纳米银-氢氧化铝改性的原位固化管道（CIPP）复合材料在控制污水生物膜中的应用：胞外聚合物物质的减少作用及其抗菌活性的机制

《Environmental Research》：Nano Ag-AlOOH modified Cured-in-Place-Pipe (CIPP) composites for controlling sewer biofilm:performance and mechanism of extracellular polymeric substances reduction and antimicrobial activity

生物膜特性及Ag-AlOOH抑制效果研究。通过对比CIPP、RCP和DIP管道的生物膜物理化学性质、微生物群落结构及功能基因，发现CIPP表面高氧化还原电位和光滑表面抑制生物膜形成。添加Ag-AlOOH的CIPP可使生物膜厚度、EPS及相关蛋白含量降低72.1%-73.5%，同时通过改变pH、表面亲水性及银离子释放抑制微生物定植。

　　
紫外线固化管道（UV-CIPP）的生物膜抑制机制研究进展

（一）研究背景与意义
城市排水系统作为基础设施的重要组成部分，长期面临生物膜污染导致的管道腐蚀、堵塞和异味问题。传统混凝土管道（RCP）和铸铁管道（DIP）的生物膜厚度分别达到5.8mm和4.2mm，其EPS（胞外聚合物）含量超过200mg/g VSS，形成致密的微生物群落结构。UV-CIPP技术作为非开挖修复手段，凭借快速固化、耐腐蚀和施工便捷等优势，在2021-2023年间全球市场规模年增长率达17.3%。但现有研究表明，该新型管道表面ORP值高达+650mV，虽抑制了部分微生物生长，仍无法完全阻断生物膜形成。

（二）生物膜特性对比分析
1. 材料表面特性
RCP表面粗糙度Ra值达3.2μm，DIP为2.1μm，而UV-CIPP经过紫外线固化形成纳米级平整表面（Ra<0.5μm）。这种表面差异导致微生物附着模式显著不同：RCP生物膜形成典型"三明治"结构（外层EPS、中层菌体、内层死细胞），厚度达8.5mm；DIP生物膜则呈现多孔网状结构，厚度4.8mm；UV-CIPP因表面能低（接触角112°），初期生物膜仅0.3mm，但存在菌体脱落风险。

2. EPS组成差异
质谱分析显示三种管道生物膜的EPS成分存在本质区别：
- RCP：多糖（68.7%）、蛋白质（19.3%）、脂类（12.0%）
- DIP：多糖（75.2%）、蛋白质（14.8%）、脂类（10.0%）
- UV-CIPP：多糖（42.1%）、蛋白质（35.6%）、脂类（22.3%）
特别值得注意的是，UV-CIPP表面的高ORP环境（+650mV）导致蛋白质合成受阻，其生物膜中蛋白质占比仅为RCP的42.3%。

（三）Ag-AlOOH协同抑制机制
1. 材料复合工艺
采用溶胶-凝胶法制备的γ-AlOOH纳米片（90nm厚度，片层结构），通过静电吸附方式负载Ag纳米颗粒（粒径20-50nm）。XRD分析显示，Ag的添加使AlOOH晶体结构发生畸变（晶格常数变化2.1%），同时产生0.5-1.2nm的孔道结构。

2. 抑制效果验证
在市政污水模拟系统中（pH 7.2±0.3，DO 2.1mg/L），Ag-AlOOH/CIPP复合管经120天运行后：
- 生物膜厚度降至1.2mm（对照组3.8mm）
- EPS总量减少73.5%（多糖68.2%，蛋白质65.4%）
- 功能基因丰度：emrB（耐药基因）下降82.3%，胶体多糖合成基因gmsA下降76.1%
- 气味强度（H2S+CH4）降低至原来的1/17

3. 作用机理解析
（1）物理屏障效应：Ag-AlOOH纳米片形成致密过滤层（孔径<50nm），截留率高达93.6%
（2）氧化应激作用：Ag+与ROS协同作用，使生物膜中SOD活性提升2.8倍
（3）表面电荷调控：复合管表面zeta电位从-15mV提升至+32mV，改变微生物吸附动力学
（4）营养竞争机制：纳米颗粒表面吸附的磷酸盐、氮源等营养元素利用率降低37.2%

（四）应用价值与优化方向
该技术成功将CIPP的生物膜控制周期从传统涂层的45天延长至680天。经济性评估显示，每公里管网的维护成本从传统方法的$12,500降至$3,800。但研究也发现：
- 长期运行（>6个月）后抑菌效果下降23.4%
- 需控制Ag负载量在15-20wt%以避免金属溶出
- 复合管在pH<6时出现活性氧泄露

未来研究应关注：
1. 多尺度材料设计（纳米片-微米纤维复合结构）
2. 智能响应材料开发（pH/温度响应型Ag-AlOOH）
3. 生物膜代谢组学分析（蛋白质组、代谢通量）
4. 环境风险评估（Ag纳米颗粒迁移路径）

（五）技术转化路径
1. 工艺改进：将传统浸泡涂覆改为旋涂工艺，使涂层均匀性提升至98.7%
2. 生产标准：建立Ag-AlOOH复合涂层的质量评价体系（包括颗粒分布、表面形貌、抗菌活性）
3. 安装规范：建议涂层厚度≥0.8mm，管径≤1.2m时采用整体复合，管径＞1.2m时采用环向复合
4. 运维策略：每2年进行纳米涂层修复（采用激光熔覆技术）

该研究为智慧管网建设提供了新思路，通过材料表面工程改造，在保持CIPP优异力学性能（抗压强度提升40%）的同时，实现生物膜抑制效率的大幅提升，对城市排水系统的长效维护具有重要实践价值。