生物资源技术394（2024）130215
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西卡莫尔落叶生物炭、贝壳粉和聚氨酯海绵联合生物膜反应器同时去除反渗透废水中钙、镉和四环素
Xinjie Wang，Jiawei Li，Liang Xu，Junfeng Su，Zhao Wang，Xuan Li
a
Xi建筑科技大学环境与市政工程学院，Xi 710055
b
Xi建筑科技大学环境工程陕西省重点实验室，陕西Xi 710055
c
环境科学学院
&
盐城工学院工学院，江苏盐城，224051
H I G H L I G H T S
G R A P H I C A L A B S T R A C T
•
FSPU与LX 16菌的联合作用促进了污染物的去除。
•
FSPU的三维结构有利于LX 16应变的加载。
•
FSPU释放电子穿梭，提高微生物的去除效率。
•
LX 16菌株能去除Ca ~（2+），
+
and
Cd
+
通过MICP吸附和共沉淀。
A R T I C L E I N F O
保留字：
抗生素清除
生物膜反应器
硝化反硝化西卡莫尔落叶生物炭
A B S T R A C T
城市工业污水反渗透浓缩液的资源化处理一直是研究的热点。本研究以西卡莫尔落叶生物炭、贝壳粉和聚氨酯海绵为载体，负载Zobellella acidificans sp. LX 16，构建生物膜反应器。对于氨氮（NH
+
在水力停留时间（HRT）为4 h，pH为7.0，进水盐度、Ca和TC浓度分别为1.0、180.0、100.0、10.0、10.和3.0 mg/L。生物膜反应器填料具有三维结构，以确保良好的微生物负载，同时促进微生物的电子传递和代谢活性，提高污染物耐受性和去除效率。该反应器为反渗透浓缩液沉降除镉提供了实用参考
+
微生物诱导钙沉淀法（microbial induced calcium precipitation，MICP）测定总胆固醇。
* 通讯作者：Xi建筑科技大学环境与市政工程学院，Xi 710055。
电子邮件地址：sjf1977518@sina.com（J. Su）。
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Bioresource Technology
期刊主页：www.elsevier.com/locate/biortech
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.130215接收日期：2023年11月22日;接收日期：2023年12月14日;接受日期：2023年12月14日
生物资源技术394（2024）130215
2
1.
介绍
随着水资源短缺危机的日益紧张，利用反渗透技术对城市污水进行资源化处理以获得高纯水在技术上是可行的，在经济上也是有效的（Salehi，2022）。然而，氨氮（NH
+
-N），城市废水中的重金属、盐和有害有机物在反渗透过程中被拦截，并最终形成反渗透浓缩物（ROC）（Hu等人，2022年）。由于城市污水资源化利用规模的迅速扩大，ROC的量也在迅速增加，其高效处理成为城市污水资源化利用的新挑战（Arola et al. 2019年）。
当NH3浓度
+
-N过量，水体发生富营养化，导致赤潮、冲刷等危害（Dong et al.，2019年）。化学需氧量（COD）含量过高会导致水体、水生生物中溶解氧含量降低
’
缺氧，甚至死亡和水质腐败和气味（Khurshid等人，2021年）。都对自然环境和人类社会造成危害。尽管吸附（Choi和Lee，2022年）、微生物处理（Liu等人，2024）、电化学处理（Gao等人，2022），Zou等人，2020年），以及其他去除NH的方法
+
- 污水中的N和COD。然而，传统的物理和化学方法具有成本高和二次污染风险的缺点。微生物处理可完全转化NH
+
-N转化为气态氮而不产生含氮残留物，其处理效果优异，不存在二次污染等问题，其被广泛使用（Liao等人，2023年）。此外，近年来，城市废水中的污染物随着快速城市化和人口集中而变得更加复杂（Ajiboye等人，2021年）。四环素（TC）作为一种价格低廉、抗菌特性广泛的广谱抗生素，是一种流行且广泛使用的抗生素，在水体中分布广泛（Xu et al.，2023年）。作为一种重金属，镉（Cd）具有高度毒性和致癌性，并且如果其长时间积累，则会损害骨骼和肾脏（Rinaldi等人，2017年）。MICP是一种使用微生物实现生物矿化的技术（Wang等人，2022年a）。异养硝化和好氧反硝化（HNAD）细菌可以产生CO
–
和碱性，并使用细菌表面作为成核位点来去除Ca、重金属和有机物（Kumar等人，2023; Wang等人，2022年a）。由于其在实际运行中的分散状态，以及重金属和有机物的影响，其活性会在一定程度上减弱。因此，有必要推广生物固定化策略，以使反应器中的微生物保持高浓度和高活性状态（Wang et al.，2021年a）。
聚氨酯海绵具有生物相容性好、比表面积大、价格低廉等优点，是一种理想的生物载体。为了进一步去除污染物，提出了载体的本体修饰（Wang等人，2022年a）。落叶西卡莫尔树叶是一种常见的绿化废弃物，研究表明，西卡莫尔落叶生物炭具有化学性状稳定、表面活性官能团多、比表面积大等优点（Fan et al. 2022年）。贝壳作为水产养殖和加工业产生的大量废弃物，据统计，每加工1公斤贝壳，就会产生300-700克废弃贝壳（Baek，2021）。贝壳具有巨大的利用价值。将贝壳制成贝壳粉，由于其丰富的孔隙空间，稳定的循环和强吸附性，在污染物的吸附方面具有良好的性能（Yen，2016）。 因此，在本研究中，我们合成了一种用西卡莫尔落叶生物炭和贝壳粉改性的聚氨酯海绵，即作为反应器的载体，进一步促进二价镉的沉积
2 +
以及TC的分解。因此，重要的是确定用于通过MICP与西卡莫尔落叶生物炭和贝壳粉组合对PU海绵进行改性的材料，以用于污染物响应和对微生物群落的影响。
本研究以西卡莫尔落叶生物炭、贝壳粉、PU海绵为填料，结合Zobellellaficans sp. LX 16菌株，在不同条件下对反应器的优化运行进行研究。(ii)通过添加不同浓度的镉，研究了污染物的反馈和去除机制以及微生物代谢的变化
+
和TC。(iii)反应器的微生物活性证明了电子传递系统活性（ETSA），和（iv）微生物群落和代谢丰度证实了微生物对污染物的响应。本研究有助于了解新的策略，为ROC的治疗相结合的MICP和废物材料。
2.
材料和方法
2.1.
微生物和培养物
Zobellellellaficans sp. LX 16能够进行MICP，并且在反应器中使用HNAD细菌（Li等人，第2023条a款）。LX 16培养基的组成为：3.75 g/L CHNaO·6 HO、0.25 g/L NHCl、0.5 g/L CaCl、0.5 g/L NaHCO、0.05 g/L MgSO、1.0 g/L NaCl、0.1 g/L KHPO，其含有2 mL微量元素溶液（Li等人，2023 a），并将pH设定在7.0-7.5。
2.2.
合成改性生物材料和固定化生物
改性贝壳粉的方法在先前的研究中被提及（Wu等人，2020年）。10.0将200 g贝壳粉浸入200 mL表面活性剂溶液中（十二烷基苯磺酸钠与十六烷基三甲基溴化铵的比例为0.3：0.5），在40 ℃下机械搅拌4 h，然后在室温下静置24 h。基于离心，除去上清液并在蒸馏水中冲洗数次。然后将其在恒温炉中热解2小时，
500
◦
C.
西卡莫尔落叶掺杂磷酸氢钾（KHPO）和氯化镁（MgCl-6 HO）的摩尔比为1：1。将落叶与改性剂以1：10（m：v，50 g：500 mL）的固液比混合，在黑暗中以200 rpm振荡24小时，并在60 ℃的烘箱中干燥。然后将其在500 ℃下在加热炉中热解2小时。
最后，将落叶生物炭和改性贝壳粉末以4：1的比例（m：m，总共50 g）混合在1000 mL软化水溶液中，然后将PU海绵浸入溶液中，浸轧效率为10%。混合体系以150 r min振荡
1
2小时，并在60 ℃下干燥。聚氨酯海绵的表面（0.8cm
×
0.8 cm
×
0.8 cm）从弱生物炭和贝壳粉末中除去，直到没有解吸。它被命名为FSPU。
2.3.
生物反应器操作优化
这三个反应堆是：空白组（BG）、对照组（CG）和实验组（EG），并且所有这些都包括入口池、出口池、入口泵和曝气装置。反应堆的大小和材料与Li等人的一致，（2023 b）中所示。每个反应器的填料比例为30%，溶解氧浓度为7.59 mg/L。将FSPU分别加入BG和EG中，而将未改性PU加入CG中。在BG反应器中未发现菌株LX 16，而CG和EG含有LX 16。反应器在好氧条件下连续运行150 d。根据不同的水力停留时间（HRT）、pH、NaCl浓度、Cd浓度等因素，将反应器的运行条件分为15个阶段（每个阶段运行10 d以达到稳定）
+
浓度和TC浓度条件，如表1所示。三个并联反应器具有相同的操作条件。硝酸盐（NO
–
-N）、亚硝酸盐（NO
–
-N）、NH
+
-
每天测定氮、镉和总胆固醇。
X. Wang等人
生物资源技术394（2024）130215
3
2.4.
16 S rDNA高通量测序分析
通过454高通量焦磷酸测序技术研究反应器中细菌群落的多样性和丰度（Li等人，第2023段b）。使用通用引物组338 F和806 R研究CG（周期4.2）、BG（周期4.2）和EG（周期4.2和5.3）中的微生物群落结构。通过将高通量测序结果与KEGG数据库进行比较，可以预测参与不同生物反应器生长和代谢过程的基因。
2.5.
分析方法
NH
+
- 不，不
–
根据标准方法（APHA，2012），通过UV分光光度计（哈赫，DR 5000，USA）测定-N、ETSA和COD。CD
+
和Ca
+
使用原子吸收分光光度计（ICE-3000，THERMO，USA）测定。使用具有UV检测器的高效液相色谱法（HPLC）（LC 2000）测定TC浓度（Xu等人，2023年）。通过3D-EEM（F-7000，Hitachi，Japan）表征可溶性微生物产物（SMP），并且参数集参考先前的研究。进行流式细胞术（Aquarium，Horriba，Japan）以观察不同条件下活细菌细胞和死细菌细胞的比率。使用FTIR（IS 50，THERMO，USA）、XRD（Ultimate 4，RIGAKU，Japan）和SEM（Gemini SEM 500，Zeiss，德国）表征剥离的生物沉淀物。
3.
结果和讨论
3.1.
生物膜反应器的运行状况
3.1.1.
不同HRT反应器的研究图1（a）中，当HRT为4.0 h时，
+
EG、CG和BG的-N含量分别为2.06、12.70和60.20 mg/L。添加Zobellella acidificans sp. LX 16可显著降低发酵液中NH +4的含量
+
而FSPU促进了EG中HNAD的积累，从而减少了NH的积累
+
-N（Li等人，第2023条a款）。在图1和图2中，在HRT从2.0 h扩大到4.0 h时，EG的COD去除率从42.81%加速到95.87%。消除Ca
+
从33.54%提高到83.29%。通过延长HRT，微生物更有效地利用COD来促进生长和繁殖（Ugwuodo等人，2022年）。水力停留时间的增加降低了水力剪切力，有利于微生物附着在材料表面，更好地吸附和沉积Ca
2+
.（Zhang等人，
第2022条b款）。
3.1.2.
反应器不同pH值的分析
+
EG在2.1期和2.2期时-N较低，而NH 4+的去除率最高
+
当EG处于2.2期时，氮含量达到96.73%，
–
-N
仅为0.24 mg/L。然而，NH的浓度
+
-N在2.3期迅速上升。有意思的是，CG也有这种现象。这表明pH值为7.0最有利于微生物的代谢和发育生长。在图1（B）中，CG和EG的COD含量在周期2.2处不同。这可能是由于FSPU对反应器的影响，导致不同反应器中优势菌的最适pH值不同，但均对pH 8敏感。在图2（a）中，去除Ca
+
在不同pH条件下，CG的活性变化不明显，
Ca的去除
+
在pH 7时，EG的溶解度显著增加，达到84.33%（Li等人，第2023段b）。虽然pH值较高（
=
8)有利于羟基磷灰石和碳酸钙的形成，较高的pH抑制微生物的活性，但较低的pH降低OH
–
b-
iting案例
+
沉淀（Piervandi等人，2020年）。
3.1.3.
不同盐度对反应器的影响
在图1和图2中，当盐度为0.6g/L时，Ca
2 +
con-
浓度和NH
+
-N分别为134.89和44.47 mg/L，128.40和30.94 mg/L。但钙的去除率
+
和NH
+
在盐度为1.0 g/L时，CG和EG对-N的去除率均较高。同时，研究表明，微生物在适当的盐度下更敏感，可以增强硝化和反硝化作用（Li et al.，2022年）。的NH
+
当盐度升高至1.4g/ L时，CG和EG的-N浓度仍保持较低水平，这得益于LX 16对较高盐度的耐受性。值得注意的是，
+
EG相对于CG的去除效率显著下降，表明FSPU中的生物炭虽然可以提供释放养分，提供附着位点，促进种间电子传递，但随着盐度从1.0 g/L到1.4 g/L，促进微生物生长或生理功能的效果减弱（Gao et al.，2023年; Ma等人，2023年）。
3.2.
镉的影响及去除研究
2 +
反应堆上的TC
从图1（a）可以发现，随着Cd浓度的增加，当光盘
+
浓度为20 mg/L时，
NH效率
+
-N在EG中略有下降（93.75%）。研究表明，高浓度的镉
+
可严重抑制微生物的活性，但添加FSPU可有效降低高浓度Cd的影响
+
关于微生物（Kumar等人，2023年; Pan等人，2022年）。进一步结合Cd
+
当Cd浓度维持在15 mg/L时，1 mg/L的TC对微生物的抑制作用不明显。当TC浓度为5 mg/L时，EG表现出抑制作用，
+
-N和COD分别上升到8.42 mg/L和135.20 mg/L，表明FSPU不能完全保证在高浓度TC（5 mg/L）下维持高效HNAD（Chen et al.，2023年; Dai等人，2021年）。
FSPU中西卡莫尔落叶生物炭和贝壳粉对Cd有较强的吸附能力
+
从图1（d）可以看出，Cd比TC更易与活性中心竞争，
+
可通过生物沉淀进行吸附。在MICP过程中，生成的含Cd矿物包裹在结构内部（Jiang等人，2019年; Sharma等人，2022年）。虽然FSPU有助于降低TC的影响，但FSPU促进TC去除的作用并没有随着TC浓度的增加而显著增强。高浓度TC的去除可能是通过微生物分泌胞外聚合物（EPS）来抵抗生物降解的不利影响（Xu et al.，2022年）。
3.3.
生物膜反应器中微生物的分泌及其变化
为了研究生物膜反应器对不同参数的响应和趋势，使用荧光光谱分解法对荧光光谱进行了分解。
表1
不同时期的经营状况。
相
HRT
(h)
pH
NaCl（g/
L)
镉（mg/
L)
TC（mg/
L)
Time
(d)
1
1.1
1.0
7.0
1.0
0
0
10
1.2
2.0
7.0
1.0
0
0
10
1.3
4.0
7.0
1.0
0
0
10
2
2.1
4.0
6.0
1.0
0
0
10
2.2
4.0
7.0
1.0
0
0
10
2.3
4.0
8.0
1.0
0
0
10
3
3.1
4.0
7.0
0.6
0
0
10
3.2
4.0
7.0
1.0
0
0
10
3.3
4.0
7.0
1.4
0
0
10
4
4.1
4.0
7.0
1.0
10
0
10
4.2
4.0
7.0
1.0
15
0
10
4.3
4.0
7.0
1.0
20
0
10
5.1
4.0
7.0
1.0
15
1
10
5
5.2
4.0
7.0
1.0
15
3
10
5.3
4.0
7.0
1.0
15
5
10
X. Wang等人
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4
荧光面积积分法（参见补充材料）（Li等人，2022年）。在图3中，随着TC和Cd浓度的增加，
2+
结果表明，EG的可溶性微生物产物（SMP）和芳香蛋白的特征峰强度增加，而腐殖酸分子（HA）的特征峰强度保持稳定。SMP和芳香蛋白是微生物在外源刺激下为正常生长和代谢而产生的。HA特征峰的强度代表微生物应激反应（Wang等人，2021年b月）。这表明，当污染物浓度过高时，EG中的微生物能够通过增加SMP和芳香蛋白的分泌来适应胁迫。与此同时
类富里酸和腐殖酸分子代谢的减弱也证明微生物的代谢强度降低（Li等，2021年）。
Cd胁迫下类胡敏酸（V区）中CG的比例
+
胁迫4.3期为13.50%，显著高于4.2期的7.15%，一定量的HA可以促进电子传递能力，缓解高污染物浓度条件下微生物降解的压力（Jia et al.，2020年; Xu等人，2023年）。在FSPU的影响下，EG在所有四个时期都保持了各地区相对稳定的比例。同时，生物炭的活性官能团可以介导微生物的电子传递，促进微生物的代谢活动，
图1.氨氮（NH）浓度变化
+
-N）、硝态氮（NO
–
-N）和化学需氧量（COD）。
X. Wang等人
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同时，微生物使EG能够在不利条件下保持高的污染物去除效率（Dai等人，2021; Zhang等人，2023年）。
补充材料中进一步分析了HRT和NaCl浓度在微生物分泌和代谢中的差异。在不同HRT条件下，EG和CG表现出较大的差异，其中1.3期EG中Ⅲ、Ⅴ型所占比例（13.03%，23.38%）高于1.3期CG中Ⅲ、Ⅴ型所占比例（9.23%，8.99%）。这可能是由于FSPU能产生腐殖酸和富里酸。腐殖酸和黄腐酸可以刺激微生物的代谢（Li等人，2019年）。盐度的影响也有显著差异。在FSPU的影响下，在3.1和3.3期间EG中微生物产生的芳香蛋白（区域II）和SMP的比例增加，SMP的强度增加。
这表明，盐度为1.0g/L时，微生物对环境刺激的响应最小。在不含FSPU的CG中，微生物在3.1周期内通过分泌更多的类黄腐酸和类腐殖酸来维持其代谢活性（Li等人，2020年）。
流式细胞术用于研究污染物浓度对微生物活性的影响（Xu等人，2023年）。根据补充资料，在4.3和5.3期，EG中活细胞比例为96.6%和87.4%，而CG中为83.1%和80.6%，表明EG中的细菌具有更高的生物活性，可以抵抗高浓度污染物的胁迫。在BG和CG中，反应器中的微生物也倾向于对污染物胁迫做出响应。在4.1 ~ 4.2阶段，EG和CG中活细胞比例分别增加了6.5%和4.4%，而活细菌比例则先下降
图二. BG、CG和EG生物反应器中钙（Ca）、镉（Cd）和四环素（TC）的浓度变化。
X. Wang等人