本课题主要针对生物膜微观结构与群落功能分析、生物膜生长及其调控措施、生物膜产能过程分析等方面开展原创性科学研究。特别是从生物膜微观结构和群落功能角度分析，结合微电极技术和分子生物学技术探究不同工况下生物膜理化特性、微观结构及生物膜生化动力学特征。目前设定的主要研究方向为“新型环境生物膜技术研究及设备开发”“生物膜控制机理分析与技术研究”和“生物膜数学模型研究”等。

主要关键内容和技术图解

1．生物膜结构示意图

图1 生物膜结构示意图

氧气等气相通过膜传入生物膜内，液相中的污染物质则直接进入到生物膜层，供给生物膜内微生物利用，随着氧气和污染物质的消耗，在生物膜内部形成不同代谢特性的生物层，从而实现生物膜内形成不同代谢途径来去除污染物质。

2．生物膜光学显微镜观察

a                   b

图2 生物膜横截面和表面光学显微镜图

（a，b 分别是生物膜横截面图和生物膜表面图）

在光学显微镜下，放大2000倍生物膜光学图。通过光学显微镜图可以观察到膜和生物膜的透光性具有较为明显的差别。

3．生物膜结构扫描电镜观察

图3 成熟生物膜表面不同放大倍数扫描电镜图

稳定阶段生物膜表面扫描电镜图（图中四幅图分别是在不同放大倍数下所拍摄得到的照片）从图中可以看出，生物膜中细菌的形态多样化程度较，其中主要杆状细菌占大多数，还有棒状、椭球状、螺旋状等，这些都符合AOB和NOB的形态特征。

图4 成熟生物膜横截面不同放大倍数扫描电镜图

生物膜横截面中的细菌以短杆菌和球菌为主，符合AOB和NOB的细胞形态，生物膜的不均一结构，使得生物膜内部容易存在湍流等从而促进氧和营养物质的传递速率。

4．FISH共聚焦显微镜图

图5 生物膜表面FISH共聚焦显微镜图

绿色为全细菌，红色为AOB，蓝色为NOB

生物膜中微生物的组成以AOB为主，分布在生物膜的各个层面，NOB主要分布在膜-生物膜界面，AOB主要在液相-生物膜界面。此外，通过FISH技术还可以对生物膜表面的AOB和NOB群落组成和数量进行考察。

5．微电极技术

图6 微电极测试装置图                     图7 微电极测试生物膜

利用微电极来表征生物膜内外沿深度与生物膜表面垂直的方向特征参数的梯度分布情况，以及生物膜内部某一深度上的特征参数的变化情况，同时能够测量生物膜的厚度。通过分析微电极测试结果，能够得到生物膜/水界面的物质传输速率以及生物摩内部的生化反应速率，这两类参数对于推导生物膜模型至关重要，也是考察生物降解能力的重要指标。

6．微生物群落多样性分析

图8 不同工况下微生物群落结构热图和相对丰富变化图

通过不同工况条件下生物膜微生物群落结构的变化能够的发现生物膜内群落结构的变化及群落丰度的变化，更好的解释不同工况条件下，生物膜的代谢途径的变化。