細(xì)菌群體感應(yīng)在好氧顆粒污泥中的研究現(xiàn)狀

宋志偉，邱 杰，張 晴，徐雪冬

(黑龍江科技大學(xué) 環(huán)境與化工學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

1 引言

好氧顆粒污泥作為微生物集聚體，是用于凈化污廢水的一種污泥顆粒，呈球狀或橢球狀。與傳統(tǒng)絮狀活性污泥相比，具有沉降性能好，去除效率高的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[1～5]。但好氧顆粒污泥穩(wěn)定性較差，運(yùn)行中易出現(xiàn)解體現(xiàn)象，存在一定的工藝難操控性[6]，這成為制約好氧顆粒污泥技術(shù)推廣和應(yīng)用的瓶頸，亟待解決。

好氧顆粒污泥的形成過程是一個包含物理、化學(xué)和生物作用的復(fù)雜過程，目前基于工藝條件等外在因素的調(diào)控、單一影響因素的實(shí)驗(yàn)研究等，都未能很好地闡釋其穩(wěn)定機(jī)制。從分子生物學(xué)角度，影響好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的最根本因素就是其微生物群落性能，而這一性能的表達(dá)源于微生物自身的生理行為及信息交流，微生物可利用信號分子進(jìn)行信息交流，協(xié)調(diào)其群體行為，以抵抗外界環(huán)境變化。隨著分子生物學(xué)在顆粒物中的興起，群體感應(yīng)逐漸被證明廣泛存在于顆粒污泥中并起著重要作用。

2 群體感應(yīng)及信號分子

微生物群體感應(yīng)(quorum sensing, QS)是微生物的一種群體行為，又稱自誘導(dǎo)。微生物能感知到周圍微生物密度的變化，當(dāng)這種濃度變化達(dá)到一定的閾值時(shí)，微生物會啟動一系列基因表達(dá)來調(diào)節(jié)自身的行為[7]。微生物通過分泌或釋放一種稱為自誘導(dǎo)物(Autoinducers，AI)的可擴(kuò)散信號分子[7]來傳遞信息，進(jìn)行交流。這種可擴(kuò)散信號分子在低濃度的情況下不能被感知，也就不能誘導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)，只有當(dāng)信號分子濃度達(dá)到一定的閾值時(shí)，信號分子才與轉(zhuǎn)錄激活蛋白相互作用，從而啟動與菌群密度或細(xì)胞密度相關(guān)的基因表達(dá)[8]，表現(xiàn)為抗生素合成[10]、Ti質(zhì)粒的連接和轉(zhuǎn)移[11]、保外酶與表達(dá)毒素因子[12]，固氮基因的調(diào)控、胞外多糖合成，細(xì)菌群落遷移和群集，生物發(fā)光以及生物膜形成等[13～17]，從而實(shí)現(xiàn)單個微生物無法執(zhí)行的生理功能和調(diào)節(jié)機(jī)制。如圖1所示，在費(fèi)氏弧菌(Vibrio fischeri)細(xì)胞內(nèi)存在銀光素梅基因( luxCDABE)和調(diào)節(jié)基因( luxR和 luxI)，luxR和 luxI分別為編碼調(diào)節(jié)基因和編碼信號分子，當(dāng)細(xì)胞濃度達(dá)到一定的閾值時(shí)，luxR和 luxI相結(jié)合，形成一個復(fù)合物，啟動熒光基因靶基因的表達(dá),表現(xiàn)為發(fā)出肉眼可見的熒光[18]。

圖1 細(xì)菌群體感應(yīng)(QS)示意

3 好氧顆粒污泥中的群體感應(yīng)

以往對好氧顆粒污泥的研究中較多關(guān)注其環(huán)境條件及污泥理化性質(zhì)的改變對顆?；^程胞外聚合物、表面電荷、疏水性及微生物群落的影響。眾多研究表明群體感應(yīng)對于好氧顆粒污泥存在積極的影響，研究主要體現(xiàn)在證明好氧顆粒污泥存在群體感應(yīng)現(xiàn)象，群體感應(yīng)現(xiàn)象在促進(jìn)好氧顆粒污泥?；^程中的作用及機(jī)制，外界環(huán)境條件對于好氧顆粒污泥群體感應(yīng)的影響。

3.1 群體感應(yīng)在好氧顆粒污泥中的證實(shí)研究

研究表明，群體感應(yīng)信號分子廣泛存在于好氧顆粒污泥中并對好氧顆粒污泥的形成和穩(wěn)定起著一定的作用。齊枝花等[19]使用培養(yǎng)顯色法和萃取顯色法均在絮狀污泥、生物膜以及生物流化床中的好氧顆粒污泥中檢測到AHLs信號分子，證明了群體感應(yīng)普遍存在于給水和污廢水生物處理工藝的菌群中。與絮狀活性污泥相比，顆粒能誘導(dǎo)更多的大腸桿菌細(xì)胞附著生長，從而使細(xì)胞具有更強(qiáng)的粘附性從而從而形成生物膜形式[20]。使用薄層層系法在好氧顆粒污泥上清液中檢測到碳鏈長度小于10的N-acy-L-homoserine lactones，主要為3-oxo-C6和3-oxo-C10。使用乙酸乙酯從好氧顆粒污泥上清液提取的有機(jī)物能夠促進(jìn)大腸桿菌的生長，并且提高其在玻璃表明的粘附性。顆粒污泥中存在群體感應(yīng)信號分子的到證實(shí)，并且這種信號分子有利于生物膜的形成。

3.2 好氧顆粒污泥中群體感應(yīng)的作用

群體感應(yīng)信號分子AHLs可以促進(jìn)生物膜在顆粒污泥中的形成與生長，并能提高顆粒化的速度[21]。在對群體感應(yīng)對好氧顆粒污泥粒化作用的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)好氧顆粒污泥成熟之后，群體感應(yīng)信號分子的濃度明顯高于培養(yǎng)的初期和中期，較大、較成熟的好氧顆粒污泥比粒徑較的顆粒污泥群體感應(yīng)更明顯，因此認(rèn)為群體感應(yīng)信號分子有利于顆粒污泥的?；痆22]。由此可見，群體感應(yīng)信號分子在顆粒粒化過程中存在重要的影響。總的來說，群體感應(yīng)對于?；^程的影響主要有為以下幾個方面[23,24]：群體感應(yīng)活動可以促進(jìn)微生物表面物質(zhì)(主要是活性劑以及保外多聚物)的合成，同時(shí)可以加快ATP結(jié)合盒的合成，更多的幫助luxI穿過細(xì)胞壁，形成更多的胞外聚合物，從而起到穩(wěn)定顆粒污泥結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)其完整性的作用。群體感應(yīng)信號分子會隨著顆粒污泥的成熟而增加，微生物細(xì)胞生物膜的生長速度可以達(dá)到培養(yǎng)初期的10倍以上，在培養(yǎng)后期，對顆粒污泥成熟起著十分重要的作用。由于細(xì)胞之間存在靜電排斥，在顆粒污泥成熟后期，誘導(dǎo)懸浮細(xì)菌的粘附生長和團(tuán)聚過程中，群體感應(yīng)的表達(dá)以及信號分子十分關(guān)鍵，有利于加速顆粒污泥形成和維持穩(wěn)定的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，從而提高顆粒污泥的性能。如果在好氧顆粒污泥培養(yǎng)的初期，適量的投加群體感應(yīng)信號分子可以加速其?；^程，縮短培養(yǎng)周期。

3.3 第二信使與顆?；?/h3>

作為較小分子量或者離子的第二信使對于促進(jìn)好氧顆粒污泥粒化具有積極的作用。細(xì)胞內(nèi)常見的第二信使包括磷酸酯(PA)、環(huán)二腺苷酸(c-di-AMP)、環(huán)二鳥苷酸(c-di-GMP)、1,2-二酰甘油、1,4,5-三磷酸肌醇等。第二信使能夠激活并聯(lián)系統(tǒng)中酶的活性以及非酶蛋白的活性，在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中具有重要作用。研究表明，c-di-GMP在調(diào)控好氧顆粒污泥中細(xì)菌的運(yùn)動性、胞外多糖的產(chǎn)生和控制生物膜的形成中起著重要作用。銅綠假單胞菌中的fim X基因具有降解c-di-GMP的功能，并且c-di-GMP含量與細(xì)胞顫搐運(yùn)行的強(qiáng)弱呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)c-di-GMP含量升高時(shí)，細(xì)胞的顫搐運(yùn)行開始減少，說明c-di-GMP可以調(diào)控細(xì)胞的顫搐運(yùn)動[25,26]。Ca2+和Mn2+的投加能夠?qū)е耤-di-GMP含量的變化，從而影響顆粒污泥中EPS和群落結(jié)構(gòu)的變化，Ca2+的投加能夠促進(jìn)Sphingomonas sp.、Paracoccus sp.、Sinorhizobiumamericanum strain和Flavobacterium sp. 等功能性菌群的生長，從而改變顆粒污泥菌群結(jié)構(gòu)，而這些功能菌群的生長過程中能產(chǎn)生大量的c-di-GMP。Mn2+投加環(huán)境下的顆粒污泥c-di-GMP含量降低，從而降低了EPS含量，導(dǎo)致顆粒結(jié)構(gòu)松散，容易解體[27～29]。在好氧顆粒污泥對苯酚的去除實(shí)驗(yàn)表明，c-di-GMP能促進(jìn)好氧顆粒污泥中EPS的產(chǎn)生，從而形成生物膜，苯酚在好氧顆粒污泥中呈梯度吸附，因此提高了對苯酚的去除效果[30,31]。

3.4 培養(yǎng)條件對群體感應(yīng)的影響

除了探討好氧顆粒污泥中群體感應(yīng)信號分子對于好氧顆粒污泥的形成和穩(wěn)定所起到的作用以外，好氧顆粒污泥培養(yǎng)條件的變化與群體感應(yīng)之間關(guān)系的研究已有報(bào)道。不同培養(yǎng)條件下形成的顆粒污泥具有不同的性能，群體感應(yīng)現(xiàn)象也有所區(qū)別，進(jìn)水基質(zhì)對于群體感應(yīng)影響顯著。陳國科等[32]對于碳氮負(fù)荷對好氧顆粒污泥群體感應(yīng)的影響進(jìn)行了探討。不同進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷下，好氧顆粒污泥群體感應(yīng)信號分子具有不同的強(qiáng)度。當(dāng)AI-2分子信號較強(qiáng)時(shí)，微生物之間交流活躍，群體感應(yīng)作用明顯，反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定且去除效果較好。并且泥相中的AI-2的濃度明顯高于水相中，最大相差可達(dá)到1552倍。因此顆粒污泥內(nèi)部的信號分子對于好氧顆粒污泥的影響更為直接。

4 好氧顆粒污泥群體感應(yīng)研究存在的問題

好氧顆粒污泥中群體感應(yīng)的研究較少，主要還停留在AHLs信號分子的研究上，并且大多使用的是傳統(tǒng)生物顯色法研究好氧顆粒污泥中是否存在種內(nèi)信號分子AHLs，對于好氧顆粒污泥群體感應(yīng)機(jī)制的研究以及對于種間和種內(nèi)種間信號分子的研究鮮有報(bào)道。好氧顆粒污泥作為一種泥水混合物，體系屬于非均相，可分為泥相和水相，Ding等[33]在對厭氧顆粒污泥群體感應(yīng)研究中，將厭氧顆粒污泥分為了混合相、泥相、水相以及水洗相，分別研究了各項(xiàng)中信號分子的種類及濃度。關(guān)于好氧顆粒污泥和絮狀活性污泥中信號分子的研究也存在差異，主要集中對水相的研究上，即主要檢測上清液中信號分子的種類和濃度。但是Xiong等[34]研究了好氧顆粒污泥水相和泥相中信號分子的濃度，結(jié)果表明使用超聲預(yù)處理后泥相中信號分子濃度顯著高于水相。由此可見，關(guān)于好氧顆粒污泥信號分子的種類和分布情況尚不明確，明確信號分子在好氧顆粒污泥中的分布規(guī)律是研究其群體感應(yīng)的前提。

5 展望

好氧顆粒污泥作為一種污水生物處理技術(shù)，前景廣闊，將好氧顆粒污泥快速的推廣到市場，必須解決其運(yùn)行穩(wěn)定性差的問題，因此這也將成為一個長期的研究熱點(diǎn)。本文總結(jié)了群體感應(yīng)信號分子在好氧顆粒污泥中的研究現(xiàn)狀。群體感應(yīng)信號分子不僅廣泛存在于好氧顆粒污泥中，并且能夠通過改變細(xì)胞運(yùn)動方式、促進(jìn)EPS的產(chǎn)生以及增強(qiáng)細(xì)胞粘附性等加速好氧顆粒污泥的?；^程并維持其穩(wěn)定性。目前已知的好氧顆粒污泥群體感應(yīng)信號分子種類較少，并且分布狀況以及作用機(jī)制尚不明確。從分子生物學(xué)角度，深入研究好氧顆粒污泥群體感應(yīng)機(jī)制對于好氧顆粒污泥實(shí)際應(yīng)用具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。