水動力對水體生物膜附著更替過程的影響研究進展

任文暢 孔曉露

（1浙江省水利水電勘測設(shè)計院浙江杭州3100002浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院浙江杭州310000）

水動力對水體生物膜附著更替過程的影響研究進展

任文暢1孔曉露2

（1浙江省水利水電勘測設(shè)計院浙江杭州3100002浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院浙江杭州310000）

作為河流生態(tài)系統(tǒng)的一部分，生物膜在河流水體的自凈方面表現(xiàn)出非常重要的作用。而水動力作為河流的最基本自然特征之一，直接影響著河流水體生物膜的生長。因此研究水體生物膜與水動力之間的關(guān)系對提高河流水體自凈能力具有重要意義。本文簡述了近年來國內(nèi)外在水動力對水體生物膜附著更替過程及其凈污能力影響方面的研究進展。

水動力；水體生物膜；附著更替過程；凈污能力

水體生物膜的附著更替過程包括生物膜生物量的增長和群落結(jié)構(gòu)的成長兩個方面。主要過程分為微生物在胞外聚合物載體表面的黏附聚集以及生物群落結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化。影響生物膜附著更替過程的因素非常復(fù)雜，除受外界環(huán)境，如營養(yǎng)成份、水動力、pH值、溫度、光照強度、滲透壓、介質(zhì)的表面特性（大小、形狀、多孔性及比表面積）及鐵離子濃度和氧化還原電位的影響外，細菌本身（如纖毛、鞭毛、胞外聚合物EPS）等因素也起重要作用。其中，尤其水動力對生物膜附著更替過程方面起著重要的影響。

1 水動力對水體生物膜胞外聚合物分泌的影響

胞外聚合物是由生物膜中微生物代謝產(chǎn)生的，并附著在生物膜表面的高分子絮狀物，其是通過凝聚微生物細胞和部分特殊物質(zhì)來保證生物膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對生物膜空間構(gòu)型、細菌的粘附聚集及信息交流、基質(zhì)在生物膜內(nèi)傳質(zhì)阻力的大小等方面起著重要作用。水動力條件的變化影響了生物膜胞外聚合物的分泌及其形成過程，從而影響到生物膜形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變化[5]。祁佩時等[6]研究改變水動力條件對生物膜中胞外聚合物所造成的影響，結(jié)果表明了水流剪切力會隨著水流速度的增加而變大，進而促使了胞外多糖的分泌增多，而對胞外蛋白的影響較小。

馮騫等通過研究不同水流剪切力對活性顆粒污泥中胞外聚合物的影響發(fā)現(xiàn)，為了防止生物膜在大剪切力作用下時的脫落，微生物必須不停地分泌出更多的胞外多聚物才能夠抵抗大水流的剪切作用。Adav等研究發(fā)現(xiàn)增加反應(yīng)器的水流剪切力，可以促進細胞分泌更多的胞外聚合物，并且提高了細胞的表面疏水性能，更有助于微生物細胞間聚集在一起形成顆粒狀的物質(zhì)。水體生物膜的性質(zhì)同活性顆粒污泥類似，都是由胞外聚合物及寄居在其中的微生物群落構(gòu)成的。胞外聚合物在高流速下會大量分泌，使得細菌凝聚增強、生物膜致密，此外，低流速的環(huán)境下，胞外聚合物形成及分泌的越慢。

2 水動力對水體生物膜群落結(jié)構(gòu)的影響

目前有關(guān)生物膜群落結(jié)構(gòu)的研究主要集中在以下兩個方面：一是指不同生長環(huán)境對生物膜菌群分布、群落結(jié)構(gòu)的影響。二是指特定微生物生長環(huán)境下生物膜菌群分布、生物量、生物多樣性方面的研究。然而，水動力對生物膜群落結(jié)構(gòu)影響的研究很少，部分報道也集中在生物反應(yīng)器中水流剪切力對活性污泥顆粒群落結(jié)構(gòu)的影響及河流水動力對特定動植物如原后生動物、浮游植物、苔類物質(zhì)等群落結(jié)構(gòu)的影響。Celmer等通過改變攪拌強度，研究反應(yīng)器中生物膜菌落的生長狀況，發(fā)現(xiàn)增大攪拌強度能夠提高反硝化細菌的活性，使反硝化速率增大，隨著生物膜反應(yīng)器運行時間變化，反應(yīng)器內(nèi)微生物的豐度和種群變化也發(fā)生改變。

田鑫等通過改變水動力條件，研究沼澤紅假單胞菌生物膜菌落的生長狀況，結(jié)果表明不同水動力條件對生物膜生長速率及結(jié)構(gòu)的影響很大，當(dāng)水力剪切力的作用不能使細菌從固體基質(zhì)表面剝落的情況時，可以通過增加循環(huán)液流速的方法來促使生物膜群落結(jié)構(gòu)的形成。增加流速提高水流的剪切力，加快了營養(yǎng)物質(zhì)的質(zhì)量傳遞，使得微生物菌落生長速率加快，從而促進了生物膜群落結(jié)構(gòu)的形成；但當(dāng)水流剪切力大于微生物在基質(zhì)表面的吸附力時，微生物的吸附效率及吸附數(shù)量均會有所降低。在今后的研究中，需在河流水動力對水生生物膜群落結(jié)構(gòu)的影響方面加大研究力度，探討不同水動力條件對生物膜菌群的分布、群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性的影響。

3 結(jié)語

河流水體生物膜在控制水環(huán)境中污染物的吸附、降解以及水體物質(zhì)循環(huán)、能量流動過程中起著非常重要的作用。而河流水動力作為影響水生生物膜形成的重要環(huán)境因素之一，是未來環(huán)境領(lǐng)域不可忽視的研究方向。因此，應(yīng)該進一步開展河流水動力對水體生物膜附著更替過程及其凈污能力的研究，從環(huán)境生物學(xué)的角度看，深入的研究將集中在結(jié)合水動力特征參數(shù)、生物膜結(jié)構(gòu)、凈污能力及傳質(zhì)效率分析，探明河流水動力特征參數(shù)與水體生物膜傳質(zhì)效率及生物膜凈污能力間的相互作用機制，并建立其定量響應(yīng)關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實際河流的調(diào)查分析，建立河流水動力特征參數(shù)與河流生物自凈能力參數(shù)間的響應(yīng)關(guān)系，提出河流水體生物凈化能力強化的方法，為河流水體生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

[1]Stood ly P,Sauer K,et al.Biofilms as complex differentiated communities,Annual Review ofMicrobiology[J].Pro Quest Biology Journals,2002,56:187-209.

[2]祁佩時，王文斌，王弘宇，等.COD質(zhì)量濃度和水流剪切力對胞外聚合物分泌的影響[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2008,24(6):682-687.

[3]馮騫，薛朝霞，汪翙,等.水流剪切力對活性污泥特性影響的試驗研究[J].河海大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2006,34(4):374-377.

[4]Adav SS,Lee D J,Lai JY.Effects of aeration intensity on formation of pheno-l fed aerobic granules and extracellular polymeric substances[J].Applied Microbiology and Biotechnology，2007,77: 175-182.

[5]Celmer D,Oleszkiewicz JA,Cicek N.Impact of shear force on the biofilm structure and performance of amembrane biofilm reactor for tertiary hydrogen-driven denitrification of municipal wastewater [J].Water Research,2008,42:3057-3065.

[6]田鑫,廖強,黨楠,等.營養(yǎng)及水力條件影響光合細菌生物膜生長特性實驗[J].中國生物工程雜志,2009,29(4):67-72.

任文暢(1989—)，男，浙江慈溪人，碩士研究生，助理工程師，主要從事水環(huán)境保護與生態(tài)修復(fù)研究等工作。