清华大学黄霞团队ES&T:酶洗可缓解由多糖引发的反渗透膜反复污染问题

2021-04-26 22:06:54, 黄霞团队



第一作者:李宇舫

通讯作者:肖康,黄霞

通讯单位:清华大学环境学院

论文DOI:10.1021/acs.est.0c04735



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图片摘要



成果简介

近日,清华大学环境学院黄霞教授团队在环境领域知名期刊Environmental Science& Technology上发表了题为 “Enzymatic Cleaning Mitigates Polysaccharide-Induced Refouling of RO Membrane: Evidence from Foulant Layer Structure and Microbial Dynamics”的研究论文。化学药剂清洗能力有限、残余污染物的抗清洗性不断增强……“越洗越难洗”已成为当前困扰膜清洗技术可持续运行的重大瓶颈,并由此引发膜污染的不断反复。“慢药治顽疾”,或许改变控制策略,转而向温和清洗的方向发展会开辟一条新的道路。

在这个指导思路下,本研究提出一种碱性含酶优化配方,通过连续错流实验测试了不同清洗剂的清洗效率(η)、清洗后的再污染速率,着重评价并对比了酶制剂和商售化学洗剂的长期性能。此外,进一步通过多种表征手段(SEM-EDS、AFM、红外光谱、多糖/蛋白定量分析、3D-EEM、CLSM等)和微生物分析(测序及组学分析、生态互作网络分析),揭示了以微生物所分泌多糖为首要污染物的再污染和清除机理。



引言

应用苛性化学清洗剂的在线清洗(Cleaning-in-place, CIP)是控制膜污染的主要手段之一。然而,其较极端的pH条件会对膜造成不可逆损伤。因此,开发温和的膜清洗药剂十分必要。酶制剂因其高效性和特异性被认为是一种有潜力的替代品。目前,脂肪酶、蛋白酶和多种多糖酶已在造纸业、屠宰业、啤酒酿造和乳制品等食品加工业的废水处理系统中有一定应用,但人们对酶制剂的效果仍将信将疑。因此,含酶制剂的清洗特点、长期效果及清洗机理尚不明晰,亟待探究。

此外,考虑到生物污染往往是膜污染控制的重点,传统化学清洗剂和新型含酶清洗剂:

1. 对膜表有机污染物有怎样的降解和去除效果?

2. 对残存生物膜有何影响?

3. 生物污染和有机污染物的耦效应在此过程中又发挥了怎样的作用?

这三个问题也在本研究中得到了回答。 



图文导读

在长期过程中,化学清洗(η = (83.5±3.0)%)效果稳定,但再污染速度快,且污染行为逐渐由标准孔堵塞(standard blocking)转化为凝胶层形成(gel-layer formation)。而酶洗在拥有相当清洗效率(η = (77.2±9.5)%)的同时,大大延缓了再污染。此外,化学清洗组的污染物残余量虽然较少(<8.5 μgTOC/cm2),但从Cycle1至Cycle3,其污染层比阻力上升了3倍;同时,污染层中多糖的相对比例升高了近20%。相比之下,酶洗组中膜表污染物虽大量积累(>20.0 μgTOC/cm2),但其组分和过滤比阻力基本不变。


1. 连续错流实验中,(A)归一化膜通量(J/J0)随时间的变化情况,其中Enz+SDS*和Lava*分别表示长期酶洗和苛性化学清洗实验组。实验中,共进行四次采样,采样时间点用红色虚线框在图中标出。(B)膜表残余污染层的性质,包括过滤比阻力(Resistance per TOC)和三种主要有机物在污染层中的比例(饼图),并附上肉眼观察到的膜片照片。


通过原子力显微镜(AFM)观测进一步发现,长期苛性化学清洗后,膜表残余污染层的Rrms和SAD值均较低,说明其污染层结构光滑而致密;相比之下,酶洗组表面“沟壑纵横、崎岖不平”,说明形成了疏松多孔的结构。这与扫描电镜下的观测结果一致。此外,利用荧光染料对多糖类物质和核酸染色。用ImageJ软件对所得CLSM图像进一步量化分析后,所得结论被再次印证:酶洗虽然因为较温和而对微生物去除不足,但形成的污染层厚而疏松;苛性化学清洗对微生物有显著灭活效果,但黏性多糖成为残存EPS matrix中的首要污染物,薄而致密。作者认为多糖类物质较强的黏性、溶胀性(gelling property)和较弱的可压缩性(compressibility)正是导致化学清洗组污染层比阻快速上升的重要因素;这也与前人文章的相关报道相符。


2. (A)AFM观测结果,包括Rrms值和表面积差SAD值,可分别反映表面粗糙度和多孔程度。(B)CLSM观测结果:顶部为不同深度下的荧光截面,底部为所观测EPS matrix的全貌。红色和绿色荧光分别为多糖和核酸信号。


此外,清洗药剂可定向选择膜表面微生物群落的演替方向:酶洗组温和的特性使得所施加压力较小,从而保留了更多初始附着的物种(如Sphingopyxis);而化学清洗组不断富集可分泌黏性多糖的顽固物种。主成分分析表明,具有相似清洗强度或清洗压力的清洗方法往往最终可形成具有相似结构的微生物群落。冗余分析进一步揭示这种选择性压力的主要来源是清洗剂中的螯合成分,而SphingopyxisFlavobacteriumPseudomonas则是最易受到影响的三种关键物种。更重要的是,3D-EEM图谱显示进水与膜表提取物中有机物的荧光特征并不匹配,说明微生物产物在膜污染中起到了重要作用。


3. 微生物群落结构。(A)种级别上的物种分布;(B)不同清洗剂所得残存生物膜群落结构的主成分分析结果;(C)冗余分析,展示了不同清洗因素(紫色箭头)对群落的影响,及前五个最易受影响的物种(金色箭头)。


为了深入探究生物污染和有机污染的耦合效应,本研究进一步使用基于RMT算法的系统发育分析来揭示残存生物膜中的微生物互作关系。结果表明,化学清洗组具有更简洁高效、模块化的网络结构,且XanthomonasPseudomonas等可大量分泌黏性多糖的物种在网络中起到枢纽作用,如模块核心和连接器。这一切证据显示更稳定、成熟的生物群落已经形成,并导致清洗后再污染速率加快、抗化学清洗性能被不断加强。


4. 微生物互作网络分析,其中(A)和(B)分别展示了长期酶洗和苛性化学清洗所得生物群落的互作网络结构,(C)为对网络中各节点拓扑角色的分析。


小结

本文探究了含酶清洗剂的清洗效果和清洗机理,发现清洗剂通过对生物膜施加不同压力影响群落组成,进而改变污染层的有机组分、结构和性能 (如致密凝胶或松散多孔),并最终影响再污染行为。主要结论如下:

1. 从长期效果来看,酶制剂可获得与化学清洗剂相当的清洗效率。
2. 不同CIP过程对微生物产生不同的选择压力,并影响微生物演替方向。
3. 酶洗:有机物大量积累,但结构松散,多糖占比较小,缓解再污染;苛性化学清洗:不断富集可分泌黏性多糖的物种,且它们在微生物互作网络中起到核心作用。

更重要的是,这项研究引发了对反渗透系统中膜污染控制理念的反思,即哪种策略在长期内更为有利:传统化学在线清洗一样的短时苛性刺激?还是酶洗般的慢性温和调节?这为今后可持续膜清洗策略的发展方向提供了一种参考。



作者简介

第一作者:李宇舫,本科毕业于清华大学环境学院,现为清华大学环境学院2018级直博生,导师为黄霞教授,研究方向为污水资源化与膜法水处理。在Environmental Science and Technology、Journal of Cleaner ProductionACS Applied Materials & Interfaces等期刊发表SCI论文。联系邮箱:liyf18@mails.tsinghua.edu.cn 

通讯作者:肖康,中国科学院大学资源与环境学院副教授,中科院青年创新促进会会员,中科院青藏高原地球科学卓越创新中心青年骨干。主要从事水环境污染控制、污水处理与资源化、膜分离技术与原理、污染物监测等方面的研究。近年来针对膜法水处理中的膜污染问题,开展了数学建模、统计分析、机理探索、过程优化等方面的研究;探索荧光等光谱学指标,对天然水体、微生物代谢产物以及大气颗粒物中的潜势污染物的赋存状态及归趋规律进行指示;发表学术论文90余篇。担任中科院本科生课程《环境数据分析导论》和研究生课程《环境数据的统计学分析方法》主讲。联系邮箱:kxiao@ucas.ac.cn 


通讯作者:黄霞,博士,清华大学环境学院教授,博士生导师,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室主任。国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者奖励计划特聘教授和创新团队带头人、首批环境保护部专业技术领军人才、国际水协会会士(Fellow)和膜技术专业委员会主席、Frontier of Environmental Science & Engineering期刊执行副主编等。主要从事膜法水处理技术、功能膜材料、生物电化学污水处理技术、污水资源化技术等研究。发表SCI收录论文300余篇,连续6年入选爱思维尔发布的中国高被引学者榜单;出版专著/教材5部;曾获国家科技进步二等奖3项、部级一等奖4项、Environ. Sci. & Technol. 和ESWRT年度最佳论文奖。联系邮箱:xhuang@tsinghua.edu.cn



来源:黄霞团队 环境人Environmentor


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