基于表面自由能特性增强氨氧化细菌在生物载体上附着的新型PVA载体研究

《Sustainable Environment Research》：Enhance adhesion of ammonia-oxidizing bacteria on biocarriers based on surface free energy characteristics

本研究针对高密度聚乙烯(HDPE)生物载体因表面能差异导致自养硝化氨氧化细菌(AOB)附着性差的问题，开发了表面能优化的改性PVA生物载体。通过酯化反应接枝疏水基团，使改性PVA与Nitrosomonas europaea的表面能差异降至7.7 mJ m-2，附着力达6.3 nN（HDPE仅1.2 nN）。50天运行数据显示，改性PVA反应器对氨氮、亚硝酸盐和总氮的去除率分别达91%、81%和57%，显著优于HDPE反应器（76%、61%和42%）。qPCR证实改性PVA上AOB附着量提升60倍，该创新为废水脱氮技术提供了新材料设计范式。

　　

随着工农业废水和城市污水排放量激增，氮污染已成为全球性的环境挑战。过量氮元素会导致水体富营养化、藻类暴发和缺氧区形成，严重破坏生态平衡。在废水处理领域，基于生物膜的移动床生物膜反应器(MBBR)技术因其高生物量保留能力和抗冲击负荷优势，被广泛应用于脱氮过程。然而，目前广泛使用的HDPE生物载体存在固有缺陷——其低表面能特性与自养硝化细菌（尤其是生长缓慢的氨氧化细菌AOB）的表面能差异显著，导致微生物附着效率低下，制约了脱氮效能。

研究表明，微生物与材料表面的表面自由能(Surface Free Energy, SFE)差异是决定附着效果的关键热力学参数。当细菌与载体材料的SFE差异（|γ^bv-γ^sv|）缩小时，附着能(ΔF_adh)会显著降低，从而促进微生物的初始附着。本研究创新性地选取聚乙烯醇(PVA)作为基材，其丰富的羟基团和易改性特性为精准调控表面能提供了可能。通过酯化反应接枝ε-己内酯疏水链段，成功制备出SFE与AOB模型菌Nitrosomonas europaea（48.3 mJ m^-2）更匹配的改性PVA载体。

关键技术方法包括：通过接触角测量和Zisman曲线法计算材料SFE；利用原子力显微镜(AFM)定量测定细菌-载体附着力；采用微CT表征载体三维结构；通过实时荧光定量PCR(qPCR)分析AOB和anammox菌丰度；结合纳米孔三代测序和KEGG通路分析解析微生物群落演替与氮代谢通量。实验采用平行运行的MBBR反应器（填充率优化至等效比表面积2644 m² m^-3），以桃园北区水资源回收中心活性污泥为接种源，在50天连续流实验中对比改性PVA与商用HDPE载体的性能差异。

3.1 生物载体设计策略

FTIR光谱证实改性后PVA的羟基峰(3287 cm^-1)消失并出现酯键特征峰(1720 cm^-1)，SFE从58 mJ m^-2降至40 mJ m^-2，与N. europaea的SFE差异缩减至7.7 mJ m^-2（HDPE为11 mJ m^-2）。AFM测定显示改性PVA的细菌附着力达6.3 nN，是HDPE（1.2 nN）的5倍，验证了“小SFE差异促进强附着”的热力学假设。

3.2 载体性能与反应器效能

微CT分析显示改性PVA孔径(302μm)小于HDPE(427μm)，但比表面积(5288 m² m^-3)更高。在相同氨氮负荷(0.14±0.1 kg N m^-3 d^-1)下，改性PVA反应器的氨氮、亚硝酸盐和总氮去除率分别达91±9.2%、81±17%和57±18%，较HDPE反应器提升15-20%。qPCR结果显示改性PVA上AOB基因拷贝数（1.2×10⁹ copies carrier^-1）是HDPE的60倍，anammox菌拷贝数（4.6×10⁶）亦显著高于检测限。

3.3 微生物群落演变

宏基因组学分析表明，运行50天后载体优势菌群从初始的Anaerolineales(7.4%)转变为Anaerolineales(6.2%)与Candidatus Brocadiales(5.2%)共存。Nitrosomonas europaea相对丰度从0.01%升至1.2%，同时检测到具有comammox功能的Ca. Nitrospira inopinata。丝状菌Anaerolinea丰度提升（1.1%→1.8%）表明改性PVA有利于anammox颗粒化微环境形成。

3.4 氮代谢通路通量

KEGG通路分析揭示DNRA（异化硝酸盐还原至铵）为优势通路（PVA0:13%，PVA50:11%）。运行后期，编码羟胺脱氢酶(Hao)和氨单加氧酶(Amo)的微生物丰度分别从4.0%升至7.3%、0.3%升至0.6%，而编码N₂O还原酶(Nos)的微生物从9.7%降至5.0%，暗示系统从传统硝化-反硝化向局部硝化耦合anammox的脱氮路径转变。

研究结论表明，基于SFE匹配原理设计的改性PVA载体通过优化表面化学特性，显著增强了AOB和anammox菌的特异性富集。该载体使反应器在50天运行中维持稳定的局部硝化-anammox主导路径，总氮去除率提升至57%，为高氨氮废水处理提供了新材料解决方案。这种“材料-微生物”适配设计范式可拓展至其他功能性微生物的载体开发，对推动废水处理技术的精准化和可持续发展具有重要意义。