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(jī)制的原理及過(guò)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(jī)制；群體感應(yīng)猝滅法

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，膜技術(shù)現(xiàn)在正被越來(lái)越多地應(yīng)用于采出水的處理過(guò)程。雙模過(guò)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(xì)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(wú)機(jī)污染、有機(jī)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(zhǎng)速度非?？?，這將導(dǎo)致膜性能的損壞，所以生物污染是最嚴(yán)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(lái)的危害包括降低膜通量、增加鹽透過(guò)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(duì)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(xì)菌、對(duì)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(gè)原因被證明效果不佳。①在實(shí)際中無(wú)法保持大型膜系統(tǒng)無(wú)菌，系統(tǒng)中殘余的任何細(xì)菌最終都會(huì)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(duì)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(duì)膜材料友好、成本低、效果好等特點(diǎn)。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(jī)理

4.1 生物膜形成的階段

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

4.2 生物膜形成的過(guò)程

生物膜的形成是一個(gè)微生物細(xì)胞在溶液中的分離階段轉(zhuǎn)移到在反滲透膜表面強(qiáng)力附著的狀態(tài)的過(guò)程中[5]。在第一階段，單個(gè)微生物細(xì)胞在膜表面上自由地附著。大量的微生物在膜表面上移動(dòng)。這個(gè)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(xì)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(zhǎng)為一個(gè)成熟的生物膜。這個(gè)階段發(fā)生在微生物不可逆附著的幾個(gè)小時(shí)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(xì)胞或細(xì)胞群從微菌落的中心離開或分散。這會(huì)持續(xù)幾天甚至幾個(gè)月[6]。

5 群體感性機(jī)制

以下幾種生物法已經(jīng)被用來(lái)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(jī)制的原理及過(guò)程

群體感應(yīng)（quorum sensing）機(jī)制是微生物之間像語(yǔ)言一樣的一種細(xì)胞間的溝通機(jī)制。微生物可以通過(guò)群體感應(yīng)進(jìn)行溝通，這不僅可以發(fā)生在同一個(gè)單一的細(xì)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(guò)群體感應(yīng)來(lái)執(zhí)行一些生物學(xué)行為，如生物發(fā)光、運(yùn)動(dòng)、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(guò)程分為生產(chǎn)、發(fā)射和檢測(cè)群體感應(yīng)信號(hào)分子三個(gè)階段，群體感應(yīng)信號(hào)分子稱為自身誘導(dǎo)物（AIS）?？茖W(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了三種類型的群體感應(yīng)信號(hào)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(yáng)性菌，而N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯（AHL）作用于革蘭陰性菌，這只涉及在微生物細(xì)胞間交流。自身誘導(dǎo)物-2（AI-2）能夠有效作用于革蘭氏陽(yáng)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(hào)分子的作用機(jī)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(jī)制為：當(dāng)作為信號(hào)分子的自身誘導(dǎo)物-2濃度逐漸增加到閾值濃度時(shí)，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(jìn)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(guò)程最終都會(huì)導(dǎo)致微生物社會(huì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)證實(shí)，抑制群體感應(yīng)信號(hào)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(jī)制的方法

目前有4種方式用來(lái)控制群體感應(yīng)機(jī)制：

①抑制信號(hào)分子的產(chǎn)生；

②滅活或降解信號(hào)分子；

③產(chǎn)生群體感應(yīng)信號(hào)分子類似物，讓他們與真正的信號(hào)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(hào)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-酰基高絲氨酸內(nèi)酯（AHL）降解酶能降解信號(hào)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(xì)菌和混合種類細(xì)菌的膜生物污染均可以通過(guò)添加AHL降解酶來(lái)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(shí)驗(yàn)效果

氨基酰化酶I（豬腎臟）能夠通過(guò)使酰胺鍵斷裂來(lái)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(guó)）和膜生物反應(yīng)器（MBR）來(lái)驗(yàn)證群體感應(yīng)猝滅法。圖1是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其中（a）是持續(xù)的MBR和（b）是批式MBR。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中，超過(guò)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(hào)分子。如圖2所示，當(dāng)跨膜壓力達(dá)到30 kPa，AHL信號(hào)分子開始出現(xiàn)在生物濾餅中（藍(lán)色代表AHL信號(hào)分子的存在），生物濾餅中AHL信號(hào)分子在連續(xù)式膜生物反應(yīng)器（MBR）系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的時(shí)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(gè)試驗(yàn)來(lái)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(cè)定；（b）為AHL水平每生物量。

圖3（a）表明，沉積的污泥無(wú)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(shí)間的增加而增加。圖3（b）表明，在膜過(guò)濾過(guò)程的一定時(shí)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(jī)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_(dá)到10 mg/L。圖4為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，圖4（a）是加入了豬腎酰化酶I的土壤桿菌，而圖4（b）則是沒有加入豬腎?；窱的對(duì)比試驗(yàn)。

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

7 結(jié)語(yǔ)

膜生物污染仍然是廢水處理過(guò)程中亟待解決的最大的問(wèn)題。人們已經(jīng)嘗試了很多化學(xué)方法或生物方法來(lái)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(diǎn)是對(duì)膜材料綠色友好、不會(huì)損壞膜材料，并且成本低、效率高、操作簡(jiǎn)便。群體感應(yīng)淬滅法未來(lái)在工業(yè)應(yīng)用具有很大的前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]Khan M M T， Stewart P S， Moll D J， et al. Assessing biofouling on polyamide reverse osmosis （RO） membrane surfaces in a laboratory system[J].Journal of Membrane Science，2010，349 （1-2）：429～437.

[2]A1-Ahmad M， Aleem F A A， Mutiri A， et al. Biofuoling in RO membrane systems Part 1 Fundamentals and control [J]. Desalination，2000（132）：173～179.

[3]Varin K J， Lin N H， Cohen Y. Biofouling and cleaning effectiveness of surface nanostructured reverse osmosis membranes[J].Journal of Membrane Science，2013，446（0）：472～481.

[4]Paul D. Microelectronics water treatment system overview[J]. Ultrapure Water，2009，26（5）：38～40.

[5]Hans-Curt Flemming. Reverse Osmosis Membrane Biofouling[J]. Experimental Thermal and fluid Science， 1997（14）：382～391.

[6]JalehMansouri， Simon Harrissonbc， Vicki Chen. Strategies for controlling biofouling in membrane filtration systems： challenges and opportunities[EB/OL]. www.rsc.org/materials | Journal of Materials Chemistry

[7]YanghuiXiong， Yu Liu. Biological control of microbial attachment： a promising alternative for mitigating membrane biofouling[J]. Apply Microbiology Biotechnology， 2010（86）：825～837

[8]HuijuanXu， Yu Liu. D-Amino acid mitigated membrane biofouling and promoted biofilm detachment[J]. Journal of Membrane Science，2011（376）：266～274.

[9]Gonzalez JE， Keshavan ND. Messing with bacteria quorum sensing[J]. MicrobiolMolBiol Rev， 2006（70）：859～875.

[10]CheeMeng Pang， Peiying Hong， HuilingGuo， and et al.Biofilm Formation Characteristics of Bacterial Isolates Retrieved from a Reverse Osmosis Membrane[J]. Environ. Sci. Technol， 2005（39）：7541～7550.

[11]IlanaKolodkin-Gal， Diego Romero， Shugeng Cao， Jon Clardy， Roberto Kolter， Richard Losick. D-Amino Acids Trigger Biofilm Disassembly[J].Science， 2010，328（13）.

[12]Kyung-Min Yeon， Won-Seok Cheong， Hyun-Suk Oh， et al. Quorum Sensing： A New Biofouling Control Paradigm in a Membrane Bioreactor for Advanced Wastewater Treatment. Environ[J]. Sci. Technol，2009（43）：380～385.

[13]Kyung-min Yeon， Chung-hak Lee， and Jungbae Kim.Magnetic Enzyme Carrier for Effective Biofouling Control in the Membrane Bioreactor Based on Enzymatic Quorum Quenching[J].Environmental Science Technology，2009（43）：7403～7409.