膜系統(tǒng)中生物污染的群體感應(yīng)機制及抑制方法

李雪凝+王毅霖+仉潮+張文雯

摘要：指出了雙模技術(shù)目前最前沿的是采出水、石油化工廢水處理技術(shù)，但是膜表面生物污染一直是限制反滲透膜技術(shù)應(yīng)用的主要因素?？偨Y(jié)了微生物的群體感應(yīng)機制的原理及過程，并提出了群體感應(yīng)猝滅法這一新興的生物污染控制方法，以期提供參考。

關(guān)鍵詞：雙模技術(shù)；反滲透膜；生物污染；群體感應(yīng)機制；群體感應(yīng)猝滅法

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）2-0087-03

1 引言

膜處理技術(shù)具有設(shè)備規(guī)模小、能夠處理大多數(shù)污染物、出水水質(zhì)優(yōu)越以及自動化程度高等優(yōu)點，膜技術(shù)現(xiàn)在正被越來越多地應(yīng)用于采出水的處理過程。雙模過程，即包括微濾/超濾加納濾/反滲透或者生物膜反應(yīng)器加納濾/反滲透，是目前最前沿的采出水、石油化工廢水處理技術(shù)。然而細菌附著在反滲透膜表面生成的生物膜導(dǎo)致的生物污染是目前限制反滲透膜技術(shù)應(yīng)用的主要因素。

2 膜污染的種類

膜污染通常包括的種類有無機污染、有機污染、生物污染和膠體污染。其中，生物污染是指微生物在膜表面附著并形成生物膜，且生物膜的形成速率和范圍的增長速度非?？?，這將導(dǎo)致膜性能的損壞，所以生物污染是最嚴重的一種污染[1]。

3 生物污染的危害及抑制方法

生物污染帶來的危害包括降低膜通量、增加鹽透過率、增加能耗、導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化、膜壽命縮短甚至膜系統(tǒng)故障（膜表面發(fā)生生物降解）[2]。

目前對于膜系統(tǒng)中的生物污染的控制方法主要包括利用大量前處理去除入水中的細菌、對膜系統(tǒng)的頻繁清洗以及添加殺菌劑。然而，這些方法由于以下幾個原因被證明效果不佳。①在實際中無法保持大型膜系統(tǒng)無菌，系統(tǒng)中殘余的任何細菌最終都會導(dǎo)致生物膜（微生物傾向形成的生命形式）的形成。并且，大部分商品化微濾和反滲透膜所采用的高分子材料為聚酰胺，容易被氧化，這就排除了使用常用殺菌劑氯和臭氧的可能性。②生物膜一旦形成，就對殺菌劑以及水力清洗和化學(xué)清洗具有極高的抗性。③由于入水水量大，需要添加殺菌劑劑量相應(yīng)的很大，導(dǎo)致成本偏高[3]。生物法抑制生物污染具有對膜材料友好、成本低、效果好等特點。因此，用生物法抑制生物污染的方法得到了廣泛的關(guān)注。

4 生物膜形成機理

4.1 生物膜形成的階段

生物膜的形成分為三個階段：第一階段是誘導(dǎo)期。即微生物慢慢熟悉進入的新環(huán)境，微生物在這個階段生長比較緩慢。第二個階段是對數(shù)生長期。在這個階段，微生物已經(jīng)適應(yīng)他們的生長環(huán)境，并且保證微生物生長的食物是充足的，所以微生物以指數(shù)的速度增長。第三個階段是平臺期。在這個生長階段，周圍食物和生長環(huán)境都不再適合微生物快速增長，所以微生物選擇緩慢增長甚至停止生長。通常在這個階段，微生物的粘附和細胞增殖與微生物細胞分離及細胞衰老是達到平衡的狀態(tài)[4]。

4.2 生物膜形成的過程

生物膜的形成是一個微生物細胞在溶液中的分離階段轉(zhuǎn)移到在反滲透膜表面強力附著的狀態(tài)的過程中[5]。在第一階段，單個微生物細胞在膜表面上自由地附著。大量的微生物在膜表面上移動。這個階段速度很快，通常發(fā)生在幾秒鐘內(nèi)。第二階段是不可逆的附著階段，在此階段，微生物細胞分泌出胞外聚合物粘在膜表面。這種不可逆的附著發(fā)生在幾秒鐘或幾分鐘內(nèi)。在第三階段，微生物在特定區(qū)域增殖并形成微菌落，最終將微菌落生長為一個成熟的生物膜。這個階段發(fā)生在微生物不可逆附著的幾個小時或幾天之后。最后一階段被稱為生物膜的溶解，這意味著微生物細胞或細胞群從微菌落的中心離開或分散。這會持續(xù)幾天甚至幾個月[6]。

5 群體感性機制

以下幾種生物法已經(jīng)被用來抑制生物污染，這包括NO誘導(dǎo)生物膜的分解、蛋白質(zhì)的干擾法、DNA和胞外多糖的特異性酶法、抑制微生物附著能量解偶聯(lián)法以及群體感應(yīng)抑制法[7]。筆者將討論微生物的群體感應(yīng)系統(tǒng)的抑制控制策略。

5.1 群體感應(yīng)機制的原理及過程

群體感應(yīng)（quorum sensing）機制是微生物之間像語言一樣的一種細胞間的溝通機制。微生物可以通過群體感應(yīng)進行溝通，這不僅可以發(fā)生在同一個單一的細菌物種之間，而且也可以發(fā)生在不同的物種之間。微生物通常通過群體感應(yīng)來執(zhí)行一些生物學(xué)行為，如生物發(fā)光、運動、形成孢子、產(chǎn)生胞外多糖以及生物膜的形成。群體感應(yīng)的過程分為生產(chǎn)、發(fā)射和檢測群體感應(yīng)信號分子三個階段，群體感應(yīng)信號分子稱為自身誘導(dǎo)物（AIS）。科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了三種類型的群體感應(yīng)信號分子：N-?；呓z氨酸內(nèi)酯（AHL）、自身誘導(dǎo)物-2（AI-2）合成的LuxS以及寡肽。寡肽作用于革蘭氏陽性菌，而N-?；呓z氨酸內(nèi)酯（AHL）作用于革蘭陰性菌，這只涉及在微生物細胞間交流。自身誘導(dǎo)物-2（AI-2）能夠有效作用于革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌之間的群體感應(yīng)[8]。

5.2 群體感性信號分子的作用機理

自身誘導(dǎo)物-2指導(dǎo)和協(xié)調(diào)微生物群落行為的機制為：當(dāng)作為信號分子的自身誘導(dǎo)物-2濃度逐漸增加到閾值濃度時，自身誘導(dǎo)物結(jié)合蛋白，因此調(diào)節(jié)蛋白被激發(fā)從而激活靶DNA，這進一步使群體感應(yīng)行為控制基因發(fā)生轉(zhuǎn)錄作用。這一系列過程最終都會導(dǎo)致微生物社會生物學(xué)行為的發(fā)生[9]。微生物的群體感應(yīng)行為在微生物交流和微生物生物學(xué)行為調(diào)控中起著主導(dǎo)作用，因此干擾或抑制微生物之間的群體感應(yīng)系統(tǒng)在控制膜生物污染方面是一種很有潛力的方法。此外，一些實驗結(jié)果已經(jīng)證實，抑制群體感應(yīng)信號分子（AI）或群體感應(yīng)調(diào)節(jié)基因可以控制膜生物污染。

5.3 控制群體感應(yīng)機制的方法

目前有4種方式用來控制群體感應(yīng)機制：

①抑制信號分子的產(chǎn)生；

②滅活或降解信號分子；

③產(chǎn)生群體感應(yīng)信號分子類似物，讓他們與真正的信號分子受體結(jié)合，從而阻止群體感應(yīng)行為的發(fā)生；

④破壞信號分子接受體[10]。

方法②是控制群體感應(yīng)系統(tǒng)中最受歡迎的方法，例如N-?；呓z氨酸內(nèi)酯（AHL）降解酶能降解信號分子從而阻止群體感應(yīng)行為。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)AHL降解酶一共有兩種：AHL內(nèi)酯酶和AHL?；D(zhuǎn)移酶?；趩我环N類細菌和混合種類細菌的膜生物污染均可以通過添加AHL降解酶來有效預(yù)防[11]。

6 群體感應(yīng)猝滅法

6.1 群體感應(yīng)猝滅法的定義

群體感應(yīng)猝滅法（Quorum quenching method）是控制群體感應(yīng)行為的第二種方法。人們選擇了氨基?；窱（豬腎臟）作為抑制生物膜的群體感應(yīng)淬滅劑，并且這已經(jīng)被證明是一種有效的方法。

6.2 群體感應(yīng)猝滅法的實驗效果

氨基酰化酶I（豬腎臟）能夠通過使酰胺鍵斷裂來降解N-?；呓z氨酸內(nèi)酯（AHL）。Kyung-min Y 等[12]利用從Si-Hwa污水處理廠的活性污泥（韓國）和膜生物反應(yīng)器（MBR）來驗證群體感應(yīng)猝滅法。圖1是實驗系統(tǒng)，其中（a）是持續(xù)的MBR和（b）是批式MBR。

在這個實驗中，自體誘導(dǎo)物存在于MBR系統(tǒng)，以及群體感應(yīng)行為和膜生物污染之間存在相關(guān)性。筆者重點展現(xiàn)基于生物群體感應(yīng)系統(tǒng)的抑制生物污染的方法—群體感應(yīng)猝滅法。在實驗過程中，超過10種不同的微生物存在于生物濾餅中（沉積污泥和生物膜的組合），并且微生物在膜生物反應(yīng)器（MBR）的中空纖維膜組件上形成了AHL信號分子。如圖2所示，當(dāng)跨膜壓力達到30 kPa，AHL信號分子開始出現(xiàn)在生物濾餅中（藍色代表AHL信號分子的存在），生物濾餅中AHL信號分子在連續(xù)式膜生物反應(yīng)器（MBR）系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的時間：（a）為22 h，（b）為46 h，（c）為58 h，（d）為72 h。

為了證明群體感應(yīng)行為與膜生物反應(yīng)器中膜生物污染的相關(guān)性，作者做了另一個試驗來證明他們之間是有關(guān)聯(lián)性的。圖3是沉積污泥和生物膜中AHL的濃度水平的比較：（a）為A.tumefaceins A136生物測定；（b）為AHL水平每生物量。

圖3（a）表明，沉積的污泥無論其質(zhì)量多少都不能分泌AHL，然而，在生物濾餅中微生物可以產(chǎn)生和分泌AHL，并且AHL的濃度隨生物濾餅的質(zhì)量及反應(yīng)時間的增加而增加。圖3（b）表明，在膜過濾過程的一定時間內(nèi)，群體感應(yīng)行為在膜表面上的生物污染中發(fā)生。為證明群體感應(yīng)猝滅機制，作者選擇了豬腎?；窱作為使AHL分子失活的酶劑，并將其添加到反應(yīng)器中使?jié)舛冗_到10 mg/L。圖4為對比實驗，圖4（a）是加入了豬腎?；窱的土壤桿菌，而圖4（b）則是沒有加入豬腎?；窱的對比試驗。

這一結(jié)果表明豬氨基?；窱能破壞AHL信號分子，因此群體感應(yīng)行為可以通過群體感應(yīng)猝滅策略來抑制。

7 結(jié)語

膜生物污染仍然是廢水處理過程中亟待解決的最大的問題。人們已經(jīng)嘗試了很多化學(xué)方法或生物方法來控制生物污染。群體感應(yīng)淬滅法是新型的處理技術(shù)，并且已被證明能夠有效的控制膜生物污染。其特點是對膜材料綠色友好、不會損壞膜材料，并且成本低、效率高、操作簡便。群體感應(yīng)淬滅法未來在工業(yè)應(yīng)用具有很大的前景。

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