝胶促进生物膜形成和提高生物膜结构稳定性的机理；利用构建的生物膜，对其在废水处理中的效果进行初步评价。

本项目利用多种基于同步辐射分析方法：X-射线吸收谱（XAS）、光电子能谱（XPS）、小角X射线散射（SAXS）、圆二色（CD）等结合TEM、SEM、拉曼和红外光谱等纳米材料表征方法对氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）在水环境中的物理化学行为、相互作用机制进行了深入的研究。研究发现高浓度GO在含有腐植酸HA水溶液中可以自组装成具有取向排列的向列相液晶结构。这种层列相自组装结构的主要作用力来自范德华力及氢键，HA分子通过在GO表面上的包覆和层间插入，可与GO形成三明治型的复合物，GO-HA复合物在水溶液中可形成长程有序的层列相结构。这种层列相自组装结构在一定浓度下具有手性特征，且HA的存在具有增强GO本征手性的效应。进一步的研究揭示，GO产生CD信号部分来源于GO片层折叠扭曲等带来的手性环境，GO-HA的本征手性增强来源于HA的包覆增加了GO-HA片层上的皱褶及层间的扭曲，使GO片上的C=C键更多处于一个相对稳定的不对称环境。抑菌效应研究证实，水溶液中GO和GO-HA均对E. coli增殖具有一定抑制能力。GO和rGO与溶液中过渡金属离子Fe3+、Cu2+配位能力较强，与Co2+、Ni2+配位能力较弱。研究表明GO-HA和rGO-HA稳定性复合物的形成及HA对金属的强络合能力有利于金属与复合物形成低价态配位，石墨烯的sp2π电子可以稳定Fe的不饱和配位，此研究为构建可应用于水环境溶液中的新型碳材料含铁催化剂提供了新思路。