过滤器有几种形式
实验室规模的生物过滤器是一种常见的水处理技术，被广泛应用于污水处理、水质改善和废水处理等领域，它通过利用微生物的生物降解能力来去除污水中的有机物和污染物。
在某些情况下，生物过滤器的效果可能受到限制，尤其是在处理高浓度有机物的情况下。
科学家们开始寻找新的方法来改进生物过滤器的性能，纳米金刚石作为一种新型材料引起了广泛关注，纳米金刚石具有高比表面积、良好的化学稳定性和生物相容性等特点。
苋菜作为广泛分布的一种水生植物，具有出色的生物吸附和生物降解能力，它可以吸附和降解水中的有机物，减少水体中的污染物含量。
因此将苋菜引入实验室规模的生物过滤器中，可以提高生物降解效率，达到更好的水质改善效果。
应用于工业废水处理的创新方法
工业废水处理受到难降解的外源性化合物污染物的挑战是一项艰巨的任务，工业界一直需要创新来改善水净化过程的效率和稳定性参数，纳米技术为此提供一系列具有特性的材料。
纳米金刚石ND就是一个很好的例子，它们是纳米级颗粒，具有高吸附能力和低反应性，它们的优点还包括价格适中、生物相容性好、低毒性以及多种可调整的特性。
纳米金刚石的结构复杂，它们具有一个由钻石晶格形成的碳原子硬核，以及由碳原子排列成石墨层状结构的外壳，纳米金刚石的平均粒径为4-5nm，使其能以胶体悬浊液的形式存在。
它们的合成方式有几种：爆炸法、高能球磨法、激光剥蚀法等离子体辅助化学气相沉积法、石墨离子辐照法和超声空化法。
爆轰纳米金刚石ND已经商业化，这使得它们在不同领域的实际应用得以推进，生物学领域，能源领域和环境应用领域。
上述的研究和ND的特性，展示了在生物医学领域以外的其他生物学科领域中应用ND的潜力，毒性异生化合物对环境的污染带来了许多严重问题。
织物的染料有相当大比例的着色剂进入废水中，纺织业由于染色技术是水消耗最多的行业之一，染色过程中产生的大量废水由于合成染料的致癌和诱变作用，带来了严重的环境风险。
通过使用不同的增强策略，可以加速难降解偶氮染料的生物降解过程，新型纳米材料如纳米金刚石由于其独特的性质和低成本具有巨大的潜力。
材料和方法
纳米金刚石ND的效果，是通过使用由Stavri Stavrev教授生产的爆轰ND进行研究的，为了进行偶氮去毒化过程，研究人员采用了水下顺流生物滤池的实验室模型。
如下图所示，作为活性生物膜形成的惰性载体，研究人员使用了石英砂，这些石英砂是由比斯特里察饮用水处理厂提供的。
在这次研究中使用的模拟外源性化合物是偶氮染料茜素，选择这种偶氮染料是因为它经常应用于纺织和食品行业。
它非常适合于通过观察其在生物降解过程中的失色，来快速和粗略地估计外源性化合物的去除效果，茜素的生物降解的生化步骤已经被人们了解，因此可以在过程中研究它们的活性非常重要。
在所描述的实验中，研究人员使用了合成废水，它由合成盐水溶液组成，加入了酵母提取物5 g/L和一定量的紫苋菜染料。
活性污泥被用作生物膜形成的接种材料，在固定化之前，通过超声波声化处理活性污泥团块，将细胞固定到砂粒上是基于吸附作用。微生物悬浮液在生物滤池砂层中孵育2小时。
茜素降解适应步骤
模型生物滤池的砂粒表面上，形成了进行偶氮去毒化过程的生物膜，这种附着的微生物生长方式允许底物、氧气和氧化还原梯度的形成，茜素生物降解的厌氧和好氧阶段的同时活动。
在最初的24小时内，通过砂层的模型水只含有所述浓度的合成盐水和养分溶液，这确保了在实验的初始阶段快速生物膜生长，并在后续阶段保持系统的稳定性。
从第二天到实验结束，合成废水中逐渐加入一定量的茜素，茜素浓度逐步提高，以确保生物膜向茜素降解适应步骤性进行。
每天监测influent的流速、COD和TOC，剩余的茜素浓度、去除效率和速率，以及influent的浊度，每天监测2-3次。
在偶氮降解过程中，从生物膜群落中取样四次：开始时，在早期运行阶段之前添加ND，功能后期添加ND，以及实验结束时，在早期阶段发现水处理系统不稳定的迹象时，使用了ND。
除了所描述的生物滤池，还有另一个没有使用ND的控制砂基生物滤池进行相同的偶氮降解过程。
纳米金刚石对水体脱毒过程
为了研究纳米金刚石对水体脱毒过程的影响，研究人员在四个层面上对净化生物系统进行了研究。
下图展示了influent的茜素浓度以及其去除效率，从实验开始到218小时，这种外源性化合物的浓度逐渐从10 mg/L增加到40 mg/L，在40 mg/L的浓度下，系统发生了不稳定。
含有ND的生物滤器中，细菌从生物滤器中的去除量增加，生物膜失去部分的生物降解能力这在，随后的时间段通过出流液的光密度得到了证实，两个生物滤器的光密度要低两倍以上。
由于生物膜的不稳定，控制生物滤池的效率在269小时时从96.03%降至84.73%，在此时纳米金刚石被应用在另一个生物滤池中，效率没有下降。
在紫苋菜中，加入纳米金刚石比预期中的效果持续时间更长：这表明纳米金刚石的刺激效应涉及，比仅仅通过吸附固定活性分子更为复杂的机制。
微生物学研究结果显示，ND施加于砂基生物滤池后，生物滤器上部的微生物数量增加，这种效应在所有参与茜素生物降解的细菌群体中观察到。
生物学数据表明，生物膜在生物滤器中生长，这也得到了SEM分析的证实，微生物群落特化于偶氮降解：细菌菌落形成单位的增加在偶氮降解菌群和假单胞菌属细菌群中最为显著。
纳米金刚石对关键微生物群体的增强效应主要集中在生物滤池的上部，可能是因为砂层深处营养物质的耗尽。
在加入纳米金刚石的生物反应器中，生物膜又厚又完整，在该生物滤池中，过程更加稳定，紫苋菜去除效率更高。
如上面所讨论的，与生物质的保留有关，尽管异生物的浓度提高，这通过荧光原位杂交得到了确认，这种分子技术显示出假单胞菌属细菌的增加，有助于紫苋菜降解速率的快速增加。
邻苯二酚氧化酶的活性
酶分析显示，在ND添加后，生物滤器上部的偶氮还原酶活性增加了56.48％，琥珀酸脱氢酶活性增加了25.81％，添加ND后，不仅细菌数量增加，而且它们的活性也更高。
在ND添加之前，两种邻苯二酚氧化酶的活性无法检测到，这些酶执行关键的解毒步骤-苯环的断裂，添加ND后，社区中发现了邻苯二酚-1,2-二氧化酶和邻苯二酚-2,3-二氧化酶的活性。
它们每毫克蛋白质每分钟代谢1.4-2.7微摩尔的底物，它们的活性几乎均匀分布在生物滤器的深度中，它们必须先通过偶氮还原酶的帮助产生，然后再由二氧化酶代谢。
酶活性试验的数据显示，ND存在于生物滤器中，激活了茜素生物降解的第一步-偶氮还原。它还有助于启动第二个生化阶段-循环中间代谢物-芳香胺的去除。
纳米金刚石对微生物偶氮降解群落的促进作用，通过荧光原位杂交得到了证实，在应用ND后出现了显著的荧光，关键的生物降解假单胞菌属细菌在生物膜中增加了数量。
纳米金刚石所观察到的效应可能与纳米颗粒的高吸附能力有关，它们固定酶和辅因子，从而提高了对污染物的生物降解能力，纳米金刚石对蛋白质吸附具有如此高的亲和力。
这一效应已经被一些研究人员证实，这种纳米金刚石的效应可能降低了毒性，有助于形成稳定的微生物群落。
作为增强因子的ND扩展了生物膜生物体的代谢潜力，它们保留并增加了协同作用的程度，并在两个阶段中导致茜素的完全解毒。
ND作为生物膜净化解毒活性的正向调节因子，在以下层面起作用-在结构上，通过加强关键生物降解物之间的协同作用，它们增强了协同作用而不增加假单胞菌的数量。
功能水平上调节有毒物质及其代谢物的浓度，通过确保它们在稳定团簇中的较高浓度，它们释放出在没有添加ND情况下未注册的酶活性，茜素及其有毒芳香代谢产物的消除。
增强因子的经验证明效果表明，控制生物膜的可持续更新和运行，所调查的水处理模块可以扩大规模，并应用于染料工业中的水处理技术的预处理或后处理环节中。
本研究证明了ND在生物膜反应器中扮演着外部刺激和增强的角色，促进了茜素的生物降解：茜素在浓度和毒性增加时被吸附；它们加速并保持活性假单胞菌在ND周围的集群化。
增加偶氮还原并在所研究的生物膜的所有三个层中诱导邻苯二酚-1,2-二氧化酶和邻苯二酚-2,；它们在生物膜的可持续更新和运行中发挥了正向调节的作用，确保茜素的解毒。
所有这些都增加了偶氮去除效率和整个净化过程的稳定性，本研究提出的生物膜群落控制机制声称。
通过增强因子对生物膜中的过程进行微调、控制和调节，为基于已知最深入的生物降解机制的实际生物技术系统和生态生物技术提供了新的技术管理机会。
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