水处理膜过滤过程中生物污染形成的原位观测与机制解析

Biofouling is a critical issue in membrane separation process, which leads to an irreversible membrane fouling, while the formation mechanism of biofouling is unclear yet. Therefore, a better understanding of the formation, maturation, and dissembling of biofilm on the membrane will be beneficial for the development of anti-biofouling membrane. This proposal aims to develop plasmonic-based imaging technique to visualize the microbial attachment on membrane at single cell level and elucidate the mechanisms of biofouling. After quantitatively evaluating the microbial attachment, we will elucidate the microscale mechanisms of biofouling by combined use of plasmonic-based imaging, surface analysis, and mathematical approaches. This project will enrich our theory of biofilm in wastewater treatment and provide theoretical and technological support for antifouling membrane development.

生物污染是导致膜不可逆污染的最关键因素，而它的形成机制目前还不清楚。因此，深入理解生物膜在膜表面的形成、成熟与解体是指导研发有效抗生物污染膜材料的有效途径。本项目拟针对再生水回用过程中膜生物污染形成的机制问题，基于表面等离子体共振的显微成像技术，发展在单细胞水平上细菌在膜表面粘附过程的原位观测技术，建立评估细菌在膜表面粘附的定量方法，综合利用表面等离子体共振显微成像技术、表面分析技术与数学统计方法，解析膜过滤过程中生物污染形成的微观机理。通过本项目的研究，我们有望进一步丰富废水处理过程中生物膜的调控理论，为新型抗生物污染膜的研发提供一定的理论与技术支撑。

在微观尺度上揭示细菌-膜界面的作用过程是解析细菌在膜表面粘附的物理化学机制的重要前提。本项目发展了基于表面等离子体共振的显微成像的单颗粒/单细胞追踪技术，在单细胞尺度上分析了细菌界面粘附率与界面性质的关系，从热力学角度定量分析了微生物界面的粘附强度，为生物膜在膜表面的形成机制解析提供了强有力的工具与方法，并且将创造性的单细胞追踪的方法拓展应用到水质毒性的监测。具体结果如下：..（1）基于发展的单颗粒/细胞追踪方法，我们在纳米尺度上分辨了细菌在界面初始粘附的分步过程，建立了步长、停留时间与表面物理化学性质的关系，发现了静电和疏水相互作用在初始粘附中起的主导作用。.（2）发展了基于表面等离子共振的单细胞粘附强度测定的方法，通过在单细胞尺度上高通量光学追踪微生物在不同界面的纳米尺度振动行为，定量分析了微生物与界面的作用势能，实现了粘附强度的快速测定。该方法不仅可用于解析生物膜的形成过程，也可以快速抗生物污染膜材料，对于研发新型抗污染膜具有重要的意义。.（3）通过追踪单个细菌界面粘附后在垂直方向上的振动行为，分析了生物膜形成过程的影响因素，并提出了微生物-界面相互作用过程模型。利用细菌纳米振动幅度由其活性决定的特点，我们建立了单细菌纳米尺度振动成像的水质毒性监测方法。通过成像分析实际水样对细菌振动幅度的抑制作用强弱，进而评价废水水样的毒性强弱，研发的新方法不仅可以定量评估化学品毒性，并可用于实际废水预警与在线监测。

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