水动力对水体生物膜附着更替过程的影响研究进展

任文畅 孔晓露

（1浙江省水利水电勘测设计院浙江杭州3100002浙江同济科技职业学院浙江杭州310000）

水动力对水体生物膜附着更替过程的影响研究进展

任文畅1孔晓露2

（1浙江省水利水电勘测设计院浙江杭州3100002浙江同济科技职业学院浙江杭州310000）

作为河流生态系统的一部分，生物膜在河流水体的自净方面表现出非常重要的作用。而水动力作为河流的最基本自然特征之一，直接影响着河流水体生物膜的生长。因此研究水体生物膜与水动力之间的关系对提高河流水体自净能力具有重要意义。本文简述了近年来国内外在水动力对水体生物膜附着更替过程及其净污能力影响方面的研究进展。

水动力；水体生物膜；附着更替过程；净污能力

水体生物膜的附着更替过程包括生物膜生物量的增长和群落结构的成长两个方面。主要过程分为微生物在胞外聚合物载体表面的黏附聚集以及生物群落结构的发展变化。影响生物膜附着更替过程的因素非常复杂，除受外界环境，如营养成份、水动力、pH值、温度、光照强度、渗透压、介质的表面特性（大小、形状、多孔性及比表面积）及铁离子浓度和氧化还原电位的影响外，细菌本身（如纤毛、鞭毛、胞外聚合物EPS）等因素也起重要作用。其中，尤其水动力对生物膜附着更替过程方面起着重要的影响。

1 水动力对水体生物膜胞外聚合物分泌的影响

胞外聚合物是由生物膜中微生物代谢产生的，并附着在生物膜表面的高分子絮状物，其是通过凝聚微生物细胞和部分特殊物质来保证生物膜结构的稳定性，对生物膜空间构型、细菌的粘附聚集及信息交流、基质在生物膜内传质阻力的大小等方面起着重要作用。水动力条件的变化影响了生物膜胞外聚合物的分泌及其形成过程，从而影响到生物膜形态和结构的变化[5]。祁佩时等[6]研究改变水动力条件对生物膜中胞外聚合物所造成的影响，结果表明了水流剪切力会随着水流速度的增加而变大，进而促使了胞外多糖的分泌增多，而对胞外蛋白的影响较小。

冯骞等通过研究不同水流剪切力对活性颗粒污泥中胞外聚合物的影响发现，为了防止生物膜在大剪切力作用下时的脱落，微生物必须不停地分泌出更多的胞外多聚物才能够抵抗大水流的剪切作用。Adav等研究发现增加反应器的水流剪切力，可以促进细胞分泌更多的胞外聚合物，并且提高了细胞的表面疏水性能，更有助于微生物细胞间聚集在一起形成颗粒状的物质。水体生物膜的性质同活性颗粒污泥类似，都是由胞外聚合物及寄居在其中的微生物群落构成的。胞外聚合物在高流速下会大量分泌，使得细菌凝聚增强、生物膜致密，此外，低流速的环境下，胞外聚合物形成及分泌的越慢。

2 水动力对水体生物膜群落结构的影响

目前有关生物膜群落结构的研究主要集中在以下两个方面：一是指不同生长环境对生物膜菌群分布、群落结构的影响。二是指特定微生物生长环境下生物膜菌群分布、生物量、生物多样性方面的研究。然而，水动力对生物膜群落结构影响的研究很少，部分报道也集中在生物反应器中水流剪切力对活性污泥颗粒群落结构的影响及河流水动力对特定动植物如原后生动物、浮游植物、苔类物质等群落结构的影响。Celmer等通过改变搅拌强度，研究反应器中生物膜菌落的生长状况，发现增大搅拌强度能够提高反硝化细菌的活性，使反硝化速率增大，随着生物膜反应器运行时间变化，反应器内微生物的丰度和种群变化也发生改变。

田鑫等通过改变水动力条件，研究沼泽红假单胞菌生物膜菌落的生长状况，结果表明不同水动力条件对生物膜生长速率及结构的影响很大，当水力剪切力的作用不能使细菌从固体基质表面剥落的情况时，可以通过增加循环液流速的方法来促使生物膜群落结构的形成。增加流速提高水流的剪切力，加快了营养物质的质量传递，使得微生物菌落生长速率加快，从而促进了生物膜群落结构的形成；但当水流剪切力大于微生物在基质表面的吸附力时，微生物的吸附效率及吸附数量均会有所降低。在今后的研究中，需在河流水动力对水生生物膜群落结构的影响方面加大研究力度，探讨不同水动力条件对生物膜菌群的分布、群落结构、生物多样性的影响。

3 结语

河流水体生物膜在控制水环境中污染物的吸附、降解以及水体物质循环、能量流动过程中起着非常重要的作用。而河流水动力作为影响水生生物膜形成的重要环境因素之一，是未来环境领域不可忽视的研究方向。因此，应该进一步开展河流水动力对水体生物膜附着更替过程及其净污能力的研究，从环境生物学的角度看，深入的研究将集中在结合水动力特征参数、生物膜结构、净污能力及传质效率分析，探明河流水动力特征参数与水体生物膜传质效率及生物膜净污能力间的相互作用机制，并建立其定量响应关系；在此基础上，结合实际河流的调查分析，建立河流水动力特征参数与河流生物自净能力参数间的响应关系，提出河流水体生物净化能力强化的方法，为河流水体生态修复提供理论依据。

[1]Stood ly P,Sauer K,et al.Biofilms as complex differentiated communities,Annual Review ofMicrobiology[J].Pro Quest Biology Journals,2002,56:187-209.

[2]祁佩时，王文斌，王弘宇，等.COD质量浓度和水流剪切力对胞外聚合物分泌的影响[J].哈尔滨商业大学学报：自然科学版, 2008,24(6):682-687.

[3]冯骞，薛朝霞，汪翙,等.水流剪切力对活性污泥特性影响的试验研究[J].河海大学学报：自然科学版,2006,34(4):374-377.

[4]Adav SS,Lee D J,Lai JY.Effects of aeration intensity on formation of pheno-l fed aerobic granules and extracellular polymeric substances[J].Applied Microbiology and Biotechnology，2007,77: 175-182.

[5]Celmer D,Oleszkiewicz JA,Cicek N.Impact of shear force on the biofilm structure and performance of amembrane biofilm reactor for tertiary hydrogen-driven denitrification of municipal wastewater [J].Water Research,2008,42:3057-3065.

[6]田鑫,廖强,党楠,等.营养及水力条件影响光合细菌生物膜生长特性实验[J].中国生物工程杂志,2009,29(4):67-72.

任文畅(1989—)，男，浙江慈溪人，硕士研究生，助理工程师，主要从事水环境保护与生态修复研究等工作。