近日，bat365正版唯一官网盛奎川教授、刘鹰教授课题组在Nature子刊Nature Communications发表题为“A hydro-topological strategy enables self-regulating biofilms for sustainable wastewater treatment”的研究论文，2021级博士生方勇为论文第一作者，导师盛奎川、刘鹰为论文共同通讯作者。

移动床生物膜反应器（MBBR）技术因其集约、高效等优点被广泛应用于水产工业化循环水养殖的水处理，但其核心构件—生物膜载体填料，一致面临生物膜过度生长导致的填料堵塞问题，这不仅大幅降低了系统处理效率，还增加了能耗输入和维护成本。本研究提出了一种具有生物膜生长调节作用的水力-拓扑策略，并研制出一种V型填料验证了该策略。该项技术的核心在于将填料从一个被动的微生物附着基材，转变为一个能够主动调控微生物生态的控制器。通过独特的V型凹槽结构，实现了四项功能：

1. 引导定向生长：V型凹槽开口结构引导了生物膜朝向液界面生长，确保与营养物质和氧气充分接触；

2. 物理厚度限制：V型凹槽深度限制了生物膜的生长厚度，防止其野蛮生长，保障生物膜的最佳传质性能；

3. 水力动态清洁：V型凹槽斜脊面精准调控生物膜朝向一侧的水力剪切，实时清除凋亡和过量生长的生物膜，保持生物膜的最佳活性状态；

4. 稳定的生态位：连续错峰排列的V型凹槽形成了独立、稳定的微腔室，构成最小生态位单元，为功能微生物提供了稳定的作业环境。

图：V填料的主要结构特征。a. 填料俯视图，尺寸：24 mm*24 mm*0.95 mm；b. 结构示意图，呈镜像对称的V型凹槽阵列分布；c. 放大俯视图，显示单个V型凹槽的结构；d. 截面视图，展示凹槽深度及其倾斜几何构型。

V填料系统在处理水产工业化循环水养殖水、水产养殖尾水以及市政污水的长期实验中，表现出优异的稳定性和高效性。相比传统K3填料，V填料系统的生物膜总量降低了44%，但单位生物量的硝化速率却提升了3.2倍。这一发现突破了“生物膜越多，处理能力越强”的传统认知，揭示了通过填料拓扑结构引导生物膜定向生长，并利用局部水力剪切实现厚度控制与持续自清洁的新机制。该机制不仅有效防止了填料堵塞，保障了生化系统的长期稳定运行，还构建了有利于功能菌群定殖的生态位，从而在低生物膜量的前提下实现了高效处理。这一研究为突破MBBR工艺瓶颈、发展可持续的水产循环水养殖水处理技术提供了新思路。

该研究工作得到国家重点研发计划项目（2024YFD2400100）和国家自然科学基金项目（31971794）的资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70682-y