成果简介

近日，南开大学环境科学与工程学院王鑫教授团队在ESE上发表了题为“Dynamic membrane filtration accelerates electroactive biofilms in bioelectrochemical systems”的学术论文。文中将膜过滤过程引入生物电化学系统（Bioelectrochemical system，BES），在阳极构建了一种电化学动态膜以提升系统整体性能。在膜通量为25 L m^-2 h^-1条件下电活性生物膜（Electrochemically active biofilms，EABs）启动时间（43.8 ± 1.3 h）相较于静态培养（0 L m^-2 h^-1）EABs的启动时间（51.4 ± 1.6 h）显著缩短，同时峰值电流密度也提升为静态培养的2.2倍。动态膜过滤提升了EABs启动过程中的活性细胞含量，同时刺激了更多种类的电活性微生物生长。该种新型的电活性膜在长期运行中保持了稳定的电流输出和高效的固液分离性能，拓展了BES系统在污水处理中的应用范围。本项目得到了国家自然科学基金和南开大学“中央高校基本科研业务经费”的支持。

引言

BES作为一种极具应用前景的水污染处理和能量回收技术，具有产生电流、生产附加产品、降解污染物等优点。EABs是决定BES系统效率的关键，在污染物降解、电子传递、电能产生等过程发挥关键作用。因此，EABs的快速启动和持久运行过程中的高电流输出尤为重要。传统BES系统启动过程中往往忽视细菌向电极表面迁移这一关键限速步骤；同时，在长期运行过程中，底物传质受限及质子大量累积也是限制EABs活性，影响BES系统性能的关键因素。

膜分离技术具有分离高效、可有效提升目标物向膜表面的传质过程的优势，可能作为一种提升EABs性能，突破BES系统传质限制的策略之一。基于此，研究假设：膜过滤过程传质速率的提升以及高效的固液分离能够促进细菌迁移和粘附过程，实现EABs的快速形成；同时，膜过滤过程有助于解决底物限制和质子积累，从而维持EABs代谢活性。因此，研究人员设计了一套使用碳布作为阳极和膜过滤基底的电活性膜过滤系统，研究过滤过程对启动时间、电流输出和电化学活性等指标的影响。同时，设计批次实验探究截留和加速传质过程对电活性性能的作用。在不同膜通量下构建EABs进行系统分析，阐释电化学活性提升的机制。

导读内容一：不同膜通量下构建的EABs电化学特性

施加膜通量后EABs具有更良好的电化学特性。25 L m^-2 h^-1和50 L m^-2 h^-1条件下构建的EABs（EAB_{25 LMH}和EAB_{50 LMH}）启动时间均约为44 h，显著短于静态培养（EAB_{0 LMH}）下的启动时间（51.4 ± 1.6 h）。这是由于膜过滤过程能加速细菌向电极的迁移过程，并增强了细菌在多孔电极上的粘附作用，缩短了EABs启动时间。EAB_{25 LMH}和EAB_{50 LMH}峰值电流密度提升为EAB_{0 LMH}（2.1 ± 0.3 A m^-2）的2.2倍。进一步探究过滤截留和加速传质作用对EABs启动的影响：（1）预先以0、25、50 L m^-2 h^-1过滤截留不同生物量，随后统一静态条件下电极培养，50 L m^-2 h^-1预过滤组具有最短的启动时间，表明过滤截留可以在电极模块上积累更多的生物量促进电活性微生物的快速增殖，缩短启动时间。（2）使用同一通量预过滤相同生物量，随后不同膜通量下电极培养，结果显示启动时间无显著差异，表明累积的生物量在EABs形成中发挥关键作用；而传质增强促使底物向生物膜转移显著提升了EABs电活性。

电化学特性测试结果表明，膜过滤过程可能通过调节氧化还原活性物质含量影响EABs电化学活性。循环伏安曲线结果显示EAB_{25 LMH}（4.3 A m^-2）和EAB_{50 LMH}（4.0 A m^-2）峰值电流密度约为EAB_{0 LMH}（2.2 A m^-2）两倍，两组均显示出更强的氧化还原活性。三组EABs均有以−0.33 ± 0.03 V为中心的循环伏安一阶导数对称峰，表明三组电活性物质相同。非周转循环伏安曲线表明三组具有相似的可逆氧化还原反应动力学，EAB_{25 LMH}和EAB_{50 LMH}也具有更低的电荷转移电阻。

导读内容二：不同膜通量下构建的EABs的微生物产物

随着膜通量从0 L m^-2 h ^-1增加至25 L m^-2 h ^-1、50 L m^-2 h ^-1，总生物量（以总蛋白含量记）分别为8.6 ± 2.7，79.2 ± 5.1，106.6 ± 6.2 μg cm^-2，生物量的增加能正向促进电活性菌的绝对含量。同时，随着膜通量增加，胞外聚合物（Extracellular polymeric substance，EPS）蛋白和多糖含量显著增加，EPS蛋白比例提高，EPS蛋白含有多种氧化还原活性分子对生物膜的电活性发挥了促进作用。细胞色素C含量从EAB_{0 LMH}（11.4 ± 4.8 μg cm^-2）提升至EAB_{25 LMH}（16.3 ± 2.3 μg cm^-2）和EAB_{50 LMH}（16.4 ± 3.2 μg cm^-2）。

导读内容三：EABs空间结构分布

激光共聚焦（Confocal laser scanning microscopy，CLSM）分析结果显示，EAB_{25 LMH}和EAB_{50 LMH}在内、中、外层具有更强的荧光强度和细胞活性，表明膜过滤过程优化EABs内部空间结构。在EABs外层，EAB_{25 LMH}和EAB_{50 LMH}有更高的活性细胞比例，分别为68.5 ± 6.0 %，68.0 ± 5.6 %，远高于EAB_{0 LMH}（23.7 ± 1.1 %），证实了传质增强可优化底物和质子传输，进而极大的提高了EABs活性。

荧光原位杂交（Fluorescence in situ hybridization，FISH）结果显示，不同于EAB_{0 LMH}， 在Geobacter spp.主要分布内层与中间层。这是由于传质和电子传递增强调节了电活性菌的空间分布，使得EAB_{25 LMH}和EAB_{50 LMH}中具有更高的生物量，从而含有更高的电活性菌绝对含量。

导读内容四：微生物群落分析

三组EABs中共有OUTs 433个，仅占总OTUs的1.1%，表明样本间多数物种存在差异，而EAB_{25 LMH}和EAB_{50 LMH}与接种源具有更高的同源性，说明膜过滤过程可以通过加速微生物菌群迁移和增强初始粘附的选择作用，从而该EABs上的微生物保持与接种物的同源性。基于OUTs的主成分分析结果显示，EAB_{25 LMH}和EAB_{50 LMH}与EAB_{0 LMH}存在显著群落差异。EAB_{25 LMH}和EAB_{50 LMH}分别与EAB_{0 LMH}进行优势发育属对比，Geobacter spp.占据EAB_{0 LMH}中48 %的丰度，而在EAB_{25 LMH}和EAB_{50 LMH}分别仅为0.3 %和0.1 %。这是由于膜过滤作用和循环流模式导致EABs绝对生物量增加，使EAB_{25 LMH}和EAB_{50 LMH}中Geobacter spp.相对丰度降低。除Geobacter spp.外，其他电活性微生物丰度在EAB_{25 LMH}和EAB_{50 LMH}中丰度显著上升，促进EABs中氧化还原活性物质含量上升。通过电活性细菌指数（生物量×电活性细菌群落丰度）指标量化EABs中电活性细菌的总量，结果发现电活性细菌指数结果与EPS蛋白含量结果相似，表明电刺激和膜过滤过程的耦合显著促进了更多电活性微生物的生长。

导读内容五：长期运行稳定性

EAB_{25 LMH}和EAB_{50 LMH}在长期运行中表现出持续稳定的电流输出。在13个周期（60天）的长期运行中，EAB_{25 LMH}和EAB_{50 LMH}的平均峰值电流密度显著大于EAB_{0 LMH}（9.1 ± 1.1 A m^-2），分别为13.4 ± 1.1 A m^-2和11.6 ± 0.9 A m^-2。跨膜压力（Transmembrane pressure，TMP）是评价膜系统运行稳定性的关键参数，在60天的运行中，EAB_{25 LMH}和EAB_{50 LMH}TMP始终处于低增长阶段，增长速率分别为0.23 kPa d^-1和0.29 kPa d^-1，电极上的电活性微生物促进了污染物的阳极氧化实现了膜污染增加和分解的动态平衡。成熟期的EAB_{25 LMH}和EAB_{50 LMH}表现出良好的颗粒和胶体物质分离性能。基于长期运行过程中的稳定电流输出和EABs作为动态膜的高效固液分离效率，该种新型电活性膜有望在厌氧膜生物反应器中取代高成本的分离膜。

小结

本研究通过在BES中耦合膜过滤过程，加速了EABs的形成，促进了电化学性能的提高。过滤截留和加速传质的双重作用显著缩短了EABs的启动时间，提升了EABs的电活性。电化学性能测试表明氧化还原活性物质含量增加和电荷转移电阻降低显著提升了膜过滤条件下的电活性。膜过滤过程促进微生物产物分泌，调节EPS组分，增加了可存储的电活性物质含量。同时，细胞活性提升、产电菌绝对含量增加和产电菌空间分布优化极大的促进了电化学活性提升。长期运行期间的稳定性和高效的固液分离性能表明，新型电活性膜有望作为一种生物膜材料应用在膜分离技术，为扩展生物电化学系统在废水处理和能量回收中的应用提供理论依据和技术支撑。

作者简介

王鑫，南开大学环境科学与工程学院教授/博导/副院长，英国皇家化学会会士，国家优秀青年科学基金和天津市杰出青年基金获得者。近年来重点研究了污水混菌中电活性微生物的定向选择机制，开发出了电活性微生物群落的快速、稳定的综合调控方法，在污染物厌氧快速降解和环境污染预警领域进行了应用探索。发表学术论文180余篇，获授权国家发明专利20余项，多项实现了转化应用。曾获教育部自然科学二等奖、中国环境科学学会青年科学家金奖、IWA-首创水星奖、Scopus青年科学之星等。

陈妹，南开大学环境科学与工程学院讲师，国际水协中国青年委员会“新星”委员。主要研究方向为膜材料表面/界面功能化研究和绿色低碳污水处理工艺开发。已发表学术论文30余篇，获授权国家发明专利9项，美国发明专利2项。

第一作者：王晋宁，男，博士研究生，现就读于南开大学环境科学与工程学院。

论文信息

原文标题：Dynamic membrane filtration accelerates electroactive biofilms in bioelectrochemical systems

引用信息：Wang, J., Chen, M., Zhang, J., Sun, X., Li, N., & Wang, X. (2024). Dynamic membrane filtration accelerates electroactive biofilms in bioelectrochemical systems. Environmental Science and Ecotechnology 20: 100375.

doi: 10.1016/j.ese.2023.100375