張海豐，孫明媛，于海歡

（東北電力大學(xué)化工學(xué)院，吉林 吉林 132012）

與傳統(tǒng)活性污泥法相比，膜生物反應(yīng)器（membrane bioreactor，MBR）具有污泥產(chǎn)率低、容積負(fù)荷高、有機(jī)物去除率高、占地面積小、出水水質(zhì)優(yōu)良等明顯優(yōu)勢，因而近十年來被廣泛應(yīng)用于廢水處理與回用工藝中[1]。然而膜污染問題嚴(yán)重影響了該工藝的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性，其中與污泥混合液特性緊密相關(guān)的生物污染機(jī)理以及應(yīng)對措施的探討一直是此領(lǐng)域研究熱點(diǎn)[2]。污泥混合液絮體性質(zhì)及微生物代謝產(chǎn)物（胞外聚合物，extracellular polymeric substances，EPS；溶解性代謝產(chǎn)物，soluble microbial products，SMP）與膜生物污染關(guān)系密切[3]。

傳統(tǒng)減緩膜污染的研究主要圍繞 3個方面展開：膜材料與膜組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、調(diào)整反應(yīng)器運(yùn)行條件、提高污泥混合液可濾性[4]。盡管傳統(tǒng)控制膜污染的措施取得了一定的效果，然而膜表面生物膜的形成一直是傳統(tǒng)控制措施面臨的最大問題。生物膜及絮體附著而形成的膜表面泥餅層阻力占總阻力的80%以上[5]，因而如何抑制膜表面生物膜的形成是解決膜污染的關(guān)鍵問題。最近基于群體感應(yīng)（quorum sensing，QS）原理，以生物抗污染措施減緩MBR膜污染的研究備受關(guān)注，其中針對N-乙酰高絲氨酸環(huán)內(nèi)酯（N-acyl homoserine lactone，AHL）型QS信號分子（AHL-QS）的探索成為了研究焦點(diǎn)[6]。開展AHL-QS減緩膜污染的探索，對于進(jìn)一步認(rèn)識MBR生物污染機(jī)理及生物抗污染措施的工程化應(yīng)用具有重要的理論與實(shí)踐意義[7]。

1 AHL-QS對生物膜調(diào)節(jié)機(jī)制

圖1 MBR中AHL-QS對生物膜調(diào)節(jié)示意圖

QS是單細(xì)胞細(xì)菌相互交流并對周圍環(huán)境變化不斷作出反應(yīng)的一種細(xì)胞間的交流、調(diào)節(jié)機(jī)制，在同步基因表達(dá)和協(xié)調(diào)細(xì)菌群落間功能中起重要作用[8]。該系統(tǒng)中，首先由酶催化合成信號分子，信號分子擴(kuò)散或轉(zhuǎn)運(yùn)到達(dá)胞外并積累，當(dāng)達(dá)到一定閾值，能被QS細(xì)菌膜上的感應(yīng)系統(tǒng)識別，進(jìn)而引起受體蛋白的構(gòu)象或基因變化，最終激活靶基因的表達(dá)，從而使細(xì)菌適應(yīng)外界環(huán)境的變化[9]。前期研究表明，QS調(diào)控細(xì)菌的諸多生理功能，如共生、競爭、抗生素的合成、毒性因子的釋放、胞外多糖（EPS和SMP的主要成分）的合成與分泌、質(zhì)粒轉(zhuǎn)移、細(xì)菌聚集以及生物膜的形成等[10]。

QS的概念最初是隨著醫(yī)藥食品的發(fā)展而提出的，研究發(fā)現(xiàn)不同菌體的QS系統(tǒng)可利用不同的信號分子來調(diào)控目的基因表達(dá)[9]。根據(jù)作用對象和分子組成差異可分為：①革蘭陰性菌的 AHL信號分子；②革蘭陽性菌的寡肽介導(dǎo)AIP；③自誘導(dǎo)物Ⅱ（AI-2）[11]。基于 MBR菌種特征，開展以革蘭陰性菌AHL信號分子的研究，對減緩MBR膜污染更具有針對性。

在眾多QS信號分子中，AHL是細(xì)胞間交流最具代表性的家族之一[6]。MBR中以革蘭氏陰性菌為主，AHL介導(dǎo)的群體感應(yīng)在MBR中扮演重要角色。在革蘭陰性菌中，根據(jù)其碳鏈長度或?；鶄?cè)鏈取代基的差異，已鑒定出十余種AHL衍生物。圖1表示AHL-QS系統(tǒng)對生物膜的調(diào)節(jié)機(jī)制。由圖1可見，AHL-QS系統(tǒng)中2個核心成分：LuxR-型（R）調(diào)節(jié)器和 LuxI-型（I）蛋白質(zhì)，它們分別作為一種信號受體和一種 AHL合成酶。在低種群密度下，細(xì)菌產(chǎn)生基礎(chǔ)水平的 AHL信號分子，然后從細(xì)胞中釋放。隨著細(xì)胞增殖，AHL信號分子積累，當(dāng)達(dá)到一定濃度閾值時，AHL信號分子重新進(jìn)入細(xì)胞與 R蛋白相互作用形成 R-AHL復(fù)合體，復(fù)合體與目的激活子相互作用誘導(dǎo)目的基因表達(dá)[12-13]?；虮磉_(dá)結(jié)果產(chǎn)生大量微生物代謝產(chǎn)物（如EPS、SMP等），加速膜表面生物膜形成而造成膜污染。若通過某些方法阻斷AHL信號分子間交流，使AHL累積濃度在閾值以下，則AHL分子無法重新進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)與R蛋白結(jié)合構(gòu)成 R-AHL復(fù)合體，致使目的基因無法表達(dá)，減少微生物代謝產(chǎn)物的分泌，抑制生物膜形成，從而減緩膜污染[6]。將醫(yī)藥食品中的群體感應(yīng)概念引入 MBR膜分離的研究中，對于深入揭示MBR膜污染機(jī)理及控制膜生物污染十分必要。

2 AHL-QS降解酶對MBR膜污染影響

AHL是革蘭陰性菌 QS系統(tǒng)中常用的信號分子， AHL降解酶能有效地分解AHL-QS型信號分子，從而避免其在系統(tǒng)內(nèi)累積，使得利用 AHL降解酶控制以革蘭陰性菌為主的 MBR膜污染提供了可能。從醫(yī)藥生物學(xué)角度，不同微生物產(chǎn)生的AHL信號分子具有高度保守性，它們都含相同的高絲氨酸內(nèi)酯環(huán)狀結(jié)構(gòu)，差異在于碳鏈長度或?；鶄?cè)鏈上的取代基位置不同（圖2）。在已發(fā)現(xiàn)的降解酶中，內(nèi)酯酶和脫羧酶可在標(biāo)有1和2的位置上水解內(nèi)酯環(huán)使之成為?；呓z氨酸，而酰基轉(zhuǎn)移酶和脫氨酶可在標(biāo)有3和4的位置作用，使高絲氨酸內(nèi)酯環(huán)與酰基側(cè)鏈分離生成脂肪酸和高絲氨酸內(nèi)酯[14-15]。

隨著AHL信號作用機(jī)理的揭示和AHL降解酶的不斷出現(xiàn)，2009年Lee課題組[10]首次將豬腎?；D(zhuǎn)移酶添加至MBR反應(yīng)器中，驗(yàn)證應(yīng)用AHL-QS降解酶減緩膜污染的可行性。該研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)論具有重要的理論價值，主要體現(xiàn)在：①AHL-QS的主要信號分子（C8-HSL）與MBR膜污染顯著正相關(guān)；②豬腎?；D(zhuǎn)移酶可降解AHL-QS的信號分子，導(dǎo)致EPS含量降低，生物膜形成受到抑制；③豬腎?；D(zhuǎn)移酶的投加并未影響MBR處理效果。在此基礎(chǔ)上，該課題組將豬腎?；D(zhuǎn)移酶固定在磁性載體上以避免酶的流失，利用磁載體酶（magnetic enzyme carrier，MEC）控制膜污染[16]。實(shí)驗(yàn)中通過與直接投加的?；D(zhuǎn)移酶對比發(fā)現(xiàn)，無論在穩(wěn)定性或酶活性方面，MEC遠(yuǎn)好于未負(fù)載的?；D(zhuǎn)移酶；MEC-MBR內(nèi)EPS及SMP中多糖及蛋白質(zhì)含量顯著降低，膜污染速率大幅降低。將AHL-QS降解酶負(fù)載或包埋于載體中，使得該技術(shù)更具有工程應(yīng)用價值。

近期，Jiang等[17]用包埋技術(shù)將豬腎酰基轉(zhuǎn)移酶固定于海藻酸鹽多孔微球中，通過對混合液中影響膜污染因素的分析，揭示AHL-QS降解酶減緩膜污染機(jī)理。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)豬腎酰基轉(zhuǎn)移酶改變了污泥混合液特性，如污泥沉降性能及 Zetal電位增加；蛋白質(zhì)、多聚糖、黏度、疏水性降低；混合液與生物污染層中EPS及SMP組成及相對分子質(zhì)量分布發(fā)生改變。上述污泥混合液特性參數(shù)的變化改善了混合液的可濾性，降低了MBR膜污染速率。

盡管負(fù)載或包埋技術(shù)解決了AHL-QS降解酶流失及活性問題，然而該技術(shù)過于依賴反應(yīng)器內(nèi)的水力條件。研究發(fā)現(xiàn)，高速循環(huán)有利于降解酶與信號分子的接觸，強(qiáng)化信號分子的降解效率，然而會增加系統(tǒng)能耗，也可能造成活性污泥絮體解絮[18]。近期研究也發(fā)現(xiàn)，膜表面生物污染層與污泥混合液的組成有明顯差異，因而對膜表面生物污染層直接干預(yù)，對減緩膜污染更有實(shí)際意義[6]。Kim 課題組[19]將?；D(zhuǎn)移酶直接固定在納濾膜表面（圖3），用以減緩MBR膜污染。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這種新型膜可抑制泥餅層中微生物間的群體感應(yīng)，從而減緩膜污染。與直接投加至混合液中的降解酶相比，膜負(fù)載酶保持較高的活性。經(jīng)過20多次反復(fù)利用，酶活性仍保持在初始活性的90%以上。此外，這種納濾膜在連續(xù)運(yùn)行條件下，膜通量始終保持在初始流量的90%，而原膜通量在12h后下降了40%。將AHL-QS降解酶直接負(fù)載在膜表面更加有利于發(fā)揮降解酶的優(yōu)勢，更好地抑制膜表面生物的形成，而且不受水力條件限制，為該技術(shù)在MBR中的應(yīng)用指明了研究方向。但是，負(fù)載于膜表面酶的失活或再生問題仍有待進(jìn)一步深入探索。

圖2 AHL結(jié)構(gòu)及其酶降解產(chǎn)物

圖3 氨基轉(zhuǎn)移酶-納濾膜的示意圖

3 AHL-QS淬滅劑對MBR膜污染影響

鑒于AHL-QS在生物膜形成中具有重要作用，破壞或抑制AHL-QS信號分子的群體淬滅（quorum quenching，QQ）技術(shù)成為了減緩膜污染的重要研究方向。研究者首先開展了溴化呋喃酮對AHL-QS系統(tǒng)抑制的研究，研究發(fā)現(xiàn)溴化呋喃酮可在較低濃度抑制沙門氏菌血清型生物膜形成[20]。在其研究基礎(chǔ)上，Zang等[21]對溴化呋喃酮濃度在0～400μmol/L范圍進(jìn)行了定量探討，結(jié)果表明當(dāng)溴化呋喃酮濃度大于100μmol/L時，LuxS活性完全被抑制，從而阻斷信號分子的合成。至此以后，人工方法合成AHL-QS淬滅劑逐漸得到關(guān)注，如Kim等[22]合成一系列甲基鏈烷基酸酯衍生物，Gilles等[23]用苯三唑取代 AHL衍生物中氨基官能團(tuán)合成苯三唑二氫呋喃作為QS抑制劑，并發(fā)現(xiàn)這種化合物可有效抑制假單胞菌及伯克氏菌屬生物膜形成；上述研究中最重要的發(fā)現(xiàn)是AHL酰基鏈上4號位取代物有明顯QS對抗性。

然而人工合成的AHL淬滅劑應(yīng)用于MBR可能會影響生物處理效率，其對微生物的長期影響有待進(jìn)一步深入，從環(huán)境角度也有可能引入新污染物，因而從天然植物中提取AHL淬滅劑應(yīng)用于MBR更有發(fā)展前景。目前，研究者從一些具有抗菌、消炎、抗氧化等特點(diǎn)的植物中得到啟發(fā)，研究證實(shí)這類植物體內(nèi)含有或能夠分泌某些干擾QS系統(tǒng)的成分。

Zularisam課題組[24]通過對荖葉進(jìn)行熱提提取，考察了提取物（Piper betle extract，PBE）對MBR中銅綠假單胞菌株（Pseudomonas aeruginosa，PAO1）生物膜形成的影響，通過對比研究發(fā)現(xiàn)PBE對PAO1菌膜形成有顯著影響，菌膜增長率及生物膜形成速率分別下降87%與80%以上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了PBE可通過抑制AHL-QS信號分子生成來影響生物膜的形成及生長。在此基礎(chǔ)上，該課題組[25]在另一篇報(bào)道中系統(tǒng)闡述了PBE對MBR膜污染的影響。研究者發(fā)現(xiàn)MBR中存在3種AHL-QS信號分子，占主導(dǎo)地位的信號分子不是 Lee等發(fā)現(xiàn)的C8-HSL，而是C6-HSL，說明MBR中主導(dǎo)信號分子與反應(yīng)器運(yùn)行條件及微生物種群相關(guān)。此外，該研究也證實(shí)了 AHL-QS信號分子活性與膜污染及EPS濃度顯著正相關(guān)，PBE可通過抑制C6-HSL的產(chǎn)出來減緩膜污染。

研究者也先后從其他天然植物中提取到淬滅AHL-QS信號分子的有效成分。Abraham等[26]從姜黃中提取出的姜黃素可干擾多種細(xì)菌的QS系統(tǒng)，從而有效抑制成熟生物膜形成，并且在一定條件下姜黃素能影響QS依賴菌的胞外多糖、藻朊酸鹽分泌以及群游性等；Joemar等[27]從欖仁樹提取的單寧酸可作為青紫色蘇桿菌的QS抑制劑；Sybiya等[28]發(fā)現(xiàn)的刺山柑、Issac等[29]發(fā)現(xiàn)的孜然芹屬均有抗生物膜污染的潛力。然而部分天然植物中提取的AHL淬滅劑對生物膜的抑制是在純菌或批式實(shí)驗(yàn)中獲得的結(jié)果，目前缺乏在長期連續(xù)MBR運(yùn)行條件下對膜污染控制的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從植物中提取AHL-QS信號分子淬滅劑存在著提取及純化等復(fù)雜步驟，不利于MBR實(shí)際工程應(yīng)用。在活性污泥體系中，研究者發(fā)現(xiàn)某些微生物可產(chǎn)生?；呓z氨酸內(nèi)酯酶，因而純化此類微生物，利用其原位可產(chǎn)生抑制信號分子生成的淬滅劑，以控制MBR膜表面生物的形成。Oh等[30]首次開展了此項(xiàng)研究，為使目標(biāo)細(xì)菌更適應(yīng)MBR環(huán)境，研究者從實(shí)際運(yùn)行的MBR混合液及生物污染層中分離并純化細(xì)菌。將紅球菌屬（Rhodococcus sp. BH4）和能產(chǎn)生酰基高絲氨酸內(nèi)酯酶的埃希氏桿菌共同密封在微孔中空纖維膜內(nèi)，并有效控制微生物-管束的生物淤積（圖4）。由于密封于微孔膜中的細(xì)菌處于相對封閉的體系，微生物-管束在MBR中的群體淬滅活性可穩(wěn)定維持80天以上；微生物-管束的加入并未影響MBR對有機(jī)物的去除，對膜污染的減緩效果顯著。相比而言，新型的微生物-管束減緩膜污染最大的優(yōu)勢在于可原位產(chǎn)生AHL-QS信號分子淬滅劑，對于MBR工程應(yīng)用更具有實(shí)際意義。該課題組Jahangir等[31]在另一篇報(bào)道中闡述了操作條件下微生物-管束對膜污染的影響，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)微生物-管束對膜污染的減緩不僅與系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)速率有關(guān)，而且與膜的距離有關(guān)；較大的循環(huán)速率及較近的與膜距離，將顯著降低膜污染速率。

Kim等[32]將群體淬滅菌 BH4包埋于海藻酸鹽多孔微球中（cell entrapping beads，CEBs），投加至MBR中考察其對膜污染的影響。與微生物-管束相比，CEBs在MBR中的應(yīng)用更有優(yōu)勢，主要體現(xiàn)于：①CEBs在膜表面的物理摩擦作用，一方面剝離了部分生物污染層，另一方面強(qiáng)化了淬滅劑與生物膜中信號分子的接觸機(jī)會，減緩膜污染速率更為顯著；②CEBs對系統(tǒng)循環(huán)流速依賴小，其類似于流化床的設(shè)計(jì)更適合MBR實(shí)際應(yīng)用。

圖4 微生物-管束示意圖

4 結(jié) 語

與傳統(tǒng) MBR膜污染控制措施相比，針對AHL-QS信號分子的控制研究有望從根本上解決MBR的膜污染問題。該策略以生物抗污染技術(shù)為基礎(chǔ)，具有高效、低毒、持久及低成本等優(yōu)勢，對MBR工藝實(shí)際工程應(yīng)用具有光明的前景。目前，針對AHL-QS信號分子降解或淬滅的研究取得了一定的成果，然而研究成果主要體現(xiàn)于理論探索或?qū)嶒?yàn)室階段，未來該領(lǐng)域的研究需在以下方面進(jìn)行深入探索。

（1）前期研究中已證實(shí) MBR中存在多種AHL-QS信號分子，而且主導(dǎo)信號分子與反應(yīng)器操作條件關(guān)系密切，因而今后的研究重點(diǎn)應(yīng)系統(tǒng)考察操作條件對AHL-QS主導(dǎo)信號分子的影響，強(qiáng)化對信號分子的識別技術(shù)，為MBR實(shí)際工程提供理論依據(jù)。

（2）目前針對 AHL-QS降解酶的負(fù)載或包埋技術(shù)過多體現(xiàn)在對膜污染可行性的論證方面，今后的研究應(yīng)側(cè)重于維持酶活性方面，如優(yōu)化操作條件維持酶活性等；比較而言，膜負(fù)載酶技術(shù)對膜污染的減緩更為直接，因而如何強(qiáng)化膜表面負(fù)載的酶活性尚需深入。

（3）基于 AHL-QS信號分子淬滅領(lǐng)域的研究較為活躍，其中利用某些細(xì)菌原位產(chǎn)生信號分子淬滅劑的探索將成為該領(lǐng)域今后研究的熱點(diǎn)，因此系統(tǒng)考察此類細(xì)菌習(xí)性，優(yōu)化負(fù)載或包埋條件以適應(yīng)此類細(xì)菌生長將成為非常重要的研究課題。

AHL-QS的研究為揭示MBR膜污染機(jī)理及減緩措施提供了嶄新的前景，加強(qiáng)信號分子識別，深入探索 QS對微生物代謝機(jī)制的影響，結(jié)合 MBR工程實(shí)際更好地利用降解酶或淬滅劑，是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)工程化的重要保障。

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