模拟真实环境的高级分离策略揭示污水膜生物反应器中关键生物膜形成菌及其致污机制

本研究针对膜生物反应器(MBR)中膜污染这一关键难题，通过模拟低营养实际污水环境，结合传统平板培养与原位iChip培养技术，成功分离出400余株细菌，鉴定出15个属的优势生物膜形成菌(BFB)。研究发现低营养条件下假单胞菌属(Pseudomonas)、黄杆菌属(Flavobacterium)等菌株的生物膜形成能力和胞外聚合物(EPS)产量显著增强，其中菌株IK01通过上调渗透应激响应基因(envZ/ompR)和EPS合成基因(exoP/wza等)表达加剧膜污染。该研究为MBR膜污染的生物学机制解析和精准控制提供了新策略。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，污水回用技术成为解决之道，其中膜生物反应器(Membrane Bioreactor, MBR)技术因能高效去除污染物而备受关注。然而MBR运行过程中的膜污染(Membrane fouling)问题严重制约其长期稳定运行——微生物及其分泌物在膜表面形成生物膜(Biofilm)，导致膜孔堵塞、产水量下降和能耗攀升，极大增加运维成本。更棘手的是，造成膜污染的关键微生物——生物膜形成菌(Biofilm-forming bacteria, BFB)中约99%的物种难以通过传统培养方法分离，使得针对性的污染控制策略缺乏微生物学依据。

为破解这一难题，日本长冈科学技术大学的研究团队在《Environmental Technology》发表论文，创新性地采用模拟真实环境的培养策略，成功捕获了MBR系统中的关键BFB并解析其致污机制。研究人员从处理实际污水的MBR膜表面采集生物膜样本，同步采用低营养平板培养法（使用稀释至实际污水化学需氧量水平的LB、R2A、MHB培养基）和原位iChip培养装置进行微生物分离。通过16S rRNA测序鉴定菌种分类，结合结晶紫染色法评估生物膜形成能力，采用交叉流过滤试验测定胞外聚合物(Extracellular polymeric substances, EPS)的膜污染潜能，并利用RT-qPCR技术分析关键基因表达差异。

研究结果揭示：

1. 1.

   通过平板培养从288株细菌中鉴定出11个属的优势菌群，其中假单胞菌属(Pseudomonas)和寡养单胞菌属(Stenotrophomonas)为主要优势类群；iChip技术则额外分离出肠杆菌科(Enterobacteriaceae)等难以培养的菌株，证明该方法能有效拓展微生物的可培养范围。

2. 2.

   生物膜形成实验表明：在模拟实际污水营养浓度的稀释培养基和活性污泥上清液中，假单胞菌、拉乌尔菌(Raoultella)等菌株的生物膜形成能力显著增强（p<0.05），证实低营养条件可诱发BFB的强致污特性。

3. 3.

   交叉流过滤测试发现：菌株IK01产生的可溶性EPS使膜过滤阻力显著增加，在R2A培养基中过滤240mL样品需时长达140分钟，远超其他菌株。

4. 4.

   基因表达分析显示：IK01菌株在低营养条件下形成凝胶状菌落时，渗透应激响应基因(envZ/ompR)和EPS生物合成基因(exoP/wza/gmd/fcl/wcaI)显著上调表达（p<0.01），从分子机制层面解释了其强污染特性。

研究结论与讨论部分强调：本研究通过环境模拟培养策略成功突破了MBR中难培养BFB的分离技术瓶颈，首次系统揭示了低营养条件下BFB通过调控应激响应和EPS合成机制加剧膜污染的生物学过程。这不仅为理解MBR膜污染的微生物学机制提供了直接证据，更重要的是为开发靶向性的膜污染控制技术（如营养条件调控、EPS合成抑制剂筛选等）奠定了理论基础，对提升MBR系统运行稳定性和处理效能具有重要实践意义。该研究建立的模拟真实环境的微生物分离鉴定体系，也为其他环境中难培养微生物的功能解析提供了可借鉴的方法学范式。