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关键词： 气道重建   隆突重建   组织工程气管   体内生物反应器  

摘要： 研究目的:本研究计划利用组织工程气管替代品,修复切除范围超过6公分,传统外科方法无法解决的大段气管缺损;以及通过实施支气管替代避免创伤较大的全肺切除。大段气道缺损的重建,尤其是在隆突受到侵犯时,在临床上仍然是一个挑战。既往生物工程隆突重建临床试验,术后存活均未超过90天。我们拟利用“体内生物反应器”技术,解决传统组织工程气管替代品所面临的感染及缓慢再血管化问题,验证其在人大段气管缺损重建术中的可行性。方法:我们开展了一项非对照的单中心临床研究,招募了三名气道肿瘤侵犯隆突患者。使用标准外科手术技术对病变进行根治性切除后,以两层脱细胞真皮基质（ADM）为可降解支架材料,外周血有核细胞（TNC）为种子细胞,构建组织工程化气管替代品修复大段气道及隆突缺损。术后根据“体内生物反应器”原理,在两层脱细胞真皮基质（ADM）插入两根Port-a-Cath导管,以及两个便携式蠕动泵,在植入的组织工程化气管内部形成持续的抗生素灌注控制感染。术后从患者外周血提取外周血有核细胞（TNC）,并通过灌注系统每周两次播种到气道替代物中,持续一个月。“体内生物反应器”技术,将传统组织工程技术中完全分离的,体外“可降解支架材料-种子细胞”三维培养,和体内替代品整合再生过程有机的结合在一起,把患者当作其自体组织工程化气管生物反应器。结果:该研究包括三名患者（平均年龄为54.7岁）。第一例患者进行了8厘米长的气管和隆突重建,第二例患者进行了6厘米长的气管,隆突和左右主支气管重建。第三例患者右主支气管和隆突重建。主要并发症包括胃瘫和肺炎。三名患者均存活超过1年,恢复正常生活,且仍在继续随访中。结论:在这项非对照的单中心临床研究中,体内生物反应器技术证明可用于长段气管,隆突和支气管的重建。但仍然需要进一步扩大样本量研究以评估疗效和安全性。

关键词： 微型生物反应器   微结构   微藻   可视化实验   计算流体力学  

摘要： 对微藻为代表的生物质能源进行高效获取和稳定增产,提升其在全球能源消费结构中的占比,已成为应对化石燃料储备不足问题的重要对策。本文在微型生物反应器内添加了多种形状和位置的微结构,通过流场分析和可视化观察,研究了微结构对微藻富集特性的影响规律,并选出富集微藻效果最好的微结构设计方式。在此基础上,设计出3种强化富集功能的微型生物反应器,通过可视化实验与计算流体力学协同分析了微型生物反应器内的微藻生长特性和营养物质降解性能。首先,将微米级方块以不同形状排列起来,添加到微型生物反应器的中心线和两侧边缘位置。对微结构周围的流场和微藻浓度场进行仿真,利用显微镜实时观察微藻的富集现象;在仿真与实验结果的基础上,深入分析微型生物反应器内的微藻富集过程,并对不同微结构对微藻富集特性的影响规律进行归纳,发现中间凹阵列是最利于富集微藻的微结构设计方式。接着,以中间凹阵列为参照设计微结构,以不同的排布方式将其添加到3个微型生物反应器(MBR-M、MBR-MM、MBR-DMM)内。通过对微藻细胞运动轨迹的模拟,发现游离态微藻细胞的运动具有随机性,这一特性使微藻存在被微结构拦截的概率,导致反应器入口到出口的游离态微藻逐渐减少;通过对各反应器流场的分析,发现3个微型生物反应器内微结构周围流场的形态差异很大;通过微藻富集实验,发现宽度较小的MBR-M内容易形成纯液相流动形态,而较宽的MBR-MM和MBR-DMM内的气体难以被完全排出。最后,对MBR-M、MBR-MM和MBR-DMM内的氮源、有机碳源浓度场进行仿真,并将异养培养基持续通入已富集一定量微藻的反应器内,以对微结构周围的微藻生长现象进行观察。同时,测量各时间段内微型生物反应器出液的硝酸根离子浓度和葡萄糖浓度,通过计算各反应器营养物质消耗总量和单位容积消耗量的比值,从宏观角度对比了各微型生物反应器内微藻的生物总量和生物密度。本文通过构建可视化实验和数值模拟协同研究体系,对微型生物反应器内的微藻富集生长特性进行了系统化分析,为生物质能源的高效获取与稳定增产提供了一种微流控视角的设计思路。该论文有图56幅,表5个,参考文献96篇。

关键词： MDCK细胞   悬浮培养   H7N9   禽流感病毒   生物反应器   TPCK-胰蛋白酶  

摘要： 我国目前流感病毒疫苗都是利用鸡胚基质生产的。然而,由于鸡胚数量的限制和鸡胚工艺扩大生产的可及性差,一旦大流感来临时,用鸡胚基质生产的流感疫苗将远远不能够满足人们需求。而以细胞基质生产流感疫苗则不受鸡胚数量的限制、质量可控、易于扩大规模,且能适用于对鸡蛋蛋白过敏的人群。MDCK细胞是当前最受关注的流感疫苗生产的细胞基质之一。细胞基质病毒性疫苗的培养常常可分为两个阶段,即细胞生长期和产毒期。为了更加高效和经济的研发可靠的疫苗生产工艺,首先设计在实验室规模利用摇床和摇瓶摸索了基本工艺并优化工艺参数。确定细胞传代的参数,按梯度密度(2×10、1.5×10、1×10、7×10和5×10cells/mL)接种细胞于细胞摇瓶,然后对比不同细胞接种密度的细胞生长曲线,同时,监测各实验组间的细胞活率、细胞代谢和细胞周期情况,结果表明在48h时,各梯度密度接种都处于细胞生长分裂的对数生长期,细胞增长最高达到了8.3×10 cells/mL;各梯度密度的细胞接种几乎都在60h生长达到平台期,多数达到了千万cells/mL的细胞密度,且各组细胞活率和代谢差异不明显。为了保证传代时细胞处于对数生长期,传代时间应为48h。在48h对这5个密度梯度取样测G1期细胞比率,发现1.5×10和7×10 cells/mL的接种G1期细胞所占比例最高,细胞生长曲线上1.5×10 cells/mL接种达到的细胞密度最高,为8.3×10 cells/mL,因此确定细胞传代的最佳条件为细胞密度为1.5×10 cells/mL,传代时间为48h。对摇床转速(160、150、140、130、120、110 rpm/min)和细胞生长期的培养温度(38、37、35、33℃)进行了梯度摸索,最终得到最佳条件是转速为130-150 rpm/min和细胞生长温度为37℃。以确定的细胞生长期为基础,进行种毒的条件(MOI、种毒时的细胞密度以及TPCK-胰酶浓度)的摸索。H7N9禽流感病毒的病毒感染复数(MOI)的梯度范围为5×10、2.5×10、5×10、10、5×10、2.5×10、1.25×10、2.5×10;TPCK-胰蛋白酶的添加梯度范围为2.5、2、1.5、1、0.5和0μg/mL;接种H7N9禽流感病毒时细胞密度的梯度选择为7×10、6×10、5×10、4×10和3×10cells/mL。逐步摸索这几个关键控制点的最优范围或数值,得到H7N9病毒产毒期最佳的参数:种毒细胞密度4×10 cells/mL,H7N9病毒接种的MOI为10,TPCK-胰蛋白酶添加量最适范围为1-1.5μg/mL,这些参数可以使H7N9禽流感病毒的血凝滴度达到1:2。确定产毒期各基本条件后,进行病毒增值曲线的绘制,发现最佳收毒时间为48h。然而此时的血凝滴度较低,因此适当的优化是极为必要的。在基本工艺参数的基础之上,本研究从营养物或添加物的使用等角度对工艺进行优化。谷氨酰胺是三羧酸循环的关键中间产物之一,适宜的添加谷氨酰胺常常有利于病毒的增殖。以上述研究确定的参数,使用谷氨酰胺添加物GlutaMax按不同的稀释浓度(1、2、4、8 mM)进行添加,未见添加GlutaMax有提升流感病毒血凝滴度的作用,说明所使用的培养基在该参数上已优化到最佳。TPCK-胰蛋白酶在添加后24h内会完全降解,因此研究定时添加TPCK胰酶(每12h添加、仅在12h添加一次和每24h添加三组)以验证其对流感病毒增殖的促进作用,未见补加TPCK-胰酶对产毒的明显影响。使用不同的商业化培养基(培养基A、B、C)配比使用,培养基A:培养基B以1:1配比使用,可以使细胞密度在48h提升2×10 cells/mL,病毒滴度不低于单独使用培养基A。在产毒期换液,每24 h一次,细胞持续生长且表达病毒,提示细胞达到了携病毒生长状态。48h将细胞用Triton-X100将细胞裂解后,培养液中病毒血凝滴度剧增,达到1:2HA units/50μL。以实验室的规模的工艺参数为基础,在7.5L生物反应器进行悬浮放大培养,对搅拌速度、pH、温度和溶氧进行摸索,确定最佳细胞生长期条件。得到细胞生长期最佳pH条件为7.0,溶氧为50%,温度为37℃,搅拌速度为7010 rpm/min。通过本文的研究,开发了基于悬浮MDCK细胞的A/H7N9禽流感病毒疫苗的高效生产工艺,为A/H7N9禽流感病毒疫苗的工业化生产奠定了基础。

关键词： 膜生物反应器   电化学强化膜分离   碳纳米管   膜污染   水处理  

摘要： 膜生物反应器(MBR)在废水处理过程中因其出水水质好,占地面积小等优势而得到了广泛的应用,但是膜污染问题限制其更加广泛的应用与推广。为从源头上实现膜污染的有效控制,提高MBR的整体使用性能,本研究以电化学强化碳纳米管中空纤维膜(CHFMs)为基本的膜分离单元,构建了电化学强化的膜生物反应器,探究电化学技术对膜污染的控制效果。研究发现负偏压强化CHFMs可排斥带有负电的污染物,使其远离膜分离单元而减缓膜污染;正偏压可直接氧化去除沉积在分离膜表面及内部的污染物;而在Fe2+存在条件下,通过在多孔碳-碳纳米管中空纤维膜上施加负偏压可原位产生羟基自由基(·OH)。·OH更高效地氧化去除了污染物,提高膜污染的控制效果。本文涉及的主要研究内容及结论如下:(1)利用湿法纺丝技术制备的CHFMs具有良好的亲水性(接触角为75.36°)、交联的网状结构。以牛血清蛋白(BSA)、腐殖酸(HA)、海藻酸钠(SA)和厌氧生物反应器上清液(SAB)为目标污染物的过滤实验中,水力清洗对CHFMs的通量恢复率分别为61.4%、80%、82.3%和58.2%,均高于对聚偏氟乙烯中空纤维膜(PVDF-HFMs)的通量恢复率(依次为39.9%、52.4%、59.2%和44.7%)。此外,经CHFMs过滤后SAB的COD浓度比对照组中低至少40 mg/L。上述结果说明,CHFMs与PVDF-HFMs相比具有更优越的抗污染和分离能力。(2)以-1.2 V偏电压强化CHFMs进行的过滤实验中,电化学强化CHFMs对BSA、SA和SAB的截留效率分别为92.1%、87.3%和56.8%,是不加电情况下的3.3、1.4和1.5倍,同时膜的通量损失率更低。在以CHFMs为基本分离单元的电化学强化的厌氧膜生物反应器(AnEMBR)内,与对照组(以PVDF-HFMs为膜分离单元)相比,跨膜压差(TMP)增长速率更低,水力清洗后膜的通量恢复率更高。同时,AnEMBR对COD的去除效率高于95%,CH4的产量比对照组提高了 111.12 mL/gVSS·d。上述结果说明,负偏压排斥了带有相同负电荷的污染物使其远离膜分离单元,缓解了膜污染,提高了出水水质。(3)以+1.0 V偏电压强化CHFMs进行的过滤实验中,电化学强化CHFMs对BSA、葡萄糖和苯酚的去除效率分别是不加电情况下的2.7、2和12倍,同时膜的通量损失率更低。电化学强化的好氧膜生物反应器(EMBR)对COD和NH4+-N去除率分别高于88%和80%。在整个周期中,EMBR中CHFMs仅进行了一次水力清洗恢复,TMP可恢复至初始水平。而以PVDF-HFMs和不加电CHFMs为分离单元的MBRs中,需要进行5次和4次的水力清洗,分别恢复到0.15 bar和0.09 bar,远高于初始水平(0.01 bar)。上述结果表明,正偏压可以直接氧化去除在膜表面及膜孔内部的污染物,进一步增强了膜污染控制效果。(4)制备了可原位产生·OH的多孔碳-碳纳米管中空纤维膜(PC-CHFMs)。在-0.8V偏电压条件下,PC-CHFMs对BSA、葡萄糖和苯酚的去除效率是不加电情况下的2.7、6.2和9.7倍,同时膜的通量损失率更低。在电芬顿强化的好氧膜生物反应器(E-Fenton-MBR))内,依靠·OH对污染物的高效氧化去除,PC-CHFMs的通量恢复率为100%。此外,E-Fenton-MBR对COD和NH4+-N的去除率分别高于93%和88%。上述结果表明,电芬顿强化的膜分离可实现在较低电压(-0.8 V)下污染物的高效去除,显著增强分离膜的抗污染能力。综上所述,电化学作用增强了膜的抗污能力,本研究为电化学强化膜分离系统在污水处理、甲烷回收、膜污染控制方面的实际应用奠定了理论基础。

摘要： In this study, a novel nanofiltration membrane bioreactor (NF-MBR) was developed and integrated with the reverse osmosis (RO) process for water reclamation. The underlying motivation of using NF-MBR as a pre-treatment to the RO process is to improve the RO feed quality and subsequently increase the RO recovery ratio. However, technological challenges such as low permeate flux, membrane stability, salinity build-up and membrane fouling are the key barriers to the development of NF-MBR. The study focused on addressing the important issues pertaining to membrane performance and evaluating the feasibility of the NF-MBR+RO process. The use of a glutaraldehyde (GA) crosslinked layer-by-layer polyelectrolyte low- pressure hollow fiber NF membrane has overcome the inherent issues of low permeate flux and membrane stability in the NF-MBR system. It was demonstrated that the membrane could achieve a constant flux of 10 L/m 2 h at pressure ~2 bar and produce superior MBR permeate quality consistently in a long term experiment treating real municipal wastewater. Higher organic removal was observed in the NF-MBR than the ultrafiltration MBR (UF-MBR) due to the extended retention time that allows the enhanced biodegradation of the retained organics in the bioreactor. The improved MBR permeate quality has led to ~3.7 times decrease in the RO fouling rates as compared to the UF-MBR+RO process. In addition, it was found that the cake layer fouling that caused the cake-enhanced osmotic pressure (CEOP) effect contributed predominantly to the transmembrane pressure (TMP) increase in the NF-MBR. With the molecular weight cut off (MWCO) of < 500 Da, irreversible pore fouling was marginal for NF membrane fouling, therefore, the membrane permeability was highly reversible by physical cleaning as compared to MF/UF membranes. The impacts of salt accumulation, through adjusting the solids retention time (SRT), in the bioreactor on the bioprocess as well as membrane performance of a high reten

关键词： 屋面雨水处理   电絮凝   微滤膜生物反应器   生物净水层   雨能驱动  

摘要： 国内雨洪灾害频发和城镇可用水资源短缺,让人们开始重视雨水的管理与回用。屋面雨水收集处理回用到家庭杂用水中,既满足可持续性发展要求,又可减轻雨洪灾害。雨水回用关键在收集处理过程的能耗和回用水水质及安全性。膜法水处理技术供水安全洁净,是解决全球水资源短缺问题的关键技术。尤其是利用重力势能产水和膜表面微生物层净水的重力驱动膜滤技术（GDM）,因其无需额外的能耗且易于操作和维护在分散式供水领域具有广阔的应用前景。屋面雨水可有效利用建筑物高度提供的雨能作为驱动力进入GDM,反应池液面与出水口的距离作为系统作用水头,考虑在较低驱动力的雨能作用下也具有高效的产水效能而选择微滤膜作为核心组件,因此本论文构建了利用屋面雨能驱动的微滤膜生物反应器（GDMBR）,探究其产水性能、净水效能和生物安全性。特别的,电絮凝（EC）产生的金属絮凝剂可对污染物进行絮凝沉淀,因此可作为GDMBR系统的前处理装置以减缓GDMBR中微滤膜的污染并增强污染物的处理效果,故本论文构建了利用屋面雨能作为驱动力的电絮凝预处理耦合雨能驱动微滤膜生物反应器（EC-GDMBR）,在探究其产水性能、净水效能和生物安全性的同时,考察EC系统起到的积极作用。实验末期,通过对GDMBR和EC-GDMBR中微滤膜表面微生物净水层的表征,阐明微生物净水层对屋面雨水的净化机理。通过膜通量的分析,反映两个系统的产水效能。作用水头ΔH=0.4 m时,EC-GDMBR的稳定通量为17.0～20.0 L/（m2·h）,明显高于GDMBR的稳定通量(4.0～11.0 L/（m2·h）)。作用水头的提高（ΔH=0.6 m）使两个系统膜通量均呈现急剧上升后急剧下降趋势,且GDMBR最终稳定通量(2.9 L/（m2·h）)低于0.4 m作用水头下的稳定通量(4.2 L/（m2·h）)。较高作用水头下,膜表面污染物积累速度加快,易使膜污染加剧,导致膜通量急剧下降。提高EC-GDMBR系统作用水头（ΔH=0.6 m）运行7天后的通量为24.6 L/（m2·h）,且EC-GDMBR处理实际屋面雨水时膜通量的变化趋势与处理模拟屋面雨水时相同。通过对GDMBR和EC-GDMBR进出水的p H、浊度、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮（NH3-N）、UV254、电导率、溶解氧（DO）、总磷（TP）和金属元素（Cr、Fe、Al、Mn、Zn、Cu和Ca）等基础水质指标的检测,反映两个系统的净水效能。在GDMBR中,微滤膜对颗粒物的优异截留能力使得出水浊度较低,而膜表面微生物净水层对氨氮和有机物具有良好的降解作用,使得出水氨氮和有机物含量较低。相较于GDMBR,EC-GDMBR对浊度、氨氮、有机物和磷等有更加优异的处理效果,主要原因是电絮凝预处理产生的铁盐絮凝剂可使水中污染物絮凝沉淀,富集污染物的絮体有利于污染物被微滤膜截留去除。通过对GDMBR和EC-GDMBR进出水的细菌总数（CFU）、可生物同化有机碳（AOC）、蛋白质、多糖、三磷酸腺苷（ATP）和总有机碳（TOC）等微生物学指标的表征,反映两个系统净水的生物安全性。两个系统中进水的各类微生物学指标水平较高（典型如GDMBR进水CFU:2.0?10～4 CFU/m L、EC-GDMBR进水CFU:4.0?10～4CFU/m L）,而出水微生物学指标水平较低（典型如GDMBR出水CFU:9.0?10～2 CFU/m L、EC-GDMBR出水CFU:10 CFU/m L）,表明两个系统净水具有稳定的生物安全性。值得一提的是,虽然两个系统采用的微滤膜截留细菌的效能有限,但EC-GDMBR比GDMBR有更高的生物安全性,这归结于膜前电絮凝预处理产生的铁盐絮凝剂有利于微生物富集沉降,对微生物在膜前的去除起到主导作用。通过对GDMBR和EC-GDMBR膜表面微生物净水层微生物特性的分析（蛋白质、多糖和ATP）和表征（SEM-EDS、CLSM和高通量测序）,阐明微生物净水层的除污机理。结果表明,膜表面由污染物积累形成的滤饼层,在微生物稳定生长繁衍后,形成疏松多孔的微生物净水层,有利于污染物的截留及优异过水通道的形成。其中蛋白质、多糖和ATP的含量测定结果以及CLSM成像结果均反映出,膜表面微生物净水层存在较高水平的微生物及其代谢产物,屋面雨水中污染物可被微生物层上的微生物降解利用而得到去除。此外,高通量测序结果表明,微生物净水层中硝化螺旋菌（Nitrospira）具有较高占比,这是屋面雨水中氨氮具有较高去除率的原因;EC-GDMBR系统微生物净水层中检测到大量反硝化聚磷菌（hyphomicrobium）,而GDMBR则不明显,这是因为EC-GDMBR中磷可被铁盐絮凝剂絮凝沉降于膜表面,由此滋生大量反硝化聚磷菌。综上所述,利用屋面雨能驱动的GDMBR具有较好的产水性能、净水效能和生物安全性

摘要： 作为医药、生物制药、生物工程、细胞工程、实验室装备行业不可或缺的组成部分,生物发酵产业已成为国家战略性新兴产业,也是重要的民生产业。而生物反应器作为疫苗、单抗等生产的关键工艺,对设备的可靠性、自动化、数据可追溯都有着极高的要求。

关键词： 生物膜反应器   好氧颗粒污泥   气泡行为   水力剪切   湍流耗散功率  

摘要： 随着污水排放标准的提高,生物膜技术和好氧颗粒污泥技术因其致密的物理结构、高浓度的生物量、无需污泥回流设备以及有机负荷承载能力强等优点,受到了广泛的关注。处理系统中的水力条件对污水处理效率有着重要的意义。曝气为系统提供溶解氧,并产生水力剪切,改变流场特性,是整个污水处理过程中的关键。但目前针对曝气的研究工作主要集中于溶解氧扩散及传质方面,而流体力学相关研究较少,对曝气产生的流体动力学作用及调控机理的研究不足。论文针对以上问题,建立了气泡特性与水力特征的联系,通过改进曝气参数,优化反应器水力条件,强化工艺运行稳定性,为污水处理工艺的节能降耗提供技术支持。研究在气-液二相流中模拟了气泡行为对反应器内水力扰动的影响。模拟得到不同高径比(H/D)、曝气强度和气泡直径下,气泡速度变化和湍流耗散功率的分布。结果表明,当高径比为7时反应器内平均湍流耗散功率达到最大值,随后由于气泡平均速度降低导致水力扰动变弱。随着曝气强度的增加,湍流耗散功率强度明显增高,而湍流耗散影响范围未发生明显变。但由于流体阻力的存在,导致增加曝气强度对提高气-液两相速度梯度效果受限。随着气泡直径的减小,气柱波动幅度增大,湍流耗散影响范围变大,增加了水力扰动。基于气泡行为,实验进一步研究了曝气强度和气泡直径对固定床生物膜反应器(FBBR)中水力剪切的影响。结果表明,相较于搅拌方式,曝气产生的水力剪切更加的均匀和高效,且几乎不受反应器深度的影响。增加曝气强度在一定程度上提高生物膜表面的水力剪切,但受流体阻力的影响,会造成能量的浪费。气泡直径减小后,虽然气泡运动速度降低,但气泡运动影响范围增大,反应器内扰动增强,导致生物膜表面总水力剪切增大。实验进一步模拟了复杂气-液-固三相条件下好氧颗粒污泥反应器(SBR)中的水力条件。结合图像扫描技术,实验对不同条件下好氧颗粒污泥固含率分布及所受水力剪切进行了比较分析。结果表明,高径比增加缓解了了底部颗粒堆积,增加了颗粒整体所受水力剪切。由于流体阻力存在,曝气强度的增大对颗粒所受水力剪切强化效果有限。减小气泡直径有助于缓解颗粒堆积现象,同时增加了湍流影响范围,强化了颗粒所受水力剪切。优化曝气头构型可提高水力剪切。当曝气头从单点变为环形时,体系中固含率分布更加均匀,颗粒所受水力剪切增加1.18倍。最后,提出了一种增设隔板,并将单点曝气改为双点曝气的方案。通过构型优化,在不增加能耗、不改变高径比的条件下增加了反应器内的水力剪切,为颗粒污泥反应器的实际应用提供参考。

关键词： 生物反应器   水力停留时间   硝态氮   去除率   干湿交替   统计模型  

摘要： 农业生产中通过排水流失的的化肥,农药是造成河流、湖泊等地表水体污染的重要原因之一,寻求经济有效的控制措施对环境保护有着重要的意义。反硝化生物反应器是一种占地面积小、脱氮效果好的措施。本文通过室内观测试验,研究了稻壳和木屑在1:0、1:1、0:1、3:1、1:3质量比下硝态氮的削减效果,分析了影响反应器性能的因素,得出了双参数预测模型。取得的主要研究成果如下:(1)研究了生物反应器中硝态氮静态下的削减效果。入流硝态氮浓度为10mg/L时,8h水力停留时间下硝态氮去除率在80%以上;24h水力停留时间下去除率在70%-80%之间。(2)研究了流动条件下,五种填料生物反应器在三种入流浓度(1mg/L、3.6mg/L、15mg/L)下不同水力停留时间(4h、8h、12h)的污染物削减效果。不同填料对硝态氮削减效果影响差异显著,低入流浓度情况下稻壳含量高的反应柱削减效果好;高入流浓度下木屑含量高的削减效果更好。水力停留时间对生物反应器削减效果影响显著。在入流浓度为3.6mg/L时,4h水力停留时间能达到80%以上的去除率;而入流浓度为15mg/L时,达到同样削减需要的水力停留时间为8h以上。(3)出流中pH值为6.86,DO值低于0.55mg/L,二者均显著低于入流值。T检验发现pH降低与填料没有显著关系,表明pH的降低可能与反硝化菌群有关。(3)研究发现稻壳及填料在试验初期有着一段氨氮、总磷的释放过程,出流浓度远远高于入流浓度;随着反应器运行时间的增加,出流浓度呈指数级下降,显示初期释放过程影响时间有限;(4)动水试验条件下介质填充密度直接影响了介质的孔隙率,实际孔隙率与有效孔隙率高度相关。在装填均匀的反应柱中,入流口近端的饱和导水率较入流口远端的饱和导水率高,说明填充介质中细颗粒的流动会导致反应器导水率的变化,生物反应器中的生物生长会影响反应器的导水率。(5)研究调查了干湿交替对生物反应器削减效果的影响。干湿交替能够增加有机物的分解,进而加强反硝化。通过合理的干湿交替可以增强反硝化生物反应器的性能。通过统计分析得出了双参数预测模型,为生物反应器在中国的推广应用提供了一定的理论依据

关键词： 沙门菌   亚抑菌浓度   头孢噻肟   生物被膜   胞外基质组分  

摘要： 生物被膜是细菌在生物或非生物表面形成的黏附性聚集体,可保护细菌免受环境压力而持续存在。生物被膜的形成对兽医学、人类医学都至关重要,且与公共卫生和食品安全密切相关。沙门菌是最重要的人兽共患性和食源性病原菌之一,以头孢噻肟为代表的第三代头孢菌素是临床治疗沙门菌感染的主要一线药物。近年来沙门菌第三代头孢菌素耐药现象频频报道,引起国内外广泛关注。由于抗菌剂的不合理使用,导致细菌常暴露于亚抑菌浓度抗菌剂环境。而亚抑菌浓度抗菌剂可能作为刺激信号,引发细菌不同的适应性反应,包括影响细菌生物被膜形成、改变细菌超微结构和抗原性。本研究围绕亚抑菌浓度头孢噻肟对沙门菌生物被膜及其胞外基质组分的作用展开试验,对指导临床合理用药、降低生物被膜形成风险有重要意义。主要研究结果如下:1.通过微量肉汤稀释法测定来自猪或猪肉样品的76株沙门菌对头孢噻肟的敏感性。29株头孢噻肟耐药或中等耐药的沙门菌被用于检测在亚抑菌浓度头孢噻肟作用下的生物被膜形成。2株菌(SH16SP46和SH16SA17)被发现在1/8MIC头孢噻肟诱导下生物被膜形成能力均显著增强(P<0.001)。2.进一步研究发现,1/8MIC浓度头孢噻肟对2株菌生长速率无显著影响,但可影响细菌形态,降低运动性,增强表面黏附能力。3.使用激光共聚焦扫描显微镜和酶处理试验,发现胞外多糖(主要是纤维素)是头孢噻肟诱导沙门菌生物被膜增强过程中产生的最主要细胞外基质组分。4.通过RNA-seq检测1/8MIC浓度头孢噻肟对菌株SH16SP46生物被膜形成相关基因的差异表达情况,共发现165个表达差异极显著的基因,对差异基因的功能进行预测分析,发现如头孢噻肟外排基因ybh F、双组份信号相关基因cpx P、黏附相关基因ai L、生长分裂相关基因fts Z、fts A等均有不同程度的上调表达。进一步通过RT-q PCR对部分基因的差异表达进行了验证。本研究结果表明,亚抑菌浓度头孢噻肟会增强沙门菌黏附性,降低运动性,促进生物被膜形成,是公共卫生和食品加工行业的潜在威胁,这也提示在畜牧生产中应减少和避免亚抑菌浓度抗生素的产生,从而减缓细菌耐药性的演变,控制和降低生物被膜形成风险。