右旋氨基酸/聚酰胺反渗透膜的构建及其抗生物污染效应解析

Biofouling is a critical issue in membrane separation process, which leads to an irreversible membrane fouling. How can we control biofouling effectively is a great challenge to the application of Reverse Osmotic (RO) membrane technology. Using biofilm manipulation technology to control the irreversible membrane fouling and alleviate the biofouling will undoubtedly be beneficial to the development of antifouling membrane. D-AAs could trigger the release of amyloid fibers which is an important kind of linker in microbial aggregate. This release could inhibit the formation of biofilm and dissemble the mature biofilm. This proposal aims to control the biofouling in RO membrane for wastewater reuse by assembling D-AAs molecules onto membrane surface. This strategy will enable us a novel antifouling membrane. After systematical evaluation the antifouling performance of this new membrane, we will elucidate the antifouling mechanisms by combined use of microscopic imaging, surface analysis, and fluorescent approaches. This project will develop new methodology for antifouling RO membrane preparation and provide theoretical and technological support for antifouling membrane development.

生物污染是导致膜不可逆污染的最关键因素，如何有效控制生物污染是反渗透技术面临的一个重大挑战。通过借鉴生物膜调控理论抑制膜表面不可逆生物污染的形成，实现控制膜生物污染目的，是发展抗污染膜的一项有益尝试。右旋氨基酸（D-AAs）能够诱发微生物聚集体结构中起着重要连接作用的淀粉纤维的释放，抑制生物膜的形成，导致成熟生物膜的解体。因此借鉴生物调控理论的学术思想，在反渗透表面有序组装D-AAs分子有望发展高效抗生物污染的反渗透膜技术。本课题针对再生水回用过程中的膜生物污染的问题，通过在反渗透膜表面组装D-AAs分子，研发一种具有抗生物污染性能的新型反渗透膜，综合利用显微成像技术、表面分析技术、与荧光成像技术，在系统评估新型膜抗污染性能的基础上，解析新型反渗透膜抗生物污染的机理。通过本课题研究，有望发展一套新型抗生物污染反渗透膜技术体系，为新型抗污染膜的研发提供一定的理论与技术支撑。

生物污染是导致膜不可逆污染的最关键因素，如何有效控制生物污染是膜技术面临的一个重大挑战。通过借鉴生物膜调控理论抑制膜表面不可逆生物污染的形成，实现控制膜生物污染目的，是发展抗污染膜的一项有益尝试。在国家自然科学基金委的支持下，本项目主要分析了右旋氨基酸种类及不同特征微生物对膜生物污染的影响规律，通过表面组装D-AAs分子构建了右旋氨基酸修饰膜，解析了右旋氨基酸修饰膜抗生物污染的热力学机制，明晰了右旋氨基酸对微生物与固体界面相互作用的影响机理，研究结果为新型抗生物污染膜的设计提供了新的思路和理论支持。项目在AIChE Journal，Chemical Engineering Journal等SCI源刊上发表SCI论文10篇，授权1项发明专利。本研究发展了一套新型抗生物污染膜技术体系，为新型抗污染膜的研发提供了一定的理论与技术支撑。具体结果如下：.（1）评估了三种不同类型D-AAs对不同细胞壁特征细菌在膜生物污染中的作用规律，明确了D-AAs的存在降低了膜上胞外多糖和蛋白质的含量，显著提高了膜的反冲洗效率，分析了三种类型D-AAs抑制不同结构细菌附着的作用机制，研究结果有助于更好地理解D-AAs物种在细菌粘附和生物膜形成中的作用，为利用D-AAs调控生物膜的形成提供了一种新的途径。.（2）通过表面组装D-AAs分子构建了右旋氨基酸修饰膜，建立了新型膜的物理化学特征和膜分离性能与右旋氨基酸修饰的内在关系，明确了一定范围内修饰的氨基酸浓度不会明显影响膜的抗污染性能，明晰了D-AAs表面改性的方法能够增强膜的抗粘附性和抗菌性能，解析了右旋氨基酸修饰膜抗生物污染的热力学机制。.（3）利用热力学方法和扩展的 DLVO 理论定量描述了微生物与固体界面之间的相互作用，明确了右旋酪氨酸导致了细菌-石英砂之间能垒的变高，抑制了细菌在多孔介质石英砂表面的不可逆粘附，一维对流扩散模型证实了右旋酪氨酸减少了细菌在反应柱中的沉降行为。借鉴右旋氨基酸抗生物污染的作用机制，研究了多肽类和多糖类生物分子对微生物黏附和生物膜形成的影响，并分析了影响膜生物污染的相关机制。