細胞外高分子物質（EPS）の組成を物理的構造と膜バイオフィルムの油圧耐性に結び付ける

重力駆動膜（GDM）ろ過中のメソスケールの物理構造と膜バイオフィルムの油圧耐性に対する細胞外高分子物質（EPS）の効果を調査しました。バイオフィルムは、超低圧（70MBAR）での行き止まりのろ過中に、超高ろ過膜の表面に開発されました。バイオフィルムEPS組成（総タンパク質、多糖、EDNA）は、対照的な栄養条件下で成長するバイオフィルムによって操作されました。栄養状態は、（i）100：30：10（c：n：p）の栄養比の栄養素濃縮状態で構成されていました。（iii）窒素制限（C：N：P比：100：0：10）。バイオフィルムの構造は、光学コヒーレンス断層撮影（OCT）を使用してメソスケールで特徴付けられました。バイオフィルム組成は、タンパク質、多糖類、およびEDNAの総有機炭素、総細胞質量、細胞外濃度に関して分析されました。2Dコンポーカルラマンマッピングを使用して、バイオフィルムEPSの官能基の組成とマイクロスケール分布を特徴付けました。私たちの研究は、EPSマトリックスの組成が膜バイオフィルムのメソスケールの物理構造を決定し、その油圧耐性を決定できることを明らかにしています。P制限条件下で成長したバイオフィルムは、高濃度の多糖類とEDNAを伴う密な均一な物理構造によって特徴付けられました。栄養素濃縮またはNの制限条件下で成長したバイオフィルムは、低濃度の多糖類とEDNAを伴う不均一な物理構造によって特徴付けられました。Pを制限するバイオフィルムの場合、2Dコンフォーカルラマン顕微鏡検査により、多糖類とEDNA濃度が高い均一なバイオフィルム構造におけるアニオン性官能基の均一な空間分布が明らかになりました。この研究では、膜バイオフィルムのEPS組成、物理的構造、油圧抵抗性と、GDM超高ろ過の油圧パフォーマンスとの実用的な関連性を結び付けています。

The effect of extracellular polymeric substances (EPS) on the meso-scale physical structure and hydraulic resistance of membrane biofilms during gravity driven membrane (GDM) filtration was investigated. Biofilms were developed on the surface of ultrafiltration membranes during dead-end filtration at ultra-low pressure (70 mbar). Biofilm EPS composition (total protein, polysaccharide and eDNA) was manipulated by growing biofilms under contrasting nutrient conditions. Nutrient conditions consisted of (i) a nutrient enriched condition with a nutrient ratio of 100:30:10 (C: N: P), (ii) a phosphorus limitation (C: N: P ratio: 100:30:0), and (iii) a nitrogen limitation (C: N: P ratio: 100:0:10). The structure of the biofilm was characterised at meso-scale using Optical Coherence Tomography (OCT). Biofilm composition was analysed with respect to total organic carbon, total cellular mass and extracellular concentrations of proteins, polysaccharides, and eDNA. 2D-confocal Raman mapping was used to characterise the functional group composition and micro-scale distribution of the biofilms EPS. Our study reveals that the composition of the EPS matrix can determine the meso-scale physical structure of membrane biofilms and in turn its hydraulic resistance. Biofilms grown under P limiting conditions were characterised by dense and homogeneous physical structures with high concentrations of polysaccharides and eDNA. Biofilm grown under nutrient enriched or N limiting conditions were characterised by heterogeneous physical structures with lower concentrations of polysaccharides and eDNA. For P limiting biofilms, 2D-confocal Raman microscopy revealed a homogeneous spatial distribution of anionic functional groups in homogeneous biofilm structures with higher polysaccharide and eDNA concentrations. This study links EPS composition, physical structure and hydraulic resistance of membrane biofilms, with practical relevance for the hydraulic performances of GDM ultrafiltration.