综述：废水处理中生物膜的异质分层：从微观机制到宏观性能

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Heterogeneous stratification of biofilms in wastewater treatment: From microscale mechanisms to macroscale performance

　　

摘要 生物膜异质性是决定生物膜基废水处理性能与稳定性的基本特征，然而从微观分层到宏观工艺性能的机制转化仍缺乏系统性整合。本综述从空间-功能关系的视角系统分析了生物膜的异质结构，揭示了一条连续的机制路径：生物膜结构与传质过程塑造物理化学梯度，进而形成不同的微生物生态位与相互作用，决定空间分异的代谢功能，并最终调控反应器尺度的处理性能。该分析进一步表明，异质性分层受运行条件的动态调控，宏观参数能够重塑微观结构与功能，而不仅仅是影响整体处理效率。基于此，本综述提出了一套统一的"检测-机制-调控-应用"框架，将空间分辨表征与微生物机制解析同运行调控和工程性能相结合。这一微观到宏观的框架推动生物膜过程从异质性的描述性表征迈向基于机制的精准调控，并为生物膜基废水处理系统的预测性与自适应优化提供了理论基础。

引言 生物膜基处理技术是现代废水处理不可或缺的手段，尤其在全球强化处理、碳中和以及新兴污染物（ECs）去除的需求背景下[154]。与传统的活性污泥工艺相比，生物膜工艺因其显著优势——包括高活性生物量保持、紧凑的反应器占地面积、低剩余污泥产量以及在变化废水条件下的稳健运行稳定性——在近几十年间已在全球范围内获得广泛应用[161]，[99]。生物膜区别于悬浮污泥的一个定义性特征是其异质性分层，这是一种由电子受体、底物和代谢物梯度塑造的垂直分层架构[62]。根据生物膜基质中电子受体（在工程应用中主要是氧气（O2））与电子供体的扩散方向，生物膜工艺可分为两种主要构型：共扩散型生物膜和逆扩散型生物膜，二者均表现出独特的分层特征，决定了其功能性能（图1）[63]，[89]。

在共扩散型生物膜中（图1(a)），电子受体（如O2）与底物沿同一方向扩散，代表性工艺包括移动床生物膜反应器（MBBR）等[46]，[64]，[98]。相反，逆扩散型生物膜（图1(b)）通常通过亲水膜曝气建立，其中电子受体（如O2）与底物反向扩散[90]。通常，此类系统中的污染物可被分布于分层生物膜层中、具有功能专一性的微生物逐步降解、转化和矿化，膜曝气生物膜反应器（MABR）是典型的应用范例[65]。

通常，生物膜内的氧气传输本质上受到胞外聚合物（EPS）物理屏障和持续微生物呼吸的限制，不可避免地导致生物膜内部空间溶解氧（DO）梯度的产生，其方向取决于传质构型[57]，[66]。该DO梯度是生物膜异质性分层的主要驱动力，因为它能够引发定殖微生物的差异基因表达，并导致沿生物膜深度方向功能专一性类群显著的空间分异[115]，[162]。这种分层分异涵盖好氧、缺氧和厌氧生态位，构成了定义生物膜功能行为并最终决定宏观工艺性能的本质结构基础[115]，[162]，[62]。

值得注意的是，生物膜的微观异质性分层——包括DO梯度、功能微生物的空间分区、多种污染物降解途径以及空间依赖的代谢活性——赋予了生物膜在变化废水条件下执行特殊功能的能力（图1(c-h)）[52]。因此，生物膜的异质性分层已被广泛认为是生物膜基处理系统性能、稳定性和韧性的核心决定因素。然而，其与宏观性能之间的机制联系在现有研究中仍缺乏充分整合。

近年来，高分辨率分析工具（如高通量微生物测序、第三代分子技术和原位显微成像）的快速进展推动了人们对生物膜异质性分层的密集研究[163]。这些进展极大地加深了人们对微观分层如何调节生物膜性能的机制理解[163]。关键运行参数，包括DO浓度、水力停留时间（HRT）和进水底物负荷，已被证实可调控生物膜异质性分层的形成与稳定性[164]，[62]，[67]。例如，微电极测量与荧光原位杂交（FISH）成像的集成研究表明，将氧分压从1.1 psig提升至5.5 psig（25%氧含量）可显著增加好氧和缺氧生物膜区域中异养反硝化菌（HDB）的丰度，从而增强反硝化效率[62]。这些发现证实，运行参数的精准调控可以重塑分层生物膜内功能微生物群落的分布和代谢活性，从而直接决定去除效率和系统稳定性。

基于生物膜的异质性分层，微生物间相互作用——包括互养共生、竞争、群体感应（QS）和种间电子转移等——是决定生物膜基废水处理功能性能的核心内部机制[164]。通常，微生物群落通过电子受体和供体的交叉供给建立协调关系，共同驱动污染物的生物转化与消除[24]，[68]。在分层生物膜生态位中，QS、能量代谢和种间电子转移可被视为调控微生物相互作用的核心网络，为优化生物膜工艺性能提供了关键靶点[165]。例如，在短程硝化-厌氧氨氧化（PNA）系统中，功能微生物的分层分布实现了代谢协同：氨氧化菌（AOB）定殖于外层好氧层，缓解了对内层厌氧氨氧化菌（AnAOB）的DO抑制，同时提供亚硝酸盐（NO2--N）作为关键电子受体[36]。类似地，在短程反硝化-厌氧氨氧化（PD/A）系统中，有机负荷率调控了AnAOB与反硝化菌（DNB）对NO2--N的竞争，直接控制了宏观尺度的反硝化性能[164]。总之，分层生物膜中协同与竞争性的微生物相互作用共同调控污染物转化途径，是连接微观分层与宏观性能的基本驱动力。

尽管生物膜研究取得了显著进展，但以往综述通常分别关注生物膜系统的不同组成部分[1]，[116]，[165]，[69]。关于生物膜异质性的综述主要涉及生物膜内的微观化学梯度、生理分化和结构异质性[116]。关于MABR的综述主要聚焦于逆扩散传输、氮去除机制、反应器构型、运行性能和工艺集成[69]。其他综述则集中于生物膜表征与分析方法[1]或特定的微生物相互作用机制，如厌氧氨氧化系统中的QS[165]。尽管这些综述显著推动了生物膜的各个研究方向，但仍缺乏统一的机制框架来系统整合生物膜空间异质性、微生物相互作用、运行控制和反应器宏观性能之间的内在关系[1]，[116]，[165]，[69]。

与上述现有综述不同，本综述以生物膜的异质性分层为核心主题，而非局限于特定的反应器类型、表征技术或微生物过程。具体而言，本综述系统整合了四个相互关联的层面：(1) 氧化还原与传质梯度的形成、微生物群落分层以及污染物的空间分异转化途径；(2) 用于表征这些异质特征的多维空间分辨检测技术；(3) 由电子供体和受体交叉供给、QS、能量代谢和电子转移介导的微生物相互作用；(4) DO、HRT和底物负荷等运行参数对这些微观特征的调控及其对不同类型生物膜基废水处理系统宏观处理性能的影响。基于此，建立了一套"检测-机制-调控-应用"框架，提供了一条从识别异质性生物膜结构、到理解微生物相互作用和调控分层、再到优化反应器尺度性能和工程应用的连续机制路径。这一整合微观到宏观的视角构成本综述的主要创新点。

章节摘要

生物膜中的氧化还原分层 生物膜的异质性分层涉及物理、物理化学和生物维度之间的相互耦合[116]，[164]，[40]。氧化还原分层是一个关键的物理化学维度，由电子受体和供体的传输、生物膜结构、底物供给、流体动力学条件和微生物反应的共同作用所产生[116]，[151]，[62]，[98]。由此产生的氧化还原异质性将生物膜划分为好氧、缺氧和厌氧微环境，

生物膜异质性分层的检测方法 目前，生物膜异质性的检测方法主要涵盖四个方面：物理结构、微环境（氧化还原）结构、微生物群落结构和物质转化[66]，[72]。为此，研究者采用了包括直接观察、化学检测和分子微生物技术在内的跨学科方法[163]，[65]。

由于没有单一技术能够同时表征生物膜异质性的所有维度，因此技术选择

废水处理中生物膜的微生物相互作用 功能微生物群落的空间分异使得相邻微生物种群能够交换或竞争电子供体、电子受体、底物和代谢中间产物[164]，[24]，[34]。这些相互作用决定了空间分离的功能微生物如何形成整合的功能系统，从而构成了连接微生物空间组织与生物膜性能的另一个重要生物层面[164]，[54]。交叉供给和

生物膜异质性分层的调控 生物膜的异质结构（如厚度梯度、微环境分层）显著影响污染物去除性能[20]，[36]，[90]。这种结构并非静态，而是动态响应运行条件的变化进行调整。其中，DO、HRT和进水底物负荷是关键调控因素，可通过调节生物膜内的传质过程和微生物分布来影响处理性能[163]，[54]

生物膜异质性分层在废水处理中的应用 在废水排放标准升级和国家"双碳"策略的推动下，生物膜技术凭借其高微生物多样性、可调传质途径和显著的微观空间异质性，已成为处理复杂废水的核心平台。与传统活性污泥相比，生物膜可自发产生连续的物理化学梯度，形成明确的

挑战与展望 生物膜的异质性分层是生物膜基废水处理系统中决定微生物生态位分化、代谢协同和污染物去除效率的核心结构基础。近年来，连接微观分层与宏观工艺性能的机制引起了广泛重视并取得了显著进展。然而，若干关键挑战仍然阻碍了对生物膜的精确表征和合理

结论 生物膜异质性应被理解为一种多尺度动态耦合性质，而非简单的生物膜厚度或DO限制的结果。本综述的综合分析表明，生物膜的物理结构、传质途径、氧化还原梯度、微生物空间组织和功能代谢分区之间存在密切联系。不同的传质模式——特别是共扩散型和逆扩散型生物膜

CRediT作者贡献声明 Xiaokai Yang：方法学、形式分析。Wenxia Fan：撰写——初稿、监督、资源、形式分析。Wei Wang：监督、资源、形式分析。Jingye Yang：方法学、形式分析。Wenhao Hou：方法学、形式分析。Zhuowei Zhang：撰写——审阅与编辑、资金获取。

利益冲突声明 作者声明与本工作无利益冲突。

致谢 本研究获得国家自然科学基金青年科学基金（52400088）、河北省教育厅青年拔尖人才计划（BJ2026092）和河北省科学技术厅京津冀协同创新专项（26243601D）资助。

利益冲突 作者声明与本工作无利益冲突。

Wenxia Fan|Wenhao Hou|Zhuowei Zhang|Wei Wang|Jingye Yang|Xiaokai Yang 河北工程大学，能源与环境工程学院，河北省污水处理与资源利用工程技术研究中心，河北省水污染控制与水生态修复技术创新中心，056038，中国，邯郸