使用海藻酸钠复合珠子在膜生物反应器中控制膜污染并去除抗生素抗性基因

《Journal of Water Process Engineering》：Membrane fouling control and antibiotic resistance genes removal in membrane bioreactors using sodium alginate composite beads

本研究开发了含生物炭、纳米铁氧化物和3,4-二溴呋喃酮的复合微球（SACB），通过吸附、催化和抑制群体感应协同减少MBR膜污染和抗生素抗性基因（ARGs）传播。实验表明SACB显著降低EPS分泌（减少19.4%-7.2%），稳定出水COD<20mg/L，抑制高风险ARGs（如MexV等）丰度。

　　

魏武|王春|王阿林|王霞|姚小龙|孙英雪

北京工商大学环境科学与工程学院，北京，100048，中国

摘要

膜污染仍然是膜生物反应器（MBR）运行中的主要限制因素，其主要原因是细胞外聚合物物质（EPS）的过量产生和生物膜的形成。在本研究中，开发了一种含有来自酒糟的生物炭、纳米氧化铁和3,4-二溴呋喃-2(5H)-酮的海藻酸钠复合珠，并将其引入MBR系统以调节微生物行为并减轻膜污染。通过批式摇瓶实验和长期MBR运行，评估了EPS的产生、污染发展、出水质量、微生物群落动态以及抗生素抗性基因（ARGs）。复合珠有效延缓了跨膜压力的增加，并通过抑制EPS分泌和调节滤饼层形成来降低整体污染阻力。在摇瓶实验中，与对照组和海藻酸钠珠组相比，松散结合的EPS中的蛋白质浓度分别降低了19.4%和7.2%。在MBR运行期间，出水质量保持稳定，化学需氧量始终低于20 mg/L。微生物分析显示，与群体感应相关的属（如Pseudomonas和Acinetobacter）的数量减少，高风险ARGs（特别是多重耐药外排泵基因MexV、MexW和mdtC）也显著减少。总体而言，复合珠表现出与群体感应抑制和吸附相关的协同效应，为MBR系统中的膜污染缓解和性能提升提供了一种有效策略。

引言

膜生物反应器（MBR）是一种先进的废水处理系统。由于其高处理效率、出色的固液分离能力、低污泥产生量以及最小的土地需求[1]，[2]，它已被广泛应用于废水处理过程中。然而，在MBR运行过程中，包括超滤和微滤在内的膜污染仍然是一个主要挑战，这阻碍了其更广泛的应用[3]。除了降低膜通量和缩短膜组件的使用寿命外，频繁的膜清洗和更换也会增加运营成本[4]。膜污染的一个关键原因是微生物在膜表面的附着和增殖，从而导致生物膜的形成[5]。生物膜的形成增加了膜过滤阻力，从而降低了膜通量[6]。

在生物膜形成的初始阶段，细菌通过群体感应机制调节其附着行为[7]。附着在膜表面或其他微生物上后，它们开始大量合成和分泌EPS，EPS作为生物膜的“骨架”框架[8]，逐渐增加其厚度并形成稳定的结构[9]。随后，EPS和可溶性微生物产物（SMP）的持续分泌进一步增强了生物膜的结构稳定性和抗剪切性。群体感应是指细菌通过分泌和检测信号分子进行交流的过程[10]。当信号分子的浓度达到阈值水平并且细菌感知到高种群密度时[11]，它们会共同调节基因表达并激活相关的生物合成途径，从而增强EPS和SMP的产生[12]。群体感应还影响微生物的代谢活动。在特定条件下，群体感应信号分子可以触发参与碳、氮和其他营养物质代谢的基因的激活[13]，从而促进微生物对营养物质的吸收和转化，并为EPS和SMP的合成提供额外的前体物质[14]。

已经实施了多种策略来间接减轻膜污染，例如通过调节微生物通讯或减少EPS的产生，如添加群体感应信号分子[15]、优化MBR运行参数[16]、膜表面修饰技术[17]和酶处理[18]。然而，这些方法存在显著的局限性。同时，人们对MBR中抗生素抗性基因（ARGs）的传播也越来越关注，因为生物膜不仅加剧了膜污染，还为细菌之间的水平基因转移提供了热点。生物膜的形成创造了具有高微生物密度和营养物质的局部微环境，这可以增强ARGs的持久性和增殖。研究表明，EPS和生物膜基质成分的积累可以保护耐药细菌免受水力剪切和杀菌剂的影响，从而间接加剧膜污染，同时促进ARGs的保留和传播[19]。因此，评估ARG动态与污染情况对于理解生物膜对反应器性能和微生物抗性的双重影响至关重要。因此，将生物膜控制与ARGs缓解相结合成为了一个关键的研究前沿，因为调节群体感应和EPS分泌的策略可能同时影响污染行为和抗性基因的传播[20]。应用群体感应信号分子需要精确调控类型和浓度，长期使用不仅成本高昂，还会改变微生物群落结构[21]，可能对MBR系统的整体性能产生不可预测的影响。然而，大多数现有的控制MBR中ARGs的策略依赖于物理膜修饰或化学消毒，这些方法通常成本高昂、不稳定且可能造成二次污染。这些方法主要针对生物膜的去除，而不是解决微生物通讯和水平基因转移过程[22]。相比之下，本研究中提出的海藻酸钠复合珠（SACB）策略通过同时整合吸附、催化降解和群体感应抑制，提供了一种集成和可持续的解决方案，有效减轻了膜污染并遏制了ARGs的传播。这种多功能方法不仅减轻了膜污染，还通过同时抑制生物膜形成和微生物信号途径来减少ARGs的传播，从而为提高MBR系统的运行效率和环境安全性提供了新的途径。不同的废水组成和处理目标需要定制的运行条件，需要进行广泛的实验研究以确定最佳参数[23]。膜修饰涉及高昂的成本，而且修改后的膜材料可能会对MBR系统的性能产生潜在影响[24]。然而，开发一种更稳定和成本效益更高的策略来调节微生物通讯和抑制EPS分泌仍然是一个关键挑战，这也是本研究的核心动机之一。

酶的成本较高，且其活性对环境条件非常敏感。先前的研究表明，添加吸附剂可以有效去除溶解有机物和胶体物质。例如，生物炭已被用于减轻膜污染并提高反应器性能[25]，[26]，[27]。此外，某些淬火剂可以干扰细菌的群体感应系统并抑制微生物的EPS分泌，在群体感应抑制剂中，卤代呋喃酮因其能够破坏酰基-高丝氨酸内酯（AHL）介导的信号传导而被广泛研究。特别是3,4-二溴呋喃-2(5H)-酮（DBFO）被报道为一种强效抑制剂，它可以模拟海洋藻类产生的天然呋喃酮，并竞争性地阻断细菌的群体感应（QS）途径[28]。在本研究中使用DBFO的动机是它有可能破坏与生物膜相关的群体感应过程，从而减少EPS分泌并可能限制抗性基因的水平转移。这种方法涉及使用信号分子抑制剂来破坏细菌通讯[29]，[30]。然而，生物炭主要通过物理吸附起作用，对微生物通讯或ARGs的传播的靶向调节效果有限，从而限制了其在复杂生物反应器系统中的应用。

此外，新的证据表明，复合材料不仅抑制EPS分泌和生物膜形成，还在减少ARGs传播方面显示出显著潜力。通过吸附残留抗生素和干扰细菌信号传导，这些材料可以同时减轻膜污染和遏制ARGs的传播。

在各种功能性添加剂中，磁性氧化铁（Fe₃O₄）由于其吸附和催化的双重作用而受到越来越多的关注。Fe₃O₄具有较大的比表面积和丰富的活性位点，能够吸附导致膜污染的可溶性有机物和微生物代谢物[31]。此外，在某些条件下，Fe₃O₄纳米颗粒可以生成活性氧（ROS），促进有机污染物和抗生素的氧化降解。Fe₃O₄的磁性特性还有助于快速从生物反应器中分离和回收材料，提高系统的稳定性和成本效益。先前的研究表明，传统的海藻酸钠/PVA基珠通常具有有限的吸附能力、较差的长期稳定性和使用后的回收难度。通过将生物炭、DBFO和磁性氧化铁结合到海藻酸钠珠中，可以通过协同吸附、催化和群体感应淬火机制有效克服这些缺点。

在这种情况下，复合材料越来越受到重视，并有望克服传统方法的局限性。因此，本研究旨在开发和评估一种由来自酒糟的生物炭、DBFO和Fe₃O₄组成的新型SACB。该研究重点阐明吸附、催化和群体感应抑制在减轻膜污染中的协同机制，同时评估SACB对微生物群落动态、细胞外聚合物物质产生和ARGs减弱的影响。通过这些综合研究，这项工作建立了生物膜控制与ARGs缓解之间的机制联系，强调了将多功能复合材料整合到MBR系统中的新颖性和实际意义。

部分摘录

制备掺杂Fe₃O₄的复合改性样品

将酒糟与2%的Fe₃O₄分散在含有15 mL乙醇和15 mL超纯水的混合溶液中，然后进行30分钟的超声处理。选择这一最佳比例是基于其在初步苯酚降解实验中观察到的优异催化性能（图S1）。随后，将混合物在烤箱中干燥至形成粉末。所得粉末转移到马弗炉中，在550°C下煅烧2小时。

SEM分析

进行SEM成像以分析珠子的形态。SAB表现出相对均匀且致密的结构（图1a），其特征是表面光滑且孔隙分布极少。这种结构特征是由于海藻酸钠和聚乙烯醇在水溶液中形成了均匀的凝胶网络。交联和固化后，聚合物分子紧密排列，导致表面相对平坦[42]。生物炭具有高度发达的多孔性

结论

本研究提出了一种通过引入SACB来提高MBR性能的有效策略。SACB的实施可以通过生物和吸附机制减轻膜污染，减少抗生素抗性基因的流行，并改善出水质量。主要发现如下：（1）将SACB引入MBR系统后，出水质量显著提高。在稳定运行期间，COD和

CRediT作者贡献声明

魏武：撰写——原始草稿、软件、方法学、数据管理。王春：撰写——审阅与编辑、验证、监督、调查、资金获取。王阿林：方法学、调查、数据管理。王霞：方法学、调查、正式分析。姚小龙：可视化、监督、调查。孙英雪：撰写——审阅与编辑、可视化、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（编号：2022YFE0104900）、北京自然科学基金（编号：6242003）和北京市教委研发计划（编号：KM202410011003）的支持。