生物膜反应器在污水处理中有广泛的应用，探究生物膜内的详细过程对确定反应器的工艺性能至关重要。生物膜是由活细胞和死细胞以及分泌的细胞外聚合物形成的多孔基质，具有高度异质化的内部结构。这种结构显著影响了污染物在生物膜内的运输，从而影响生物局部反应速率。然而由于缺乏生物膜内部结构的详细信息，生物膜的建模工作难以进行，研究者通常采用假设孔隙率和渗透率恒定的均匀模型代替真实的生物膜。这种假设过分简化了分析细节，导致了偏离真实情况的结论。以多重染色技术为基础，对真实的生物膜结构进行三维重构的方法打开了生物膜建模的新思路。该方法与数值模拟技术结合，用于探究生物膜中的物质传输过程，并得出了大孔隙附近为生物膜内细胞的优势生态位等结论。然而此前的工作存在明显的缺陷，即采用了单一固体物质的假设，忽略了活细胞与分泌的EPS之间的区别。由于只有活细胞才有能力降解污染物，使得结论仍一定程度上偏离真实情况。因此，有必要进行进一步的研究，正确描述细胞分布以及与局部环境互相作用的过程。

基于以上问题，华北电力大学工程热物理研究中心陈鏐漪同学为第一作者，王晓东教授作为第二作者，台湾大学李笃中教授做为通讯作者，在生物资源领域国际期刊Bioresource Technology上发表题目为“Biofilm with highly heterogeneous interior structure for pollutant removal: Cell distribution and manipulated mass transport”的论文。该论文补充了用于废水处理的生物膜过程的最新观点，考虑到活细胞和EPS在生物膜基质中的不同作用，以强调细胞在具备的异质结构的生物膜中最大限度地生存所采用的策略。

【论文概述】

论文利用生物膜的显微图像，通过三维重构技术建立了一个三维生物膜模型。该模型将生物膜划分为活细胞、胞外聚合物（EPS）和孔隙区域，在此基础上对生物膜内的流速、污染物扩散和反应通量进行了数值计算，并与此前研究中的建模方式进行对比，发现区分生物膜的不同区域不仅使计算结果更符合实际过程，并且有助于了解生物膜内各组分的位置结构特征和物质输送行为。

（图为不同流动条件下生物膜内的流速分布）

（图为生物膜截面处孔隙区域的污染物浓度分布）

（图为垂直轴方向不同高度生物膜薄层内各区域的污染物平均浓度）

论文主要得出以下结论：均匀结构和此前研究中的非均匀模型都被证实高估了废水处理生物膜的性能。另外讨论了生物膜中活细胞的生存策略：除了暴露于新鲜污染物以最大限度地吸收污染物外，还首次注意到细胞有形成小聚集体的趋势，以缩短扩散长度，从而降低污染物对活细胞的扩散阻力。

该论文得到了国家自然科学基金重点项目(No.51936004)、国家自然科学基金创新研究群体科学基金(No.51821004)、中央高校基础研究经费(No.2020MS063)资助。

撰稿人：陈鏐漪