工程15（2022）154研究环境工程-文章加氯水与地表水引起的膜污染的生物污染特性及微生物研究Li Zhanga，b，Lei Xua，Xu，Nigel Grahamc，Wenzheng Yua，Xua中国科学院生态环境科学研究中心环境水化学国家重点实验室，北京100085b中国科学院大学，北京100049c英国伦敦帝国理工学院土木与环境工程系，南肯辛顿校区，伦敦SW7 2AZ阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2020年12月1日修订2021年3月5日接受在线预订2021年关键词：膜污染生物膜GDM过滤技术耐氯菌亲水性A B S T R A C T氯通常用于城市水处理过程中，以灭活病原体和预防水传播疾病。作为预处理，目前尚不清楚氯化水是否可以有效地减轻超滤（UF）过程中的膜污染。在这项研究中，自来水进行了调查，其对生物膜的形成和生物污垢的重力驱动膜（GDM）过滤系统的影响。为了比较，生物膜/生物污垢与未经处理的表面（湖）水进行了平行研究。结果发现，更严重的膜污染发生与过滤自来水比湖水，和更大量的多糖和胞外DNA（eDNA）存在于自来水生物膜比在湖水生物膜。自来水生物膜具有致密的形态。相比之下，观察到的湖水生物膜，这被认为是与生物膜中的细菌的多孔，蜘蛛状的16S核糖体RNA（rRNA）测序证实了这一假设，这表明，黄曲霉是自来水生物膜中的优势类群。膜的疏水/亲水性对膜污染特性和微生物群落的影响较小。本研究揭示了耐氯细菌在生物污染形成中的重要作用，并提供了对膜污染的更深入了解，这可能有助于有助于寻找控制膜污染的有效方法©2021 THE COUNTORS.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍安全和充足的饮用水的供应在世界范围内变得越来越有限，特别是在发展中国家的偏远地区[1]。偏远、分散的社区和落后的交通基础设施使得难以提供和维持足够的安全供水。在这些偏远地区，地表水，包括河流和湖泊，污染较少;因此，它们可以作为饮用水的来源，采用不太密集的处理方法。膜过滤技术，特别是超滤（UF）膜技术[2]，是一种用于水净化和饮用水生产的成熟且通用的方法[3]。UF膜可以通过尺寸排阻拦截悬浮固体、胶体和细菌，因为孔径（约100kDa）小于这些典型的超滤膜*通讯作者。电子邮件地址：leixu@rcees.ac.cn（L. Xu），wzyu@rcees.ac.cn（W. Yu）。污染物[4]。此外，水可以通过具有低跨膜压力的UF膜，这可以通过重力驱动布置来实现[5，6]。重力驱动膜（GDM）过滤技术在处理灰水[7，8]、废水[9]、雨水[10]和海水预处理中得到了[11]由于其能耗极低，无反冲洗，流量稳定。在GDM过滤系统中，生物膜的积累起着重要的调节作用.首先，可渗透的生物污垢层充当次级膜[6]并保持通量稳定性[5]。其次，它降解有机物质[8，12]。关于至关重要的生物污损层的研究与与关键参数（例如，给水[5]、曝气剪切应力[13]、生物控制[14]和营养限制[15]）对生物膜形态与过滤性能之间的联系[2]进行了研究，旨在揭示生物膜的性质，从而有效地控制其积累。在进水的影响中，溶解性有机物（DOC）的浓度起着重要的作用，并与水质呈负相关。https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.03.0162095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可从ScienceDirect获取目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engL. 张丽Xu，N.Graham等工程15（2022）154155···×···膜过滤系统的渗透通量[5]。然而，这方面需要进一步调查。微生物产物和缓慢生物降解产物[13，15，16]是生物膜基质中的主要成分[17]。微生物在生物污损中起着关键作用因此，可以通过控制微生物的生长来减轻生物结垢。氯在世界范围内普遍用于饮用水和废水处理，以杀灭病原体并预防水传播疾病[18然而，目前还不清楚是否可以显着减轻膜污染的氯化水。由于存在较少的微生物，预期较少的膜生物污染然而，一些微生物物种是耐氯的，这些细菌对膜污染的贡献仍然是未知的。此外，膜的疏水/亲水性质是膜应用和性能的关键参数[22]。它影响膜过滤过程中有机物的分离性能和选择渗透性[23]。由于截留有机物的疏水性和亲水性的差异，不同的细菌群落可以存活并形成不同的生物膜，从而影响过滤性能。然而，尽管其意义重大，但相关研究仍然有限。此外，Flemming和Wingender[24]报道生物膜是微生物的聚集体细胞经常嵌入在胞外聚合物（EPS）的自生基质中，这表明对细菌的研究也是识别和调节生物污损的不可缺少的要求即使在同一个反渗透膜净水厂，各隔室之间的细菌群落也不同，膜污染也不同[25]。Wu等人[26]还发现，尽管进料水相同，但当采用不同的过滤配置时，生物膜微生物存在差异这些研究表明，生物膜细菌群落是动态的，复杂的，需要考虑作为一个重要方面在调查生物污损。本研究从实际出发，选择了具有代表性的自来水（典型的氯化水，DOC含量低（（2.920± 0.011）mg L-1））和湖水（未经任何预处理的普通地表水，DOC含量高（（6.440 ± 0.039）mg L-1））作为原水。因此，对于生活在城市中的人们来说，公共自来水通常在净化之前用作饮用水。然而，对于生活在偏远地区的人们来说，可用的水源通常是地表水，例如湖水。此外，本研究还比较了两种类型的超滤膜，即聚偏氟乙烯（PVDF）和聚醚砜（PES）超滤膜，以研究膜的疏水性/亲水性是否影响所形成的生物膜的性质此外，生物膜的性质，包括形态，功能基团，和基质成分，进行了研究，以阐明这些过滤系统的生物污垢characterione特别考虑了生物膜中的细菌群落和多样性，更重要的是，它们的生物污损机制。2. 材料和方法2.1. 反应堆的建造建设和运营研究中使用了两种类型的水（去除余氯后的自来水和湖水）;从当地供水系统采集的自来水和从中国北京奥林匹克公园湖泊采集的湖水样本。自来水的来源为北京一号。9水处理厂出水经1.2-1.8mg·L-1的氯化消毒后，5小时自来水中余氯浓度为0.07-在静置至少24 h（以使氯消失）后，在实验中使用自来水。每隔一天收集一次水，并储存在一个2 L容器。附录A表S1）给出了两种水的质量，其中自来水的有机物浓度相对较低，而湖水则由各种有机物组成。此外，两种类型的UF膜（北京分离设备有限公司，有限公司、中国）用于比较：PVDF和PES。每个膜具有约25 cm2的过滤面积和IOOkDa的分子量截留（MWCO），对应于7-8 nm。三个GDM系统在40 mbar（1 bar = 105 Pa;Appen-Appen AFig. S1）的恒定压头下以死端模式并行运行32 d。这些系统被表示为自来水-PVDF、湖水-PVDF和湖水-PES。在过滤过程中，每天记录渗透通量，并根据附录A补充材料和方法中提供的方法进行计算。在操作结束时，取出三个平行过滤系统中的膜上的生物膜并制备用于分析，如以下章节所述。2.2. 原水、滤液和生物膜高 效 尺 寸 排 阻 色 谱 法 （ HPSEC ） 用 于 确 定 有 机 物 的 分 子 量（MW ）分布。使用二元高效液相色谱（HPLC ）泵（Waters1525，USA）进行HPSEC，该泵包含BioSep-SEC-S3000柱（7.8mm × 300 mm; Phenomenex ， USA ）、固定有 GFC-3000 圆盘（内径4mm）的安全保护柱、 200系列泵、在254 nm波长下操作的光电二极管阵列检测器（Waters 2998 ， USA ）和自动进样器（Waters 2707，USA）。流动相为10 mmol L-1乙酸钠溶液（在测量之前，将流动相设定为2 mL min-1的流速以纯化柱。基线稳定后，运行样品以获得准确的结果。根据使用适当标准品溶液获得的校准数据获得MW曲线。所有样品在仪器分析之前通过0.22μ m过滤器为了测量生物膜中的有机物，测量约0.25cm2的切割每个生物膜，并在5mL离心管中用2mL的1%磷酸盐缓冲溶液溶解。在80 °C水浴中加热20分钟之前，将混合物涡旋约2小时。此后，转移1.5 mL混合物取上清液，加入新的无菌2 mL离心管中，10000 rmin-1离心2 min，收集上清液进行测定。选择每个生物膜的相同面积的三个样品用于HPSEC测量。2.3. 原水、滤液和生物膜用Hitachi F-4600荧光分光光度计（日本）进行激发-发射矩阵（EEM）荧光光谱，以研究原水、滤液和生物膜中蛋白质或腐殖酸样物质的存在。激发（Ex）波长在200-450 nm的范围内，发射（Em）波长在250 - 550 nm之间，并且在两种情况下带通均为5 nm。为了减少来自颗粒的干扰，在EEM分析之前，使用0.45μm针式过滤器过滤水样品。此外，使用MATLAB软件进行并行因子（PARAFAC）分析。L. 张丽Xu，N.Graham等工程15（2022）154156··××·-2.4. 滤液中亲水性和疏水性有机物的表征通过使用Superlite DAX-8树脂（Supelco，USA）和AmberliteXAD-4（Rohm and Hass，USA）分离并分级为三组：强疏水性物质（被DAX-8吸附）、弱疏水性（或透亲性）物质（被XAD-4吸附）和亲水性物质（透过DAX-8和XAD-4树脂），分析了膜中的亲水性和疏水性有机物质。在分析之前，将树脂用甲醇和去离子水洗涤数次以确保它们不含有机物质，如DOC测量所示。将样品水的pH调节至2.0，然后通过DAX-8树脂（以5 mL min-1的速率），然后通过XAD-4吸收柱（以15 mL min-1）。根据DAX-8和XAD-4树脂前后的DOC值，确定三种不同组分的浓度使用总有机碳分析仪（TOC-V，Shimadzu，Japan）测定DOC值2.5.生物膜zeta电位和接触角的测定使用电固体表面分析仪（SurPASS 3，Anton Paar，Austria）测量生物膜的ζ电位，并使用接触角计（Dataphysics，Germany）测定生物膜的接触角。对于后者，选择五个随机位置进行测量，并连续记录值超过200 s。2.6. 生物膜的扫描电镜和原子力显微镜分析通过冷冻干燥和在表面上喷涂金属来制备用于SEM（S- 4800，Hitachi）分析的生物膜和膜的样品此后，从表面和横截面上取下图像以揭示生物膜的三维（3D）形态。为了阐明生物膜粗糙度和物质的分布模式，进行AFM分析。具体地，使用具有ScanAsyst空气尖端的PeakForce Tapping模式的BrukerDimensionIconScanAsyst （ FASTSCANBIO ， Bruker ，Germany）获得三种生物膜的AFM显微照片。 以0.1-0.3 Hz范围内的扫描速率和8 - 15 nN之间的峰值力设定点采集扫描（10l m 10lm）。在数据不确定的情况下，捕获并检查跟踪和回扫扫描。此后，使用NanoScope分析软件1.8使每个图像变平并清洁以去除扫描缺陷。此外，使用相同的软件进行颗粒分析，并使用Origin 2018软件（Elec-tronic Arts Inc.，美国）。2.7. 生物膜的傅里叶变换红外（FTIR）光谱测试为了鉴定生物膜中的特定官能团，进行FTIR（Spectrum Two，PerkinElmer，USA）分析。此外，进行FTIR绘图（Spotlight 400）以视觉显示生物膜中的物质。在所有情况下（三种生物膜）生物膜样品的长度和宽度设定为500μm，空间分辨率为6.25μ m6.25lm.以反映综合生物膜中物质的分布，每个生物膜捕获至少三个图像。2.8. 生物膜的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像然后使用双面胶带粘贴到玻璃盖玻片上。 染色在一个黑暗环境101g·mL-1异硫氰酸荧光素（FITC，二氨基-2-苯基吲哚（DAPI;对每个生物膜进行间歇染色和冲洗，染色程序持续30分钟，然后用磷酸盐缓冲液冲洗;重复数次。通过CLSM（TCSSP 5，Leica，Germany）观察盖玻片上蛋白质、多糖和eDNA的存在[31使用具有相应Ex和Em波长的三个使用ImageJ软件（USA）处理通过CLSM获得的z2.9. 分子实验与生物信息学分析应用高通量测序技术提供关于生物膜中细菌群落的详细信息选择16S核糖体RNA（rRNA）V4区域作为扩增子，认为其在结构域和门水平上产生最大的多样性[35]。使用蛋白酶K和基于十二烷基硫酸钠的裂解[36]，从面积约为6.25 cm2的生物膜中提取DNA，并根据制造商 的 方 案 用 DNA Clean and Concentrator-25 Kit （ ZymoResearch，USA）纯化此后，通过紫外（UV）光谱法在230、260和280 nm波长下评价DNA质量（吸光度：260 nm/280 nm，~ 1.8;260 nm/230 nm，> 1.8），使用NanoDrop-1000分光光度计检测（NanoDrop Technologies，USA），并通过0.8%琼脂糖凝胶电泳评估DNA完整性。最后，将整个DNA储存在20°C下直到聚合酶链式反应（PCR）扩增。用通用引物扩增16SrRNAV4区域，含有正向引物515 F（50-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-30）和反向引物806 R（50-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-30）[35]。添加条形码以区分不同的样品，并使用具有GC缓冲液的高保真PCR主混合物（NewEngland Biolabs，USA）进行扩增。经过一系列在反应[37]中，产生PCR产物;因此，将一式三份PCR产物合并并使用1%琼脂糖凝胶电泳可视化。此外，用GeneJET PCR纯化试剂盒（Thermo Scientific ，USA ） 纯 化 PCR 产 物 ， 使 用 Qubit dsDNA HS 测 定 试 剂 盒（Invitrogen，USA）定量，并以等摩尔浓度合并用于随后的测序。使用Ion Plus Fragment Library Kit 48 rxns（Ion Torrent，USA）制备样品文库，并在Novogene Bioinformatics Institute使用单端方法用Ion S5TMXL测序仪（Thermo Scientific）测序。此后，将正向和反向读段连接并基于条形码分配给不同的样品。修剪每个读段结束时的引物序列和条形码。丢弃具有不明确碱基、长度小于100 bp或平均质量评分小于20的任何连接序列。与参考数据集（Greengenes数据库y）[38]相比，从干净序列中删除嵌合序列。只有有效序列用于进一步分析。因此，使用UPARSE流水线[39]以97%核苷酸相似性的截止值将序列聚类为操作分类单位（OTU），并使用核糖体数据库项目分类器以0.8的置信阈值对每个OTU的代表性序列进行分类学分类[40]。新鲜的生物膜与膜固定用2.5%甲醛，从过滤系统中取出后立即排出，yhttp://greengenes.secondgenome.com。L. 张丽Xu，N.Graham等工程15（2022）154157······---代表性序列是具有最高频率的那些。采用Greengenes数据库进行分类分配，该数据库具有预期的物种级别的分类类别。 将每个样品中的序列号标准化为在随后的比较分析中使用的相同深度（每个样品70 301个序列）。将原始测序读段以登录号PRJNA692793保藏在国家生物技术信息中心（NCBI）序列读段档案（SRA）数据库中。采用分子进化遗传学分析（MEGA）中的邻接法（NJ）构建系统发育树6.0[41]，基于每个OTU的代表性序列，其中使用Kimura双参数（K2P）距离模型来测量OTU的遗传分化，并进行了数千次bootstrap试验。使用交互式生命树在线工具补充了许多信息，例如OTU的数量、每个OTU的读数、每个分类单元的分布以及每个分类单元中OTU的比例[42]。用Rv3.5.2绘制了物种丰富度和多度的文氏图和圆形图.条形图显示了不同样品和生物多样性指数（例如，例如，在一个实施例中，Shannon索引、Chao1索引和ACE索引）在Origin 2018中完成。3. 结果3.1. Physico–chemical properties of biofilms in GDM自来水-PVDF系统的初始渗透通量基本上大于其他两个系统的初始渗透通量（图1）。1（a））。对于后者，初始通量是非常相似的，但是，它是略大于湖水PES系统。在所有情况下，通量作为过滤时间的函数下降，尽管在第20天逐渐达到接近稳定的条件，与在恒定压力下观察到的其他结果一致[5，11]。然而，在稳定条件下，观察到湖水-PVDF（1.23 L m-2 h-1）和湖水-PES（1.24L m-2 h-1）系统的渗透通量略大于自来水-PVDF（1.10 L m-2 h-1）系统，与操作开始时的相应值形成结果表明，膜通量与膜的亲水/疏水性无关，但可能受原水的影响，加氯水的通量低于地表水。然而，积累的生物膜是强疏水性的，如接触角所示（图1）。 1（b）），这是无关的水处理工艺，表明生物膜的一般性。此外，可以观察到，所有生物膜中有机物的MW主要在1至100 kDa的范围内（图1）。 1（c）），与湖水生物膜（湖水-PVDF和湖水-PES）相比，氯化水生物膜（自来水-PVDF）中的值相对较高;因此，氯化水生物膜中存在更多的有机物。在相同孔径的膜和自来水中有机物较少的情况下，加氯水生物膜中微生物分泌EPS的能力较强是有机物积累较多的主要原因此外，自来水生物膜的负zeta电位（（24.50 ± 2.89）mV）小于湖水生物膜（分别为（29.83 ± 2.78）和（29.27 ± 2.44）mV）（图1（d）），这意味着自来水系统中的生物膜比湖水系统中的生物膜更容易（更低的静电排斥）与物质接触并被生物膜保留;这可能是有机物含量更高的原因图1.一、生物膜的过滤性能和（a）运行期间（32天）渗透通量的变化（b）生物膜接触角随时间（≤180 s）的初始变化(c)用氢氧化钠处理的每个生物膜中有机物的MW分布。(d)每个生物膜的表面zeta电位。(e)总有机碳（TOC）表示的水体中有机物的亲水/疏水成分（b）-（e）中所示的结果L. 张丽Xu，N.Graham等工程15（2022）154158在前生物膜中。在不同膜上形成的湖水生物膜的zeta电位值相近。对于膜过滤器，所有过滤器中超过50%的有机物是强疏水的（图1（e）），而两个湖水系统之间的疏水/亲水物质的比例没有实质性差异，这也表明膜的亲水/疏水作用有限，特别是对于长期运行的系统。3.2. 生物污损层的形态结构自来水-PVDF系统中的生物膜结构看起来很致密，物质聚集在一起，它们之间的空间有限（图2（a））。与此相反，湖水生物膜的形态，如图1和图2所示。 2（b）和（c）中的生物膜与自来水-PVDF体系中的生物膜明显不同，形成多孔和“蜘蛛网”结构。生物膜覆盖-自来水-PVDF体系中的生物膜厚度（12.8lm）大于其它两种体系中的生物膜厚度（湖水-PVDF体系为5.8lm湖水-PES系统为8.8 l m;图 2（d）-（f））。这些观察结果结果表明，原水中的有机物可能不是膜污染的唯一关键因素（自来水中有机物含量较低，湖水中有机物含量较高），自来水中有机物含量较高时，膜污染更为严重相比之下，被膜保留的细菌此外，据推测，被膜拦截的细菌实质上影响所形成的生物膜的结构，如自来水和湖水过滤系统之间的生物膜形态的显著差异所证明的。3.3. 生物膜的颗粒和官能团分析在自来水生物膜中观察到钝形颗粒，这与湖水生物膜中的尖形颗粒形成对比，如3D显微照片所示（图1B）。 3）。此外，颗粒分析表明，自来水生物膜中存在更广泛的颗粒分布，范围为140至350 nm（频率> 0.2）（附录A图 S2），而湖水-PVDF生物膜和湖水-PES生物膜的相应范围分别为85-此外，自来水- PVDF生物膜的生物膜粗糙度（（71.7 ± 1.3）nm）大于湖水生物膜（湖水-PVDF生物膜为（54.2 ± 1.2）nm;湖水-PES生物膜为（32.2 ± 0.9）nm;附录A表S2）。这些结果进一步揭示了生物膜中物质的大小和形态，并表明氯预处理对膜污染的不利影响，自来水生物膜中的颗粒比湖水生物膜中的颗粒更大、更在官能团中，根据FTIR图谱的图像（图1和图2），3（c），（g）和（k））和相应的光谱（图图3（d）、（h）和（l））中，三种主要组分存在于每种生物膜中，如以不同颜色显示的。物质1主要见于显微照片，其次是物质2和3，如不同颜色的频率所示。此外，物质1在湖水-PVDF和湖水-PES生物膜中的光谱相似，表明类似物质被微生物保留或分泌。在所有生物膜中均观察到酰胺I（1640 cm-1）、酰胺II（1528cm-1）和酰胺III（1392 cm-1）[43-此外，在1052 cm-1处存在此外，当比较PVDF/PES污染（无生物膜）和清洁条件下的膜（附录A图 S3），在几个吸收带中观察到显著变化。污染的PVDF膜在1651 cm-1处有强烈的吸收，这是由于酰胺I的伸缩振动，表明该蛋白质存在于膜中在PES膜中，O-H（伸缩振动）和-CH 2 -的吸收在清洁膜中明显强于污染膜（附录A图S3（b）），表明粘附在PES膜上的物质与吸收带的位置重叠，截留或排泄物质的存在决定了图二、不同重力驱动过滤系统的生物膜的SEM图像（插图是每个生物膜的初始图片，比例尺表示500μ m。外部照片是红框区域的放大图像;比例尺从（a）到（c）表示1，100和100l(d)- （f）L. 张丽Xu，N.Graham等工程15（2022）154159图3.第三章。自来水和湖水过滤过程中生物膜的原位AFM图像和FTIR光谱（a）、（e）和（i）中的图是经由AFM的每个生物膜的3D结构(b)（f）和（j）是指生物膜的表面形态;比例尺= 1μ m。(c)（g）和（k）是三种生物膜的原位红外显微镜图像;比例尺= 100μ m。（d）、（h）和（l）表示（c）、（g）和（k）中的十字标记的相应FTIR光谱上图、中图和下图分别表示自来水-PVDF、湖水-PVDF和湖水-PES的样品。 m：伸缩振动; as：不对称; s：对称。3.4. 生物膜基质组分多糖（红色）在三种生物膜中比蛋白质（绿色）和eDNA（蓝色）更丰富; 4（a）-（c），附录A电影S1-S3），如每种颜色的荧光强度所示。大量的多糖和eDNA存在于自来水-PVDF系统的生物膜密度较大，且其生物膜量相对较大相比之下，相对较少的蛋白质是明显的，大概是因为存在的细菌种类的类型（较低的蛋白质排泄）。如前所述，在湖泊水系统中积累的生物膜具有松散的结构结合SEM结果，见图4。用FITC染色的生物膜的共聚焦激光扫描显微照片（绿色），用ConA染色的多糖（红色），和用DAPI染色的eDNA（蓝色）。(a)- （c）每个生物膜的图像是从顶部（分别是自来水-PVDF、湖水-PVDF和湖水-PES）捕获的。(d)–(f) Distribution patterns of the three components 每张图片都是通过在z轴上扫描生物膜获得的一系列显微照片的堆叠合成代表10个记录的地点。比例尺= 50μ m。L. 张丽Xu，N.Graham等工程15（2022）154160很明显，厚的自来水生物膜主要是由于多糖的存在，多糖是膜过滤性能的重要影响因素。此外，我们发现蛋白质主要位于生物膜的底部，而多糖和eDNA主要见于生物膜层的上部（图1A和1B）。4（d）-（f））。这些组分的空间测定表明，蛋白质直接连接到膜表面，这与膜的FTIR分析结果一致。3.5. 生物膜中细菌群落的解剖根据基于OTU序列的系统发育树（图1）， 5（a）），从三种生物膜样品中门水平的高通量测序数据获得约20个分类群。变形菌门的OTU数量最多，其次是拟杆菌门和浮游菌门。就相对丰度而言（图5（b）），一个简单的条形图显示变形菌门、拟杆菌门和浮游菌门在三种生物膜中占据主要地位变形菌所占比例大于50%，表明其在生物膜中的重要性具体而言，变形菌和拟杆菌的比例显着高于自来水生物膜比在相比之下，两种湖水生物膜的细菌群落在门水平上是相似的，如通过变形菌门（湖水-PVDF和湖水-PES分别为48.54%和48.19%）、拟杆菌门（8.90%和8.06%）、浮游菌门（25.87%和30.26%）、放线菌门（5.15%和4.76%）和衣原体门（3.18%和3.12%）的相似相对丰度所证明的。此外，根据维恩图（图5（c）），在所有三种生物膜中总共存在251个OTU，并且在两种湖水生物膜中观察到641个OTU的重叠，这也证实了膜疏水性/亲水性对生物膜细菌群落的有限影响。 与变形菌门、拟杆菌门和浮游菌门三门的物种的丰富度和丰度相关的详细信息提供在图1A和1B中。附录A中的S4和S5以及补充材料和方法。根据以前的研究，20个最丰富的属asso-用OTU和读数进行引用，检查较小的分类群（属）。在OTU（图6（a））中，丰富度的一个基本指标芽生菌属、浮游菌属和前囊菌属在所有生物膜中占最高值，而红游动菌属、红细菌属和假单胞菌属是最不多样的。此外，同一种属的不同生物膜也存在差异。例如，Aquicella在湖水生物膜中占据较高的OTU;然而，它在自来水生物膜中较低。如图6（b）所示，它代表了物种的丰度，数量从1（e. 例如，在一个实施例中，Kaistia和Polynucleotide（自来水-PVDF））至20133（黄原胶（自来水-PVDF））。黄原胶可以产生大量的粘液[48]，其也被因此，自来水过滤系统中厚生物污垢层的形成被清楚地破译。此外，黄原胶的成员可以利用卤代烷烃作为其唯一的碳源，并与氯化脂肪族和氯代芳香族化合物进行脱卤[48]。因此，可以证明黄曲霉在细菌群落中占据优势地位。关于湖水生物膜，一致的变化，观察到上述属。这可能是由于作为时间的函数的膜表面上的生物膜的积累，其不利地影响膜的选择性此外，如香农指数[49]，Chao 1指数[50]和ACE指数[51]所示（附录A图。 S6），自来水生物膜中的细菌群落多样性低于湖水生物膜。图五.基于测序数据和不同过滤系统的三种生物膜中细菌的相对丰度的系统发育树。(a)所有分类学中代表序列的树形图根据K2P方法，以碱基替换的数目来衡量距离比例尺表示0.1。（b）在门一级不同生物膜中细菌的相对丰度。(c)三种生物膜中共有的OTU的维 恩 图TW.PVDF 指 自 来 水 - PVDF ， LW.PVDF 指 湖 水 -PVDF ， LW.PES 指 湖 水 -PES。3.6. 过滤系统中有机物的去除性能为了进一步研究生物膜的差异及其在过滤系统中的作用，研究了生物膜对有机物的去除性能 如通过EEM荧光光谱法所证明的，在原水和过滤水中观察到主要有两个峰（kEx/kEm = 220 -250 nm/280-330nm和kEx/kEm = 250-290 nm/280-330 nm）（图1A和1B）。 7（a）-（c））。根据传统的EEM“峰拾取”技术[52]，这些归因于酪氨酸样物质当比较相同过滤系统中的荧光光谱时，很明显，膜大大降低了酪氨酸样物质的强度，L. 张丽Xu，N.Graham等工程15（2022）154161图六、（a）不同生物膜中前20个属的丰富度和（b）丰度，其中圆圈的大小表示每个参数的值，不同的颜色表示不同的生物膜。附着的生物膜，无论给水和膜的类型。此外，通过PARAFAC分析[53，54]将有机物的荧光信号分解为潜在的个体荧光现象，以量化和追踪不同有机组分的变化[55]，其化学上独立但光谱重叠。结果表明，在自来水-PVDF体系中，原水和过滤水的荧光物质不能进一步分解，表明酪氨酸类物质是独立的，不受其他组分的光谱影响。相比之下，在两个湖水系统的所有样品中，有机物被分解为三种组分，包括酪氨酸、富里酸和腐殖酸样物质（附录A和图2）。S7和S8），通过用Open-Fluor数据库y进行搜索，该数据库包含已发表的PARAFAC结果的大型库。很明显，尽管荧光强度变化，但水中荧光物质的种类不被过滤系统改变。因此，与流入水中的酪氨酸样物质相比，过滤水中的酪氨酸样物质明显减少，而其他两种组分的强度几乎没有变化，表明去除的荧光物质是酪氨酸样物质。此外，如通过HPSEC测量的（图 7（d）-（f）），对于所有过滤系统，去除的有机物的MW在20-100 kDa的范围内，yhttps://openfluor.lablicate.com/。这与“生物聚合物”的存在很好地对应4. 讨论本研究主要考察了常用水（氯化水和湖水）对膜污染的影响，膜的疏水/亲水性在生物膜污染形成中的作用，以及相关的关键微生物。这涉及使用GDM UF技术的扩展实验室规模测试和生物膜的形态、理化性质、基质（EPS）和细菌群落的分析。结果表明，自来水和湖水形成的生物膜差异显著。此外，自来水过滤系统比湖水系统观察到更大程度的膜污染，如通过较低的渗透通量值和较大的生物膜厚度所证明的。在之前的研究[5]中，DOC的浓度对渗透通量稳定水平有重要影响，DOC值越大，通量越低然而，在这项研究中，发现了相反的结果，这意味着其他重要因素（例如，除DOC外，还可能涉及细菌。自来水生物膜呈现出致密的形态学，与通过添加叠氮化钠（其抑制生物活性）L. 张丽Xu，N.Graham等工程15（2022）154162见图7。不同过滤系统（自来水-PVDF、湖水-PVDF和湖水-PES）的进水和滤液中有机物的性质：（a）-（c）EEM荧光光谱，和（d）-（f）MW分布。区域I-V分别代表酪氨酸-、色氨酸-、富里酸-、可溶性微生物副产物-和腐殖酸样物质。所有分析均在实验期结束时进行。后缀“-before”和“-after”分别表示进水和滤液。[5]，表明虽然大多数细菌被杀死，但剩余的细菌可持续地排出更多的EPS，导致更紧凑的结构和严重的膜污染。相比之下，多孔的，蜘蛛网状的生物膜结构形成于湖水系统。这种显著不同的行为可以由以下两个原因来解释。首先，每种微生物都有一定的EPS，造成不同的膜污染。假设不同的细菌群落诱导不同的生物膜结构。Akhondi等人[11]表明，不同微生物的存在对生物污损形态有显著影响。Bae等人[59]还强调了细菌在生物膜形成中的关键作用。其次，EPS分布模式改变了生物膜的结构。虽然FTIR测试证实了主要成分是蛋白质、多糖和eDNAs，但这些成分的不同分布模式可能导致生物膜的独特形态。CLSM结果表明，自来水和湖水生物膜中主要组分的形状和大小存在显著差异，导致生物膜结构不同。Desmond等人[15]还提出，EPS的组成是与生物膜的物理结构相关，表明较低浓度的多糖和eDNA与生物膜物理结构的较大异质性相一致，这也通过本研究中的SEM结果得到证实。CLSM结果表明，多糖和eDNAs主要分布在生物膜层的上部，而蛋白质主要分布在生物膜层的底部，两者之间没有明显的联系与所用的进水和膜的类型有关。据信，这是第一项提供三种主要EPS组分的空间信息的研究，这有助于了解它们在生物膜层内执行的功能。多糖和eDNA为细菌提供了抵御不利外部因素的庇护所。而蛋白质由于其丰富的功能基团，可以与生物膜的活性层紧密结合，从而促进细菌在膜表面的生长，确保生物膜的形成。当探索生物膜细菌群落时，可以观察到黄曲霉是自来水生物膜中的优势类群，其可以产生大量的粘液（EPS）[48]。此外，据报道，L. 张丽Xu，N.Graham等工程15（2022）154163以卤代烷和卤代羧酸为食[60，61]。它们可以产生卤代烷烃脱卤酶以从卤化化学品中释放氯[61]。因此，不难理解自来水生物膜中极高丰度的黄原胶此外，这些不能被氯去除的细菌可以在生物污损中产生强大的力量，并且具有重要意义。然而，由于自来水来源（地表水或地下水）、所采用的测序技术（Illumina[62]或454焦磷酸测序技术[63]）以及最小的分类单元（门[63]、科[64]或属[65]）的限制，先前的研究尚未提供关于自来水中黄嘌呤的足够信息此外，由于本研究中测序样本数量有限，实验组比较未用于统计分析。然而，根据细菌组成分析的结果，在不同的生物膜中的关键类群得到。膜的疏水性/亲水性在影响生物污损性能中起次要作用，如通过SEM图像、zeta电位、官能团和CLSM图像的结果所验证的。这是因为累积的生物膜覆盖了膜的活性此外，随着生物膜的成熟，其性能逐渐受进水水质的影响.总之，本实验研究揭示了氯化水对膜污染和由此产生的生物污染特性的影响，并暴露了一些细菌驱动的生物膜积累机制。我们相信，这项研究提供了一个更好的理解的关键作用，耐氯细菌在生物污染形成的生态角度，并将大大有助于未来的改进，在控制膜污染。5. 结论在这项研究中，我们发现在氯化水（自来水）的过滤过程中比未经处理的地表水（湖水）更大的膜污染自来水生物膜的形态致密;相反，湖水生物膜中发现了多孔的蜘蛛状结构，这与微生物群落密切相关。基于16S rRNA测序结果，黄曲霉是自来水生物膜中的优势类群。此外，自来水生物膜中多糖和eDNA的含量高于湖水生物膜，表明多糖和eDNA在膜污染中起着关键作用然而，膜的疏水性/亲水性在影响膜污染特性和微生物群落方面仅起次要作用此外，本研究首次发现了主要基质组分在垂直方向上的分布规律，蛋白质主要分布在生物膜的下部，多糖和eDNA主要分布在生物膜的上部，这对理解它们在生物膜维持中的作用具有重要意义。致谢本 研 究 得 到 了 中 国 科 学 技 术 部 重 点 研 究 发 展 计 划（2019YFD1100104和2019YFC1906501）的资助。遵守道德操守准则Li Zhang、Lei Xu、Nigel Graham和Wenzheng Yu声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。附录A.补充数据本文的补充数据可在https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.03.016上找到。引用[1] MekonnenMM，Hoekstra AY. 40亿人面临严重缺水。Sci Adv 2016;2（2）：e1500323。[2] 杨伟东，王晓刚，王晓刚.物理结构决定了重力驱动膜超滤过程中膜生物膜的压缩性。水研究2018;143：539-49。[3] [10] 杨 晓 ， 李 晓 . 重 力 驱 动 的 使 用 点 饮 用 水 处 理 系 统 中 的 污 垢 。 Chem EngJ2017;319：89-97.[4] GaoW，Liang H，Ma J，Han M，Chen ZL，Han ZS，et al. 饮用水超滤技术中膜污染控制的研究进展。 脱盐2011;272（1-3）：1-8.[5] Peter-VarbanetsM，Hammes F，Vital M，Pronk W. 死端超低压超滤过程中通量的稳定。Water Res2010;44（12）：3607-16.[6] [10] Peter Varbanets M，Margot J，Traber J，Pronk W.超低压超滤过程中膜污染的机理。《科学杂志》2011;377（1- 2）：42-53。[7] 丁安，王杰，林东，唐X，程X，李刚，等. 重力驱动膜生物反应器分散式污水处理中原位混凝与预混凝：渗透稳定、污染层形成与生物活性。水研究2017;126：197-207。[8] 丁安，梁华，李刚，Szivak I，Traber J，P
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