水利工程中的生物膜研究进展

第5卷第7期2010年7月563水利工程中的生物膜研究进展尚倩倩，方红卫，何国建（清华大学水利水电工程系，水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084）摘要：首先介绍生物膜的基本性质和力学性质，然后分析和综述国内外在咸水淡水水域中研究生物膜对床面形貌和泥沙力学特性影响的相关研究，并对生物膜模型的发展进程进行概括，在此基础上，结合生物膜在水利工程中的研究现状，探讨了今后的研究方向。生物膜的生长能够形成相对光滑的表面提高床面稳定性；另一方面受生物膜在颗粒间黏结力的影响形成的生物絮体其起动和沉降等力学特性都会发生改变。虽然大多数研究主要集中在咸水区域，但是近年来由于淡水环境的营养物质过剩为生物膜的生长提供有利条件，淡水区域的研究呈现逐步增多的趋势，咸淡水中生物膜影响的差异以及生物膜模型的深入探讨是未来研究的重点。关键词：生物膜；床面稳定性；有机絮凝；生物膜模型中图分类号：TV142文献标志码：A文章编号：1673－7180(2010)07－0563－6ReviewonbiofilmresearchrelatedtohydraulicengineeringShangQianqian，FangHongwei，HeGuojian(DepartmentofHydraulicEngineering,StateKeyLaboratoryofHydroscienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Thebasiccharacteristicsandmechanicalpropertiesofbiofilmarepresentedatfirst,thenthestudiesofbiofilmeffectsonbedmorphologyandmechanicalcharacteristicsarereviewedandanalyzed.Meanwhile,thedevelopmentofthemathematicalmodel,whichisusedasanimportantcognitionandpracticalapplicationtool,isreviewed.Atlast,somesuggestionsaremadeforstudiesinthefuture.Thecolonizationofbiofilmcanformarelativelysmoothsurfaceresultinginhigherstability.Besides,thebiofilmadhesiveforceleadstolargeaggregations,whichchangestheincipientandsettlingmechanics.Researchesaremostlytakeninmarinearea,butstudiesaregraduallyincreasinginfreshwaterenvironmentbecauseofthepollutionstress.Thevariancesindifferentaquaticsystemsandthebiofilmmodelingarethetrendsoffutureresearch.Keywords:biofilm；sedimentstability；organic-flocculation；biofilmmodeling近年来由于社会经济的快速发展，生活和生产过程中向水体排放了众多的污染物质，大量的营养物、重金属等富集在水体中，导致水质恶化、水体的物理化学和生物特性发生改变，对水体中物质的迁移转化、泥沙底质和絮体形成等过程都产生了重要影响，这些情况促使水利工程与生态环境等学科的相互交叉研究并成为其发展的一个趋势。在营养丰富的条件下，泥沙颗粒和各种固体表面上吸附的大量营养物质为微生物在其表面吸附成膜提供了有利条件。海洋、河流、湖泊等水环境中的固体表面都有以生物膜形式存在的微生物，由于生物膜的广泛存在，随着人们对生物膜了解的日趋深入，生物膜在水利工程领域中的影响日益得到广泛的关注和研究。生物膜的影响主要表现在物质的迁移转化、有机絮体、床面稳定性和对水体其他基底面的覆盖侵蚀等几个方面。在天然水体中，生物膜在基底表面的形成会强烈收稿日期：2010-06-25基金项目：国家自然科学基金资助项目(10902061)；国家重大专项“水专项”资助项目(2008ZX07209)作者简介：尚倩倩(1984－)，女，博士研究生，主要研究方向：生物膜生长后泥沙物理特性通信联系人：方红卫，教授，主要研究方向：河流与海岸动力学、水环境与水生态，[e-mail]中国科技论文在线SCIENCEPAPERONLINE第5卷第7期2010年7月564中国科技论文在线SCIENCEPAPERONLINE地改变矿物颗粒的吸附特性，进而影响水体污染物的迁移[1]，研究生物膜形成后矿物颗粒的吸附特性是水环境生态的一个重要研究方向。生物膜对絮体形成也有显著的影响，1963年Riley在美国长岛海峡发现了淡黄色的由细菌淤泥颗粒，有时还有藻类组成的天然有机絮凝体，其后泥沙领域的注意力开始集中到有机絮凝体的研究上[2]，微生物的生命活动通过影响水体中絮体的形成和结构最终影响絮体的沉降等特性。同时，生物膜在基底上大量生长会改变河流湖泊以及海洋中泥沙的形貌和结构进而改变泥沙底质的运动特性影响床面稳定性[3-11]。此外，工程中常用的各种水下测量仪器和管道，如输水管线和金属设备等也经常因受到生物膜的附着和侵蚀而加速设备的腐蚀老化，造成经济损失。因此，探讨生物膜在固液界面上的作用规律，研究生物膜对泥沙颗粒的形貌、运动特性等造成的影响，对于深入了解水环境中物质的迁移转化规律，认识生物膜的环境效应，以及对水利学科的发展都具有重要的理论和实际意义。1生物膜性质1.1概念水体中大多数微生物以附着状态而不是游离状态存在，微生物附着在固体表面就形成了生物膜[12]。直观地说，在水环境中，微生物在适宜的载体表面牢固附着，并在其上生长和繁殖，由细胞内向外延伸的胞外聚合物使微生物细胞形成纤维状的缠结结构，称为生物膜。从环境微生物角度看，生物膜是一种活跃的生长发育着的单一或者混合的微生物群体，其不可逆的附着到一种活性的或非活性的表面[13]。形成生物膜的微生物包括细菌、真菌、藻类和原生动物等，在膜的表面和内部生长并繁殖着大量的微生物。天然水体中的生物膜由于环境条件的复杂性和多样性，除了微生物和胞外聚合物，还有天然有机质和共存的矿物质等，因此有些学者又称之为‘surfacecoating’。1.2基本性质生物膜普遍存在于自然界水环境和各类工业环境中，其中自然界中最常见的细菌就主要以生物膜形式生存，生物膜广泛存在于河流、湖泊、湿地环境中的岩石、表层沉积物以及船舶、管道等表面上，并由地球上各种微生物组成[14]。生物膜的化学组成主要有金属氧化物、有机质和少量矿物质。其中金属氧化物主要组分为铁、锰、铝氧化物，其来源于水体化学氧化过程和微生物的氧化过程[12]。就有机质而言，除了微生物自身的有机质外，其分泌的胞外聚合物(EPS)也包含诸多的有机质，主要成分是糖蛋白、多糖和蛋白质等[15]。从结构上来讲，生物膜由固相、空隙空间和液相组成的开放系统，具有多相性和各向异质的空间特性[16]，其中液相能够在空隙中运动并进行传质活动。虽然不同水体中形成的生物膜的化学物质有较大差异[2]，但从组成上而言，水分占整个生物膜湿重的85％~95％，胞外聚合物(EPS)占整个湿重的1％~2％[14]，成为组成生物膜的两大部分。EPS是微生物生长过程中的分泌物，并将大部分生物包裹在内。这样一个特殊的组成和结构有着独特的性质，对水环境中物质的合成、聚结、转化和降解等方面有着重要的作用。由于生物膜的生长是微生物同环境相互作用的结果，因此生物膜的形成和特征受到各种环境因素的制约，这些因素包括基底类型、营养水平、光照和水文条件等[1]。生物膜是生命活动的结果，能够形成一个开放的动力学系统，其形成和组分处于动态的变化中，水环境中各种物质在生物膜上不断地进行合成、聚结、转化和降解等作用。生物膜对水体环境中污染物质的迁移起着重要作用，由胞外聚合物组成的多孔和多通道的结构，利于物质在生物膜内部的输送。物质在生物膜表面和内部的吸附作用分为物质快速在表面聚集、表面聚集饱和和向生物膜内部扩散几个阶段[17]。自然界中的生物膜的结构具有多物种的特性，尽管实验室试验中常培养单一菌种的生物膜进行研究，但是天然情况下的生物膜多是由多种微生物共同组成的，组成的多样性也造成了生物膜结构的多层次性和复杂性。由于其各向异质性和复杂的结构，纵然是在同一基底上生长的生物膜各处的性质也不尽相同。生物膜具有一定的厚度，研究表明不同深度处的膜密度也不一样，从基底向生物膜表面密度呈减小趋势[18]。但是一般提到的生物膜密度指的是生物膜平均干密度，即生物膜单位面积的生物膜干重除以相应的生物膜膜厚。生物膜密度取决于其种群特性和环境条件，有研究表明生物膜密度在生长期较大(105mg/cm3)，到达临界厚度后相对稳定在一个低值(25~30mg/cm3)[19]，也可低至13mg/cm3[20]，一般取值为25~30mg/cm3[21]。一般测量在已知面积的平板上进行，这样直接测量生物膜厚度和质量后就可直接得到生物膜的密度。生物膜的湿密度的研究报道各不相同，但由于水分在生物膜中所占的比例非常高，因此生物膜的湿密度通常认为和水密度相当[22-24]。1.3力学特性研究生物膜的普遍存在性使其具有重要的研究和应用价值，生物膜生长对泥沙起动和絮体形成的影响、基底第5卷第7期2010年7月565表面生物膜的去除等都需要考虑生物膜自身的力学性质的影响，因此生物膜的力学特性研究具有重要意义。生物膜的黏附强度通常通过测定其能够承受的张力和剪应力来度量。研究表明生物膜的强度随时间而变化，生物膜附着强度在其生长阶段初期较高，而在后期随着生物膜的成熟和老化强度会急剧下降[25-26]。当生物膜生长到一定程度沿着生物膜的深度方向，观察到基底的表面是黏附最弱的位置。有实验测得生物膜附着强度剪应力比张力大2个量级，所以张力比剪应力更易于使生物膜剥落，也表明生物膜的抗剪能力强于抗拉能力[25]。在特定的环境中，长期来看，生物膜处在一个相对稳定的状态，生物膜的生长与各种消耗相互平衡，生物膜物质的损失主要是由各种物理过程导致的，例如流体通过冲刷侵蚀作用引起生物膜物质的输移和脱离等。水文条件中的流速是形成不同生物膜的影响因素之一，也是影响生物膜力学性质的因素[27]。水体中，高流速水流中由于较强的黏附、较高的剪应力以及胞外多糖聚合物的较高产量，使生物膜形成薄而密实的单层结构，有更强的黏着力并能够承受更高的剪应力[27-28]。研究表明生物膜和凝胶物质类似。在早期的生物膜特性研究中，通常将培养好的生物膜直接取出进行试验，但是鉴于生物膜尺寸很小并且具有柔韧性因此在操作时难度很大，并且将生物膜完全从基底上取下会破坏其整体完整性。鉴于此Stoodley等[29]使用显微镜在不干扰生物膜的情况下观察了在流体剪切力作用下独立的生物膜组织的变化情况，并测量了剪切力作用下生物膜的应力－应变关系以及蠕变特性，Klapper等通过实验观察发现生物膜在水流冲刷的外力作用过程中呈现出黏弹性流体的特性[30]。这些试验都观察到生物膜有着非牛顿流体的性质，在低流速下呈现出弹性固体的性质，在水流的剪切作用下生物膜发生变形，当流速不断减小时生物膜又会缓慢恢复到初始状态；但是当流速超过一定的数值，生物膜呈现出黏性流体的性质，在水流剪切力的作用下被拉长并变得扁平，这一阶段发生的变形不能完全恢复；流速继续加大，则部分生物膜会脱离基底。2生物膜影响研究泥沙的侵蚀、输移、沉积以及污染物的吸附解析，是当下河流和海洋区域综合治理的重要问题。传统研究认为物理－化学条件是影响泥沙性质最重要的因