微滤膜孔径对污水处理中不可培养细菌渗透性的影响及其功能预测研究

针对微滤(MF)膜在污水处理中细菌截留不完全的问题，研究人员通过膜生物反应器(MBR)系统探究不同孔径(0.4μm vs 0.8μm)膜对渗透液中细菌群落的影响。研究发现不可培养细菌Candidatus Parcubacteria(OD1)和Omnitrophica(OP3)在渗透液中富集，而Planctomycetes被有效截留。功能预测显示渗透菌群更倾向核心代谢功能，且小孔径膜可能富集更高生物膜形成潜力的细菌。该研究为优化污水处理工艺提供了重要依据。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，膜生物反应器(MBR)技术因其高效的水处理能力在污水处理领域获得广泛应用。然而，微滤(MF)膜在实际应用中面临一个棘手问题——尽管采用0.22μm甚至更小孔径的膜，处理后的渗透液中仍能检测到活菌存在。这种现象不仅威胁出水安全，还会导致下游反渗透(RO)膜生物污染，增加运行成本。更令人担忧的是，传统培养方法无法检测到大多数通过膜的细菌，这些"隐形"的微生物群体可能包括病原菌和抗生素抗性基因(ARGs)携带者。

东京大学工艺研究所的研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表了一项开创性研究。他们系统分析了不同孔径(0.4μm和0.8μm)MF膜对细菌群落的筛选效应，首次揭示了不可培养超微细菌(UMB)在渗透液中的富集规律及其功能特征。研究发现，膜孔径不仅影响细菌截留效率，还会主动塑造渗透菌群的结构和功能特征，这一发现为优化MBR工艺提供了全新视角。

研究采用多组学方法：采集东京工业大学污水处理厂的活性污泥(AS)作为样本，通过0.4μm和0.8μm聚偏氟乙烯(PVDF)膜进行过滤；采用平板计数法确认膜完整性；利用Illumina MiSeq平台进行16S rRNA基因V4区高通量测序；通过PICRUSt2预测微生物群落功能潜能；使用LEfSe分析识别差异富集的分类群。

活性污泥样本特征
原始污泥中主要菌门为Proteobacteria(29.7%)、Bacteroidetes(19.3%)和Chloroflexi(11.1%)，与典型AS群落组成一致。值得注意的是，候选门辐射(CPR)细菌占比达7.3%，其中包括Candidatus Parcubacteria(OD1)和Omnitrophica(OP3)等超微细菌。

膜完整性验证
0.8μm膜渗透液的菌落数显著高于0.4μm膜(30分钟样品分别为132和14 CFU/mL)。随时间延长，两种膜的渗透菌数均下降，表明膜污染可能增强了截留效果。

微生物群落变化
最显著的发现是OD1和OP3在渗透液中相对丰度分别增加3.2和5.7倍，而Planctomycetes几乎被完全截留。Betaproteobacteria在0.4μm渗透液中占比(4.1%)显著低于0.8μm渗透液(9.8%)，表明其细胞可变形性较差。

功能预测分析
渗透菌群显著富集氨基酸代谢(ko00250)和糖酵解(ko00010)等核心代谢通路，而次级代谢通路相对减少。特别值得注意的是，0.4μm渗透液中生物膜形成相关基因丰度升高，包括细菌趋化性(ko02030)和群体感应(ko02024)通路。

ARGs和CRB分布
虽然小孔径膜减少了ARGs相关细菌的通过，但渗透液中富集了多种氯抗性细菌(CRB)，包括潜在致病菌如Acinetobacter和Pseudomonas。这与传统认为"小孔径膜更安全"的观点形成对比。

这项研究首次系统揭示了MF膜孔径对渗透菌群的选择性压力机制：1)物理截留效应主要影响Planctomycetes等刚性细胞壁细菌；2)超微细菌(如OD1和OP3)凭借极小体积和特殊细胞结构表现出强渗透能力；3)可变形菌(如Betaproteobacteria)的通过率与孔径正相关。研究还发现一个潜在悖论：虽然小孔径膜减少了ARGs传播风险，但可能增加下游生物膜形成隐患。

该研究的实际意义在于：1)建议MBR工艺设计需综合考虑膜孔径对微生物风险的"双刃剑"效应；2)揭示了传统培养方法严重低估渗透液微生物风险的现状；3)为开发针对超微细菌的新型截留技术提供了靶点。特别值得注意的是，研究发现多种CRB能穿透MF膜，这对依赖氯消毒的下游工艺提出了新的挑战。

这些发现不仅推动了MBR技术的基础理论发展，也为污水处理工艺的精准调控提供了科学依据。未来研究需要结合宏基因组学和培养组学方法，进一步解析这些"隐形"渗透菌群的生态功能和健康风险。