Bruce Rittmann教授 --生物膜、活性基质与我（上）
Bruce E. Rittmann教授是美国亚利桑那州立大学生物设计研究所Swette环境生物技术中心的主任、可持续工程与建设环境学院的杰出董事教授(Regents' Professor)。他是MBfR（Membrane Biofilm Reactor，基于膜传导的生物膜反应器）的发明者，在这项技术上拥有5项专利。他开发了活性污泥法的相关计算方法，也是最早提出微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)的学者之一。作为微生物研究的国际领导者，目前他专注于可再生生物能源的创新研究，包括运用厌氧微生物将生物质转化成甲烷、氢气或者电能，另一大方向就是运用光合细菌生产液态燃料。除了环境技术之外，Rittmann教授还是位热爱跨界的科学家，他与著名的梅奥医疗中心合作研究了肠道微生物与糖尿病的关系。
Rittmann教授在华盛顿大学修得土木工程学士和硕士学位，然后在斯坦福大学攻读环境工程博士，他的导师是著名的Perry McCarty。 Rittmann教授在他的职业生涯里获誉无数。由其主导撰写的《Environmental Biotechnology: Principles and Applications》一书是世界上最著名的环境微生物学教材。Rittmann教授曾获得亚利桑那生物产业协会颁发的优秀研究奖、美国土木工程师学会颁发的Huber Civil Engineering Research Prize、美国National Water Research Institute颁发的Clarke Prize、ISME和IWA国际水协会联颁的2014微生物生态学和水/污水处理大奖（ISME/IWA Bio Cluster Award）。此前，他还刚刚斩获了2018年的斯德哥尔摩水奖，可见其在水科学和技术方面的突出成就。
在综述开头，Rittmann教授首先表达了他对生物膜的热情：“自从20世纪70年代开始从事生物膜的研究以来，我就开始认识到它在自然界无处不在，对水技术意义重大，在科学上令人如此着迷。它们用自然的方式去除BOD，转化氮，生产甲烷和生物降解微污染物。另外我还发现，如果我们再给生物膜多那么一点的帮助，它们可为我们回馈更多。”
Rittmann教授这里指的那一点帮助，主要是使用活性基质，使生物膜能够完成一些在过去被认为是不可能完成的任务。在这篇综述里，他深入研究了三个例子：
去除氧化钛污染物的氢基质MBfR反应器
微生物电化学电池（MxC）
光催化耦合微生物同步降解污染物（ICPB）
生物膜有诸多优点，但它目前仍不能自发完成人为设定的任务，例如对于低水溶性的底物和内在生物降解性差的有机化合物等，传统的惰性生物膜媒介，例如砂、陶瓷或者塑料等对此无能为力。对于这种情况，Rittmann教授提出了“活性基质（active substrata）”的概念，他认为其中一种可能的解决方式是引入低水溶性底物，包括a)氢气 -- 一种低溶解度的电子供体，b)电化学电池的阳极--当它与生物膜恰当作用的时候，它能成为电子受体；而第二种解决方案是提供一个能将顽固分子转化成可降解物质的表面来处理难降解有机物。
生物膜的传质降解原理
什么是氧化态污染物？它主要指一些无机含氧阴离子，但也包含外源替代性的有机物，包括硝酸盐、高氯酸盐、砷酸盐、铬酸盐、氯化溶剂等。Rittmann教授对水污染中常见的氧化态污染物总结成下表：
重要氧化态污染物的来源、危害和还原产物
从上表可以看出这些污染物来源各异，危害也不尽相同。但幸运的是，它们都可以通过微生物的呼吸作用得到还原降解，变为无害形态，甚至成为富有价值的还原产品，如硒和钯等元素。显然，这些氧化态污染物都是电子受体，而氢气就是一种理想的电子供体。
这里所说的活性底物是一种气体传送膜，如下图所示，它将氢气以特定的压力输送到无孔中空纤维膜的内腔，然后扩散至MBfR反应器中的生物膜，它能够以100％效率将低溶解度气体底物进行扩散，另一侧的氧化态污染物从液态扩散到生物膜中，电子供体和受体就在生物膜进行反应。
氢基质的MBfR传质原理图
Rittmann教授表示氢气的传递是由膜内腔的氢气压控制，不能过量或不足，应按照电子受体的负荷按需供应，它的工作曲线如下图所示。同时Rittmann教授也用下图说明这些氧化态污染物往往是以混合物的形式出现，例如硝酸盐和高氯酸盐。多受体的存在可能会形成复杂的微生物生态，尤其当需要不同的细菌来还原各种电子受体。大家可以看到反硝化菌（DB）生长最快，而且在底层附近获得最佳位置，而高氯酸还原菌（PRB）一般只能在反硝化层外，因为它无法跟反硝化菌竞争氢气。EPS则无处不在，占据了生物膜的中心。
目前这种氢基质MBfR技术已经有商业应用，案例是位于美国加州的一家饮用水处理厂，由一家叫APTwater的公司运营，它有一套包括曝气和反洗的自动控制pH和管理生物膜的系统。目前的应用重点是硝酸盐和高氯酸盐的还原，同时也正在进行研发扩展其适用性，来还原硒酸盐、铬酸盐、氯化溶剂、铀和钯等污染物。
基于氢基质的MBfR位于加州的案例
关于MBfR技术，Rittmann教授在2015年Clarke Prize颁奖典礼上的报告中也有关于氢基质MBfR的详尽讲述。
参考资料
Biofilms, active substrata, and me, Bruce E. Rittmann, Water Research, Volume 132, 1 April 2018, Pages 135-145, doi.org/10.1016/j.watres.2017.12.043
未完待续
Bruce Rittmann教授是位高产学者，其在期刊发表的论文总数超过500篇，是环境领域被引用文章次数最多的作者之一。本期微信介绍的综述文章《Biofilms, active substrata, and me》即是其2018年4月刚刚发表在IWA期刊《Water Research》上的最新作品。
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