基于同步辐射软X射线成像技术的废水处理生物膜空间结构无损三维重构研究

The biofilm in wastewater treatment system is not homogeneous, and the spatial structures importantly influence the transfer and diffusion of internal substrates in biofilm. Meanwhile, the formation and evolution of biofilm spatial structure are also affected by many environmental impact factors. The features of biofilm spatial structure, and their functions and roles in wastewater treatment system are the worth scientific issues to explore. To solve these problems, the most important thing is to characterize the three-dimensionally spatial structure of biofilm. However, the existing methods cannot nondestructively analyze the aqueous biofilm samples. In this project, the synchrotron radiation soft X-ray imaging technique will be used to nondestructively reconstruct the three-dimensionally spatial structure of biofilm. The main researches are including: development of methods for characterizing micro-structure of the biofilm by using synchrotron radiation soft X-ray technique; the analysis of the characteristics of biofilm microscopic spatial structure; the impact factors of biofilm spatial structures.

废水处理生物膜是非均质的，且它的空间结构对生物膜的内部物质的迁移和扩散有着重要的影响。同时，生物膜内部空间结构的形成与演化受到了多种环境因素的影响。生物膜空间结构的特征，及其在废水处理中的功能与作用是值得探索的科学问题，要解决这些问题，最重要的是表征生物膜的三维空间结构。但是，现有的研究方法均无法做到含水生物膜样品的无损分析。本项目提出利用同步辐射软X射线三维成像技术对生物膜内部微观空间结构进行无损三维重构。主要研究内容为：基于同步辐射软X射线成像的含水生物膜样品的微观成像方法构建研究；生物膜微观空间结构特征解析；生物膜内部空间结构的影响因素研究。

废水处理生物膜的空间结构对生物膜内物质的迁移和扩散有着重要的影响。同时，生物膜内部空间结构的形成与演化受到了多种环境因素的影响。生物膜空间结构的特征，及其在废水处理中的功能与作用是值得探索的科学问题，要解决这些问题，最重要的是表征生物膜的三维空间结构。但是，现有的研究方法均无法做到含水生物膜样品的无损分析。本项目提出利用同步辐射软X射线三维成像技术对生物膜内部微观空间结构进行无损三维重构。本项目以厌氧氨氧化颗粒污泥作为典型的生物膜来展开研究，主要开展了以下几方面的研究：（1）厌氧氨氧化颗粒污泥样品的微观成像方法构建研究；（2）不同生长阶段厌氧氨氧化颗粒污泥微观空间结构特征解析；（3）厌氧氨氧化颗粒污泥内部空间结构的影响因素研究；（4）厌氧氨氧化细菌（单菌）微观结构解析。.通过本项目的实施，建立了一套基于同步辐射X 射线成像的针对含水厌氧氨氧化颗粒污泥样品的微观空间结构无损成像方法；实现了生物膜内部微观空间结构的解析与三维重构；定量阐明了生物膜形成外部条件对生物膜空间结构特征参数之间的对应关系；初步探明了生物膜内部空间结构的调控方法和原理。研究结果主要以论文的形式展示，共发表了中英文论文22篇。