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关键词： 银纳米颗粒   蛋白质   正渗透膜   正渗透膜生物反应器   膜污染  

摘要： 近年来,纳米颗粒由于其独特的物理化学性质在多个领域得到广泛应用,其中银纳米颗粒(Ag NPs)在抗菌杀毒方面是最有前景的金属纳米材料之一,微量的Ag NPs即可对生物造成毒害影响。含有Ag NPs的产品在使用过程中会释放出部分Ag NPs,且最终汇聚到进入自然环境的最后一道屏障--污水处理厂。考虑到Ag NPs对环境的潜在危害,在污水处理过程中有效的去除Ag NPs就成为污水处理工艺的新要求。然而,目前传统的污水处理工艺难以实现纳米颗粒的高效去除。近年来,正渗透(FO)过程及其与生物处理结合的正渗透膜-生物反应器(OMBR)工艺,由于具有截留性能好、膜污染趋势小、能耗低等优势,在海水淡化和污水回用等领域得到了广泛关注。考虑到FO膜的高截留性能,FO及其组合工艺被认为可以有效地从污水中去除Ag NPs。然而,目前尚未有关于FO膜对Ag NPs的去除效率及其影响因素和去除过程中膜污染机制的研究报道。基于此,本文借助FO实验装置考察了FO膜对Ag NPs的截留效果,分析了Ag NPs与特征有机污染物牛血清白蛋白(BSA)单一及复合时FO膜的污染机制,并进一步研究了Ag NPs对FO膜与生物技术结合的OMBR运行性能、微生物种群和FO膜污染的影响,主要内容及结论如下:(1)构建小试规模的FO连续运行装置,考察FO膜对Ag NPs的截留效果。结果表明,聚酰胺复合薄膜(TFC)和三醋酸纤维膜(CTA)膜在处理1.0 mg/L和5.0 mg/L的Ag NPs时,对Ag NPs的截留率均高达99.4%以上。关于Ag NPs对FO膜运行性能的影响结果表明,1.0 mg/L的Ag NPs对TFC和CTA膜的运行通量影响不大,但当浓度提高至5.0 mg/L时通量水平整体较低,下降趋势更明显,且TFC膜较CTA膜通量衰减更严重。(2)选取BSA为特征有机物,考察Ag NPs和BSA单一及复合对FO膜运行性能的影响以及Ag NPs和BSA之间的相互作用。结果表明,在单一Ag NPs作为原料液时,FO膜通量在实验开始时即有明显的下降趋势,且随着Ag NPs浓度的增加,沉积在FO膜面的Ag NPs的量增多,通量衰减更严重。然而,随着原料液中BSA的添加,FO膜通量的衰减减小,且沉积在膜面Ag NPs的量也减少,有效缓解了Ag NPs引起的膜污染。这主要是由于Ag NPs表面纳米颗粒-蛋白冠的形成,通过空间位阻效应可防止Ag NPs团聚沉积。同时,激光共聚焦显微镜(CLSM)结果表明,沉积在膜面的BSA在加入Ag NPs后,含量变少且仅呈点状分布,这可以归因于Ag NPs在BSA表面的吸附破坏了BSA部分α-螺旋二级结构。此外,BSA和Ag NPs之间的相互作用不仅存在于溶液中,而且发生在FO膜表面。(3)以处理生活污水的耦合微滤(MF)膜的OMBR为依托,选取性能优良的TFC材质的FO膜,同时运行空白对照组和投加1.0 mg/L的Ag NPs组,结果表明,MF膜的引入可有效缓解OMBR的盐度累积问题。Ag NPs的连续加入导致污泥上清液中NH4+-N浓度增加,同时反应器内的EPS含量持续增加,但MF和FO的出水整体较稳定。Ag NPs投加后,FO膜的整体通量保持在较高水平,污染膜表面的总细胞、蛋白质、ɑ-D-吡喃多糖及β-D-吡喃多糖等有机和生物污染物都显著减少,可以有效缓解FO膜面的生物和有机污染。微生物种群的分析结果表明,Ag NPs的加入导致反应器内的生物群落的丰度减少,但多样性有所增加;而膜面生物群落的丰度和多样性都大幅度减小。Ag NPs在反应器内分布的测定结果表明,污泥上清液中并未有明显的Ag NPs富集现象,大部分的Ag NPs被活性污泥吸附。

关键词： Caco-2细胞   肝细胞   中空纤维   生物反应器   细胞单层   功能性成分   毒理学评价  

摘要： 食品安全性毒理学评价指的是对某种食品食用安全性所开展的评价,其中包括了功能性食品、新资源食品、食品包装材料、食品添加剂以及食品中添加的各类化学及生物等的污染物质通过对其遗传毒性、急性毒性、慢性毒性、致癌性和致畸性的评估。可见食品毒理学安全性评价对保障食品安全以及国民健康具有重要意义。由于我国对功能食品的研究尚处在起步阶段,其成分或组方多运用传统的中医辩证理论和经验,以复配为主,功效成分与其调节功能及功效成分毒性没有明确的相关研究资料加以证明。此外传统食品的安全性毒理学评价技术目前并不能够完全满足功能食品的安全性评价发展需要。当下主要利用动物实验完成对功能食品有毒物质的毒理学安全性评价,但主要存在如评价方法效率低、实验周期长、存在伦理学争议等问题,国际上有用体外细胞代替整体动物实验的趋势。但普通细胞作为一种二维培养模型,但是它并不能为细胞提供与体内的微环境类似的条件,细胞形态和信号传导与体内有较大差别难以反映真实的体内环境,因而亟需一种既能反应体内真实的代谢情况又简便易行的食品毒理学评价新方法。基于中空纤维和传统的细胞培养方法,本课题拟构建能够模拟人体组织微观形态的小肠细胞和肝细胞生物反应器,使其能够适用于研究功能性成分的转运吸收行为和肝毒性评价,以实现对功能性成分简便、高效的研究。基于此目的,本文进行了如下研究：1.选择了Caco-2(人体结肠癌细胞)细胞探讨了Caco-2细胞生物反应器的构建。将该细胞接种于聚醚砜(PES)和聚偏氟乙烯(PVDF)两种中空纤维膜上,用鼠尾胶原铺被中空纤维内表面,同时利用步进电机驱动使Caco-2细胞能够在膜内表面均匀贴壁生长。将中空纤维培养模型与经典的Transwell单层培养模型进行比较,探讨了两种中空纤维材料对细胞模型的影响。细胞形态学观察结果表明：Caco-2细胞于接种10天后铺展良好,轮廓清晰,逐渐融合形成细胞单层和完整的紧密连接；刷状缘酶系(比如碱性磷酸酶和谷氨酰转肽酶)的活性测定结果表明：接种8-14天内,中空纤维膜上培养的Caco-2细胞完成功能分化,且活性水平较Transwell模型培养的细胞高。因此,PES和PVDF中空纤维膜能有效促进细胞增殖,缩短细胞分化周期,从而形成高效稳定的三维细胞模型。2.本文在构建成功Caco-2细胞中空纤维反应器的基础上,尝试了构建肝细胞中空纤维反应器。本文使用了HepG2(肝癌细胞)和L02(人正常肝细胞)两种肝脏细胞,使用PES和PVDF两种材料,以凝胶包埋方式,即鼠尾胶原混合肝细胞悬液接种入中空纤维,使肝细胞能够均匀分布于中空纤维膜内腔。通过尿素氮和白蛋白含量的检测结果表明,包埋于中空纤维反应器内的肝细胞可以有效存活10天以上,并且在一定程度上保持了肝细胞的功能。3.本文进一步采用丙烯酰胺验证HepG2细胞中空纤维培养模型在物质毒性研究方面的实用性。此外,将该反应器用于桑葚花色苷的肝毒性研究,探索其在功能性成分毒理学评价方面的可行性。综上,本文旨在构建一种新型的Caco-2细胞和HepG2细胞生物反应器,探究该模型应用于研究功能性成分吸收转运和毒理学评价的可行性。本研究成功构建了中空纤维三维细胞培养模型,将Caco-2细胞、HepG2细胞和L02细胞培养于中空纤维膜内表面,优化了实验条件,完善了细胞功能分析,证明该拟组织化细胞培养模型可用于物质的吸收转运研究和功能性成分的毒性评价。本文为食品有害物质及功能性食品的早期毒理安全性评价提供一个新的模型。

关键词： 膜生物反应器   工业污水   治理  

摘要： 随着环保意识与健康意识的不断增强，人们开始着重研究水污染的治理问题。常规水处理的工艺对工业污水很难达到完全净化的效果，而膜生物反应器处理技术就能实现。本文基于工业水污染的现状，阐述了膜生物反应器技术的发展历程，分析了其技术原理与工业污水的处理方案，旨在帮助人们更好的处理工业污水，还地球一个健康环境。

关键词： 超滤膜   微滤膜   微藻   截留   膜污染  

摘要： 微藻不仅是一种生产生物柴油的最佳原料,而且在污水处理方面也具有优势。但是,目前影响其在污水处理领域广泛应用的主要难点是如何高效的分离和富集微藻,因此,本论文将开展膜分离技术与微藻联用进行废水处理并实现藻-水分离的试验研究。本研究首先合成了不同孔径的聚氯乙烯(PVC)与聚偏氟乙烯(PVDF)共混膜分离材料。选取成膜性能较好的三种平板膜,微滤膜样品(M-10)和超滤膜样品(M-0、M-12),在不同压力条件下对微藻溶液进行了短期过滤试验。研究表明:微滤膜和超滤膜对溶液中的微藻都具有高于99.9 %的截留率。微藻在膜表面形成的滤饼层是导致膜污染的主要原因,在较高过滤压力下,膜表面形成致密的滤饼层,导致膜的出水通量恢复率下降,在较低压力条件下,膜表面形成的滤饼层容易被反冲洗下去,因此通量恢复率更高。相对于微滤膜,超滤膜表面更容易形成由胞外聚合物形成的凝胶层污染。本研究进一步制备了微滤、超滤膜组件,并构建了微藻-超滤/微滤膜联用的膜-光式生物反应器(MPBR),考察其长期运行条件下污水处理性能及膜污染特征。研究结果表明,微滤、超滤膜组件对微藻有高于99.9%的截留率。超滤膜-光式生物反应器比微滤膜光式生物反应器具有更高的COD去除率,而在脱氮除磷方面,二者性能接近。长期运行条件下,超滤膜表面膜污染一直处于快速污染期,其主要原因是大量胞外聚合物在膜表面形成凝胶层,膜污染不断累积,过膜阻力增大,过滤通量下降。微滤膜表面污染可分为缓慢增长期、加速增长期和快速污染期三部分。通过膜污染机理分析认为:在过滤最初的0-15d内,膜表面以微藻细胞体形成的滤饼层污染为主,大部分胞外聚合物可以透过微滤膜,膜通量恢复率较高;但随着过滤时间的延长(15-25d),胞外聚合物会附着在膜内部,过膜阻力增大,导致严重的膜内污染,膜污染加速,过滤通量降低;过滤末期(25-40d),膜表面存在的微藻细胞体和胞外聚合物会分别堵塞膜表面和内部膜孔,微滤膜表面同超滤膜表面一样形成了致密的凝胶层污染,进入快速污染期。

关键词： MBR   水处理技术   研究进展  

摘要： MBR工艺结合了生物处理与膜分离技术各自的优点，能在一定程度上解决单独膜技术不能有效去除水中有机物，及对氨氮去除效率低的问题，是一种经过强化的生物处理工艺。膜生物反应器可在紧凑的空间内实现膜对污染物质的截留作用和微生物对有机物的生物降解作用，而膜分离和生物降解之间又有着协同作用，是一种实用高效的饮用水处理技术，在水资源状况日益紧张的前提下，MBR工艺有着非常广泛的应用前景。

关键词： 生物反应器填埋场   氧化亚氮(N2O)   15N-同位素   产生途径   amoA/nosZ基因  

摘要： 矿化垃圾生物反应器填埋场是利用矿化垃圾作为反应介质,通过微生物的降解与转化作用达到渗滤液处理的目的。因其成本较低、运行稳定的优势使其在实际工程应用中具有明显的优势。然而,微生物在进行硝化和反硝化作用脱氮过程中会产生温室气体NO。前期研究结果表明,氨氮负荷、氧气浓度均是影响矿化垃圾生物反应器处理渗滤液过程中NO产生的重要因素,而矿化垃圾生物反应器在不同的进水氨氮负荷和不同的通入氧气浓度条件下,NO的产生途径及机理缺乏深入研究。本文通过建立室内矿化垃圾生物反应器模拟装置,利用N同位素标记技术研究了氨氮负荷、氧气浓度对反应器处理渗滤液中NO产生量(2 h、12 h、24 h、36 h、48 h、72 h、100 h、120 h、144 h)及产生途径(24 h、72 h)的影响。同时,利用RT-PCR分子生物学技术探究了氨氮负荷对处理前后amoA、nosZ基因丰度的影响。以此进一步分析NO产生机理,以期为控制填埋场中NO的释放提供理论指导。得出主要结论如下:(1)一个反应周期内(144 h),矿化垃圾生物反应器运行至24 h时NO主要由硝化过程产生,而反应至72 h时,反硝化过程对NO产生的贡献较大。(2)氨氮负荷的增加提高了反应器中NO的产生,同时增加了反应器中硝化作用产生NO的比例。0.8 mg-NH-N/g-矿化垃圾(以下简称mg/g)氨氮负荷下,NO产生量峰值约为1090μg N高于0.2、0.4 mg/g氨氮负荷下的NO产生量,相关性分析可知,NO-N、NO-N是NO产生的主要因素。(3)随着氧气浓度的增加,NO的产生量逐渐减少。10%氧气浓度下,NO产生量峰值约达1053μg N高于20%、30%氧气浓度下的产生量。此外,氧气浓度的增加提高了硝化反应对NO产生的贡献率,在反应前期,30%氧气浓度下硝化过程对NO产生的贡献率高达55.9%,反应后期这一比例仍可达到39.84%,而10%、20%氧气浓度下,硝化反应对NO产生的贡献率分别为28.32%、32.68%。(4)RT-PCR实验结果表明,不同氨氮负荷条件下,反应前期中amo A基因丰度高于后期,而nosZ基因丰度后期高于前期,表明了反应后期NO产生量高于前期。此外,不同氨氮负荷条件下,amoA、nosZ基因丰度与氨氮负荷的增加呈正相关,这也与高氨氮负荷条件下NO产生量高的结果一致。

摘要： Global water shortage and scarcity has spurred worldwide efforts to explore alternative approaches to augment the existing water supply. Recent consideration for the utilization of wastewater as a viable water source has been adopted in several efforts to develop advanced treatment methods capable of providing adequate treatment for water reuse. The forward osmosis membrane bioreactor (OMBR) offers one such alternative, coupling conventional wastewater treatment processes with the promising high rejection properties of the forward osmosis (FO) membrane. The OMBR offers a low-energy alternative to conventional wastewater treatment and other energy intensive membrane processes (i.e., reverse osmosis), while still achieving advantageous wastewater treatment as well as high-quality salty product water obtained through the FO membrane. This preliminary FO process serves as a high-quality pretreatment step that has far-reaching expansion potential, as the product water may be further treated through an additional membrane treatment process to produce a potable and recyclable water source. This makes the OMBR an effective pretreatment device for recycled water applications. The single-stage reactor design employed here combines anoxic and aerobic processes to reduce the footprint and decrease energy costs of continuous aeration. The aeration cycling, solids and hydraulic retention times, and membrane cleaning strategies were examined for adequate wastewater treatment with optimal flux through the FO process. One of the major challenges facing the continuous operation of the OMBR system was maintaining adequate biomass concentrations to achieve denitrification when treating primary effluent from a local wastewater treatment facility. Efforts to address this focused on having sufficient carbon substrate present to facilitate microbial growth and denitrification. Spiking the primary effluent with an additional 300 mg/L glucose resulted in a noticeable decrease in NOx species,

关键词： 厌氧膜生物反应器   污泥负荷   微量元素   产甲烷  

摘要： 本文采用分置式厌氧膜生物反应器（An MBR）试验装置,以西安汉斯啤酒厂生产废水为处理对象,首先,通过控制反应器的不同污泥负荷,探究污泥负荷对An MBR的处理效果和产气效率的影响,确定An MBR运行的最佳污泥负荷;其次,以组合投加的方式向反应器投加一定量的三种微量元素（Fe、Ni、Co）混合液,通过与未添加微量元素的对照组试验进行数据对比分析,探究微量元素对An MBR的处理效果和产气效率的影响。主要研究结论如下:（1）启动阶段,控制厌氧反应器温度为35±2℃,HRT为32h,进水COD浓度在1200～2700mg/L之间提升。启动过程用时16d,平均COD去除率为79.13%,厌氧污泥活性、碱度、VFA等指标表现稳定。（2）稳定运行段的第一部分试验,分三个阶段,每阶段运行21d,分别控制进水COD浓度在4500mg/L、5500mg/L和6500mg/L左右。试验结果表明,污泥负荷为0.56kg COD/（kg MLSS·d）时,产甲烷率为0.29LCH4/g COD,此时系统可以获得最高的产甲烷效率。（3）稳定运行段的第二部分试验,运行工况与第一部分试验相同,同时向反应器内添加微量元素混合液,添加浓度为Fe2+=1.5mg/L、Co2+=0.2mg/L、Ni2+=0.4mg/L。将该部分试验作为试验组,而未添加微量元素的第一部分试验作为对照组,对比结果显示,微量金属元素的添加使试验组三个试验阶段的上清液VFA平均含量分别提高了10.02%、40.62%、10.80%;平均气体产量分别增长了3.77%、5.05%和5.52%;试验组的第一、二阶段试验,微量元素对产甲烷率没有提高效果,但第三阶段试验,污泥负荷为0.83kg COD/kg MLSS·d时,产甲烷率提高了7.69%。

关键词： 前列腺癌疫苗   制备工艺   悬浮培养   生物反应器  

摘要： 目的:<br>　　通过转瓶将PC-3细胞大量扩增，扩增得到的细胞转入2L WAVE生物反应器中进行大规模微载体悬浮培养。通过胰酶消化及细胞再次贴壁微载体在生物反应器中实现微载体上细胞球转球扩大培养。建立起一整套从转瓶贴壁培养到生物反应器中微载体悬浮培养的细胞培养体系。为前列腺癌疫苗的大规模生产提供技术支持。<br>　　方法:<br>　　1.转瓶中贴壁培养PC-3细胞条件优化。<br>　　在850cm2转瓶中贴壁培养PC-3细胞，扩增细胞数量，从而培养出足够数量的细胞并在WAVE生物反应器上进行大规模微载体悬浮培养。摸索转瓶中贴壁培养的细胞接种密度，通过计数未贴壁的细胞密度来计算细胞在不同转速下的贴壁率，从而得出在转瓶贴壁培养过程中转速对于细胞贴壁及后续生长传代的影响。实现细胞在转瓶中扩大培养。<br>　　2.小规模微载体静止培养PC-3细胞条件优化。<br>　　在细菌培养皿中分别接种3×105cells/mL、5×105cells/mL及7×105cells/mL的细胞密度，加入过量的微载体供细胞贴壁。每24h监测葡萄糖浓度及细胞密度，根据葡萄糖代谢曲线及细胞生长速度，探索最适的细胞接种密度及在该密度下细胞培养模式、换液方式。在最佳细胞接种密度的基础上选择2g/L、3g/L、4g/L及5g/L的微载体浓度做对比实验，从细胞增长情况对比判断最佳微载体浓度。对比细胞在微载体上不经胰酶消化直接加入新的微载体，通过细胞间的“桥联”作用实现微载体上细胞球转球扩大培养与消化10min、15min、20min、及30min后再加入新的微载体使细胞重新贴壁的球转球扩大培养效果。经两种放大培养方式处理后再培养四天，对比细胞生长速度及最后收获的细胞数量，最终确定最佳的培养方案。为WAVE生物反应器上大规模培养提供参考。<br>　　***生物反应器上大规模悬浮微载体培养PC-3细胞条件优化。<br>　　在WAVE生物反应器400mL培养体积条件下，以5×105cells/mL的初始细胞接种密度为基础再一次探索3g/L、4g/L及5g/L微载体浓度对细胞生长的影响，每24h对细胞进行抽样，观察细胞生长情况、检测葡萄糖浓度，计数细胞并绘制细胞密度曲线。同时根据小规模培养时的消化结果，在WAVE生物反应器中对细胞消化15及20min并加入新的微载体继续培养，观察不同的消化时间对于细胞后续贴壁及生长传代的影响，并与不消化直接加微载体进行细胞球转球扩大培养方式做对比，从而选择最佳的细胞球转球扩大培养方案，为大规模制备前列腺癌肿瘤疫苗奠定基础。将培养结束后收获的细胞固定，锚定GM-CSF与TNF-a两种蛋白制备成肿瘤疫苗并检测疫苗的锚定率。<br>　　结果:<br>　　1.建立起转瓶培养PC-3细胞的新方法，筛选出2×105cells/mL为最佳起始接种密度（在200mL的培养体积中细胞起始接种数量为4×107cells），并确立在转瓶中连续培养4天的贴壁培养方式。探索出细胞贴壁的最佳起始转速为4rph，根据先慢后快的贴壁细胞转瓶培养模式[1]，在培养的第三天将转瓶的转速调整为6rph取得了良好的效果，培养四天后单个转瓶的细胞数量最高可达8-10×107cells。<br>　　2.在小规模微载体静止培养条件下，根据葡萄糖浓度和细胞密度变化曲线，将5×105cells/mL作为细胞初始接种密度。同时根据不同微载体浓度对细胞生长的对比结果，选择3g/L或4g/L作为最适微载体浓度。通过对不消化直接加入新载体与消化不同时间后再加入新微载体两种细胞球转球扩大培养方式的对比，最终确定在胰酶消化15或20min后再加入微载体更有利于细胞后续生长。<br>　　3.在WAVE生物反应器中，通过5度、8rpm摆动2min，静止培养20min的循环培养模式进行微载体悬浮培养细胞。在5×105cells/mL起始细胞接种密度条件下，选择3g/L的微载体浓度做为最适浓度。根据WAVE生物反应器中胰酶消化后微载体球转球扩大培养结果，最终选择经胰酶消化20min做为最佳消化时间，从而实现细胞在WAVE生物反应器中微载体球转球扩大培养。最终在2L生物反应器中细胞密度达到1.3×106cells/mL，细胞总量可达109个数量级。<br>　　结论:<br>　　在小规模微载体静止培养PC-3细胞实验结果的基础上利用转瓶将细胞数量扩增，并在WAVE生物反应器中对培养条件再次进行优化，最终建立起一整套PC-3细胞培养方案，同时掌

关键词： 缬草(Valeriana fauriei var.dasycarpa Hara)   生物反应器   缬草烯酸:缬草三酯   蔗糖浓度   氮源   磷源  

摘要： 为了研究不同培养条件对缬草(Valeriana fauriei *** Hara)不定根生长及其有效成分含量的影响,利用组织培养技术结合高效液相色谱,通过改变培养基蔗糖、氮源和磷源浓度,研究其对缬草不定根的生长和缬草三酯类、缬草烯酸类合成的影响。结果表明,当蔗糖浓度为60 g/L时最适合缬草不定根的生长以及总缬草三酯类和总缬草烯酸类的生产。NO3-/NH4+为1∶1时,不定根生长量和缬草三酯类以及缬草烯酸类达到最高。改变培养基Na H2PO4浓度时,缬草不定根生长均比不添加Na H2PO4时旺盛,但高浓度的Na H2PO4抑制了缬草三酯类和缬草烯酸类的合成,Na H2PO4为基本培养基的0.3倍时,不定根生长量最高,达14.89 g/L,增长率也最高,达到16.18倍,缬草烯酸类也达到最高产量为13.88 mg/L。