基于多相流(CFD)剪应力调控胞内第二信使分子的膜污染控制方法及机理研究
批准号:
52100047
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王冰
依托单位:
学科分类:
城市污水处理与资源化
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王冰
中文摘要
膜污染是限制膜生物反应器技术广泛应用的重要因素,微生物群体在膜表面形成生物膜是其主要形式。而环二鸟苷酸(c-di-GMP)是广泛存在于细菌胞内的通用第二信使分子,参与调控生物膜的形成。本项目拟采用计算流体力学(CFD)和环境工程实验并重的方法,以气液固多相流场在膜表面产生的剪应力为外部信号源,全面研究其通过调节胞内c-di-GMP水平而影响细菌成膜行为(如EPS分泌),最终控制膜污染发生的微生物学机制。在此基础上,利用间歇性活塞流及连续性气泡流作为外部控制手段,构建基于CFD剪应力对c-di-GMP调控的新型膜污染控制方法。并根据关键基因及相应目标菌群对剪应力的响应特征等方面,揭示剪应力通过c-di-GMP水平控制膜污染的分子生物学机制。研究结果将结合宏观信号源剪应力和微观c-di-GMP两个调控层面对膜污染过程进行深层次研究,以及为相应控制方法的开发提供理论与应用基础。
英文摘要
Membrane fouling is the major factor limiting the wide application of membrane bioreactor (MBR) technology. The formation of microbial biofilm on membrane surface is the main reason of membrane fouling. The bis-(3’-5’)-cyclic dimeric guanosine monophosphate (c-di-GMP) is found as the universal intracellular second messenger molecule in the bacteria, which is involved in the regulation of biofilm formation. The gas-liquid-solid multiphase flow generated by aeration can induce shear stress on the membrane surface, which has direct and significant correlation with c-di-GMP and biofilm formation. By combination of computational fluid dynamics (CFD) and environmental engineering experimental methods, this project quantifies the complex correlation rule of shear stress with time and space, the aim is to use shear stress as external signal source, comprehensively investigate its impact on intracellular second messengers c-di-GMP level, and the mediating effect on biofilm formation (such as EPS production). Therefore, the shear stress will be used as external signal source to control membrane fouling through regulation of c-di-GMP level. Based on this, the novel strategies of intermittent slug flow and continuous bubbly flow will be developed and constructed. Moreover, according to the response characteristics to shear stress, the key functional gene composition, expression patterns and the corresponding targeted bacteria community will be identified. The molecular biological mechanism of shear stress controlling membrane fouling through c-di-GMP level will be illustrated. This project is expected to provide new insights in the membrane fouling mechanism from the intracellular c-di-GMP level regulation by shear stress, from both macroscopic and microcosmic aspects. Furthermore, it would provide theoretical and application basis for new strategies developments on fouling control based on shear stress and c-di-GMP regulation.
膜生物反应器(Membrane Bioreactor, MBR)是一种集成了生物处理单元与膜分离技术的高效水处理技术。然而,膜污染的存在制约着MBR技术进一步发展和应用。本项目针对MBR膜污染情况及缓解措施做出如下研究:.(1)通过分析剪应力对细菌群体感应行为的影响来量化其对成熟生物膜的影响,这种群体感应行为涉及环二鸟苷酸(c-di-GMP)分子。通过计算流体动力学模拟(CFD)和直接测量实验方法分别获得剪应力(shear stress)和c-di-GMP水平。研究发现细菌对环境剪应力非常敏感:0.05Pa的微小变化可使细胞内c-di-GMP产生5.6 pmol/mg蛋白的波动。剪应力对c-di-GMP水平的调节效应是非线性的。在MBR系统中,建议使用超过0.72Pa的时均剪应力,可产生较少的c-di-GMP和较松散的生物膜,并且这些生物膜具有较低的生物多样性。.(2)聚焦于在MBR水处理过程中,曝气对剪应力、环二鸟苷酸分子水平以及膜污染的影响。通过25-45天的持续CFD模拟和实验,研究了剪应力对MBR的运行效率及膜污染的影响。结果证实,间歇性大气泡曝气所产生的剪应力最大值为0.77Pa,该条件下,相应的胞外聚合物(EPS)和c-di-GMP水平较低,分别为36.2 mg/g MLSS和0.8 pmol/mg MLSS,膜污染最轻。此外,随着曝气强度的增加,膜污染中的微生物群落结构也发生了变化,从厚壁菌变为变形菌,再到拟杆菌,相应的平均剪应力分别为0.485、0.665和0.77Pa。.(3)探讨了一种新型波纹膜生物反应器(CS-MBR)在自由曝气情况下的水处理性能及其流体力学优化。通过平行实验,将CS-MBR与FS-MBR进行了比较。结果表明,波纹膜具有更好的抗污染性能,运行15天后的最终膜通量超出平板膜45%。出水质量和污泥的分析结果表明,膜配置对其影响较小。利用扫描电子显微镜(SEM)和共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)揭示了波纹膜表面的污染物积累情况,表明波纹是提高其抗污染性能的原因。从膜表面的污染样本中提取了c-di-GMP,CS-MBR中的c-di-GMP含量比FS-MBR低50%。CFD模拟结果显示,2-4 mm的通道间隙结合20 m/s的曝气速度可以产生较为强烈的水动力效应。相比传统使用自由曝气的工况来说,这种最优设计的CS-MBR预计可以节省高达7
基于多相流(CFD)剪应力调控胞内第二信使分子的膜污染控制方法及机理研究
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:30万元
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批准年份:2021
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负责人:王冰
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依托单位:
国内基金
海外基金