任文暢 孔曉露

（1浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院浙江杭州3100002浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院浙江杭州310000）

水動(dòng)力對(duì)水體生物膜附著更替過(guò)程的影響研究進(jìn)展

任文暢1孔曉露2

（1浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院浙江杭州3100002浙江同濟(jì)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(dòng)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(zhǎng)。因此研究水體生物膜與水動(dòng)力之間的關(guān)系對(duì)提高河流水體自凈能力具有重要意義。本文簡(jiǎn)述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在水動(dòng)力對(duì)水體生物膜附著更替過(guò)程及其凈污能力影響方面的研究進(jìn)展。

水動(dòng)力；水體生物膜；附著更替過(guò)程；凈污能力

水體生物膜的附著更替過(guò)程包括生物膜生物量的增長(zhǎng)和群落結(jié)構(gòu)的成長(zhǎng)兩個(gè)方面。主要過(guò)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(guò)程的因素非常復(fù)雜，除受外界環(huán)境，如營(yíng)養(yǎng)成份、水動(dòng)力、pH值、溫度、光照強(qiáng)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(xì)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(dòng)力對(duì)生物膜附著更替過(guò)程方面起著重要的影響。

1 水動(dòng)力對(duì)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(guò)凝聚微生物細(xì)胞和部分特殊物質(zhì)來(lái)保證生物膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對(duì)生物膜空間構(gòu)型、細(xì)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(dòng)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(guò)程，從而影響到生物膜形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變化[5]。祁佩時(shí)等[6]研究改變水動(dòng)力條件對(duì)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(huì)隨著水流速度的增加而變大，進(jìn)而促使了胞外多糖的分泌增多，而對(duì)胞外蛋白的影響較小。

馮騫等通過(guò)研究不同水流剪切力對(duì)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(shí)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(jìn)細(xì)胞分泌更多的胞外聚合物，并且提高了細(xì)胞的表面疏水性能，更有助于微生物細(xì)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(huì)大量分泌，使得細(xì)菌凝聚增強(qiáng)、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(dòng)力對(duì)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(gè)方面：一是指不同生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)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(zhǎng)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(dòng)力對(duì)生物膜群落結(jié)構(gòu)影響的研究很少，部分報(bào)道也集中在生物反應(yīng)器中水流剪切力對(duì)活性污泥顆粒群落結(jié)構(gòu)的影響及河流水動(dòng)力對(duì)特定動(dòng)植物如原后生動(dòng)物、浮游植物、苔類物質(zhì)等群落結(jié)構(gòu)的影響。Celmer等通過(guò)改變攪拌強(qiáng)度，研究反應(yīng)器中生物膜菌落的生長(zhǎng)狀況，發(fā)現(xiàn)增大攪拌強(qiáng)度能夠提高反硝化細(xì)菌的活性，使反硝化速率增大，隨著生物膜反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)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(guò)改變水動(dòng)力條件，研究沼澤紅假單胞菌生物膜菌落的生長(zhǎng)狀況，結(jié)果表明不同水動(dòng)力條件對(duì)生物膜生長(zhǎng)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(xì)菌從固體基質(zhì)表面剝落的情況時(shí)，可以通過(guò)增加循環(huán)液流速的方法來(lái)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的質(zhì)量傳遞，使得微生物菌落生長(zhǎng)速率加快，從而促進(jìn)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(shí)，微生物的吸附效率及吸附數(shù)量均會(huì)有所降低。在今后的研究中，需在河流水動(dòng)力對(duì)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(dòng)力條件對(duì)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(yǔ)

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(dòng)過(guò)程中起著非常重要的作用。而河流水動(dòng)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(lái)環(huán)境領(lǐng)域不可忽視的研究方向。因此，應(yīng)該進(jìn)一步開展河流水動(dòng)力對(duì)水體生物膜附著更替過(guò)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(dòng)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(dòng)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(jī)制，并建立其定量響應(yīng)關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際河流的調(diào)查分析，建立河流水動(dòng)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(qiáng)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(shí)，王文斌，王弘宇，等.COD質(zhì)量濃度和水流剪切力對(duì)胞外聚合物分泌的影響[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：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(duì)活性污泥特性影響的試驗(yàn)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：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(qiáng),黨楠,等.營(yíng)養(yǎng)及水力條件影響光合細(xì)菌生物膜生長(zhǎng)特性實(shí)驗(yàn)[J].中國(guó)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(hù)與生態(tài)修復(fù)研究等工作。