上海GMP純化水設(shè)備解讀：膜生物污染控制對(duì)膜技術(shù)在水處置應(yīng)用中的發(fā)展具有重要意義
【上海水處理設(shè)備網(wǎng)shwebi.cn】膜分離技術(shù)利用具有選擇透過性的半透膜實(shí)現(xiàn)多組分體系的分離和純化，生物、醫(yī)藥、石油化工、食品、環(huán)保等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。近年來膜分離在污廢水處理、海水淡化、飲用水凈化、純水制備等水處置應(yīng)用中已成為重要技術(shù)。膜污染是水處置膜分離應(yīng)用面臨的主要問題之一。處置物料中的微粒、膠體、溶解性有機(jī)物、金屬沉淀物、微生物等污染物造成外表堆積和膜孔堵塞，使膜的透水性和分離特性發(fā)生不可逆變化，將降低產(chǎn)水量和出水水質(zhì)，提高跨膜壓差（transmembranpressurTMP并縮短膜的壽命。根據(jù)污染物的特性，膜污染分為無機(jī)污染、有機(jī)污染和生物污染等類型。其中，微生物可在膜上附著生長(zhǎng)，形成的生物膜及其蛋白質(zhì)、多糖等代謝產(chǎn)物還會(huì)改變膜表面特性，加速其他類型的污染過程。因此，生物污染比有機(jī)污染和無機(jī)污染影響更為嚴(yán)重。膜生物污染控制對(duì)膜技術(shù)在水處置應(yīng)用中的發(fā)展具有重要意義。上海GMP純化水設(shè)備
膜污染控制主要通過膜材料選擇、組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、料液參數(shù)、操作條件和膜清洗再生等方法實(shí)現(xiàn)�；谏锓椒ǖ哪べY料改性和膜污染控制是膜分離領(lǐng)域研究的前沿方向。細(xì)菌可通過發(fā)生自誘導(dǎo)物（autoinducAI調(diào)控細(xì)胞密度依賴型的基因表達(dá)，從而調(diào)節(jié)細(xì)菌群體的生理特征，如發(fā)生胞外聚合物（extracellularpolymersubstancEPS形成生物膜等，這一現(xiàn)象稱為群體感應(yīng)（quorumsensQS通過干擾和阻斷細(xì)菌的QS通路，可抑制相關(guān)基因的表達(dá)，該群體淬滅機(jī)制能抑制生物膜的形成，其在膜污染控制中的研究已引起關(guān)注。本文對(duì)近年來基于群體感應(yīng)的膜生物污染及膜資料改性等研究進(jìn)行綜述，為水處置應(yīng)用中的膜生物污染控制和抗污染膜材料的開發(fā)提供新思路。
摘 要
生物污染是水處置膜分離應(yīng)用面臨的主要問題之一。生物膜的形成受細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)控，群體感應(yīng)抑制是控制膜生物污染的新興技術(shù)。介紹了群體感應(yīng)機(jī)制及其參與生物膜形成的有關(guān)研究。通過干擾和阻斷細(xì)菌的信息交流通路，可阻止群體感應(yīng)依賴型基因表達(dá)從而抑制細(xì)菌的特定群體行為。綜述了基于細(xì)菌群體感應(yīng)和群體淬滅的水處置膜生物污染控制研究。考察了各類群體感應(yīng)抑制劑在膜法水處置系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及抑制劑固定化、膜資料改性等研究進(jìn)展。展望了群體感應(yīng)理論在膜生物污染控制中的研究方向。
01群體感應(yīng)機(jī)理
群體感應(yīng)是細(xì)菌之間進(jìn)行信息交流從而調(diào)節(jié)群體行為的一種方式。Nealson等對(duì)海洋費(fèi)氏弧菌（Vibriofischeri生物發(fā)光的研究發(fā)現(xiàn)熒光素酶在細(xì)胞增長(zhǎng)到較高密度后迸發(fā)性合成。之后Fuqua等提出群體感應(yīng)的概念，指細(xì)菌能產(chǎn)生、釋放和檢測(cè)特定化學(xué)信號(hào)分子（即AI以此感知周圍環(huán)境的細(xì)胞密度，當(dāng)細(xì)菌密度達(dá)到一定水平，信號(hào)分子濃度積累到一定閾值，就會(huì)啟動(dòng)特定基因的表達(dá)，表示與單個(gè)細(xì)胞不同的群體生理行為，如生物發(fā)光、毒素分泌、孢子發(fā)生和生物膜形成等。 上海純水設(shè)備
根據(jù)信號(hào)分子和感應(yīng)機(jī)制的不同，QS系統(tǒng)主要包括以下幾類（如圖1
圖1細(xì)菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)
1革蘭氏陰性菌的LuxI/LuxR型QS系統(tǒng)，以�；呓z氨酸內(nèi)酯（acylhomoserinlactonAHL為信號(hào)分子。細(xì)胞由LuxI型蛋白合成AHL分泌到胞外的AHL隨細(xì)胞密度上升積累到閾值，擴(kuò)散進(jìn)入胞內(nèi)與LuxR型受體蛋白結(jié)合，形成的LuxR-A HL復(fù)合體結(jié)合靶基因的啟動(dòng)子，激活相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄。AHL分子由一個(gè)高絲氨酸內(nèi)酯環(huán)和不同分子量、不同結(jié)構(gòu)的酰基側(cè)鏈組成，LuxR蛋白對(duì)其同源AHL有較強(qiáng)結(jié)合特異性，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞種內(nèi)通訊。自V.fischeri中發(fā)現(xiàn)自誘導(dǎo)物AHL以來，AHL介導(dǎo)的群體感應(yīng)也在銅綠假單胞菌（Pseudomonaaeruginosa等革蘭氏陰性菌中大量發(fā)現(xiàn)并開展深入研究。
2革蘭氏陽(yáng)性菌的雙組分QS系統(tǒng)，以經(jīng)過修飾的寡肽類分子（autoinducpeptidAIP為信號(hào)分子。AIP前驅(qū)體在胞內(nèi)經(jīng)修飾后形成穩(wěn)定、特異的AIP由ATP結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)組件或其他膜通道蛋白運(yùn)輸?shù)桨�，胞�?span>AIP濃度到達(dá)閾值，信號(hào)分子被細(xì)胞膜上的激酶識(shí)別，激酶的組氨酸殘基發(fā)生磷酸化，磷酸基團(tuán)由胞內(nèi)的天冬氨酸殘基轉(zhuǎn)運(yùn)至受體蛋白，蛋白磷酸化后結(jié)合靶基因并觸發(fā)基因表達(dá)。感應(yīng)體系由于細(xì)胞膜激酶對(duì)AIP高度選擇性而同樣具有特異性。
3細(xì)菌種間交流的QS系統(tǒng)。AHL和AIP參與細(xì)菌的種內(nèi)群體感應(yīng)，稱為AI-1而由AI-2介導(dǎo)的細(xì)菌種間交流在革蘭氏陰性和陽(yáng)性菌中均有發(fā)現(xiàn)。較為典型的革蘭氏陰性菌哈氏弧菌（Vibrioharveyi生物發(fā)光QS通路中，與AHL類似的HA I-1由LuxLM合成并由LuxN感應(yīng)；呋喃酰硼酸二酯類化合物作為AI-2由LuxS合成并由LuxP和LuxQ感應(yīng)，其識(shí)別方式與革蘭氏陽(yáng)性菌的雙組分激酶識(shí)別系統(tǒng)相同，LuxN和LuxQ通過磷酸轉(zhuǎn)移酶LuxU將信號(hào)傳送至調(diào)節(jié)蛋白LuxOLuxR協(xié)助下啟動(dòng)基因表達(dá)。上海GMP純化水設(shè)備
群體感應(yīng)已在銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、沙門氏菌、枯草芽孢桿菌和豆科根瘤菌等很多細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)。細(xì)菌使用多種信號(hào)分子和受體蛋白進(jìn)行多個(gè)回路的并行或串聯(lián)作用，體現(xiàn)出復(fù)雜的QS機(jī)制。許多革蘭氏陰性菌使用AHL同時(shí)發(fā)生AI-2同樣，許多革蘭氏陽(yáng)性菌具有AIP和AI-2通路。細(xì)菌通過合成和感應(yīng)多種信號(hào)分子評(píng)估種內(nèi)密度和其他種群的密度，不時(shí)調(diào)節(jié)群體行為。
02群體感應(yīng)對(duì)生物膜形成的作用
生物膜的形成是QS研究中最受關(guān)注的生理特性之一。生物膜是附著在載體外表由EPS包裹、有組織生長(zhǎng)的細(xì)菌聚集體。生物膜的形成包括可逆粘附定殖、不可逆粘附集聚、細(xì)菌繁殖、生物膜幼稚及生物膜老化脫落等階段。細(xì)菌通過群體感應(yīng)調(diào)控生物膜形成及菌群在生物膜內(nèi)的行為。Davi等在P.aeruginosa研究中發(fā)現(xiàn)信號(hào)分子參與生物膜的形成過程，其信號(hào)突變株（lasI突變株）形成的生物膜呈扁平狀，對(duì)殺菌劑十二烷基硫酸鈉相比野生型更敏感；投加外源信號(hào)分子后，突變株生物膜呈正常狀態(tài)；研究指出QS系統(tǒng)參與了生物膜的分化過程。之后Bassler等發(fā)現(xiàn)P.aeruginosa有兩個(gè)典型的LuxI/LuxR系統(tǒng)（LasI/R和RhlI/R分別發(fā)生和檢測(cè)3OC12-HSL和C4-HSLRhlR同時(shí)指導(dǎo)RhlI依賴型和非RhlI依賴型調(diào)節(jié)子，缺乏RhlI時(shí)，RhlR控制生物膜形成所需基因的表達(dá)。 上海純水設(shè)備
群體感應(yīng)對(duì)生物膜各階段調(diào)控作用的研究已有報(bào)道。金黃色葡萄球菌通過副基因調(diào)節(jié)器QS系統(tǒng)協(xié)調(diào)外表粘附行為。群體感應(yīng)通過控制EPS合成基因來調(diào)控霍亂弧菌（Vibriocholera生物膜的幼稚，相比野生型，ΔhapR突變株中vpsA -K和vpsL-QEPS支配子的表達(dá)被誘導(dǎo)，生物膜被強(qiáng)化，而ΔluxO突變株中的支配子被下調(diào)，形成的生物膜受損。液化沙雷氏菌（Serratialiquefacien集群細(xì)胞分化受N-丁�；�-L-高絲氨酸內(nèi)酯和N-乙基-L-高絲氨酸內(nèi)酯調(diào)控，其AHL合成基因swrI修飾后突變株不表示群集運(yùn)動(dòng)，形成的生物膜稀薄，但添加外源AHL后恢復(fù)群集運(yùn)動(dòng)。黃單胞桿菌（Xanthomonacampestri胞外甘露糖苷酶參與黃原膠的裂解和聚集體的溶解擴(kuò)散，其合成受DSF/rpfQS系統(tǒng)調(diào)節(jié)。V.choleraQS系統(tǒng)在高細(xì)胞密度時(shí)會(huì)抑制生物膜的形成，促使生物膜在不良條件時(shí)解體。
03基于群體感應(yīng)的膜污染控制
1.群體感應(yīng)的抑制
群體淬滅是通過干擾細(xì)胞間的信息交流，阻止QS依賴型基因表達(dá)而抑制細(xì)菌的特定群體行為。根據(jù)QS系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)，群體感應(yīng)抑制有以下幾種途徑。1抑制信號(hào)分子的發(fā)生。AHL胞內(nèi)通過�；�-酰基載體蛋白和S-腺苷甲硫氨酸結(jié)合合成，參與合成的酶包括AHL合成酶、烯�；d體蛋白還原酶、�；d體蛋白酶等。AIP通過前體肽的斷鏈和修飾合成。通過消除底物或抑制合成酶活性可阻斷信號(hào)分子合成。例如，S-腺苷甲硫半胱氨酸同系物對(duì)P.aeruginosa信號(hào)合成酶RhlI活性有抑制效果，可抑制信號(hào)分子合成。2降解信號(hào)分子。具有信號(hào)分子降解活性的細(xì)菌、酶和化合物已有報(bào)道。You等從海洋放線菌中分離出多種菌株，能降低AHL活性，抑制V.harveyi創(chuàng)傷弧菌（Vibriovulnificu和鰻弧菌（Vibrioanguillarum生物膜形成。Augustin等從芽胞桿菌（Bacilluspp.中獲得的AHL內(nèi)酯酶（AiiA 可抑制V.cholera生物膜形成。Lin等從羅爾斯通氏菌（Ralstoniasp.XJ12B中合成的�；�AiiD可降解長(zhǎng)鏈3OC12-HSL和短鏈上海GMP純化水設(shè)備C4-HSLHClOHBrO等化合物也可通過鹵代反應(yīng)降解3-oxo-A HL3阻止信號(hào)分子與受體蛋白的結(jié)合。通過降低受體蛋白活性或引入信號(hào)分子類似物競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合受體蛋白可以抑制細(xì)菌QS系統(tǒng)。鹵代呋喃酮能使受體蛋白失活而抑制P.aeruginosa生物膜形成和毒素產(chǎn)生。黃芩苷和大黃素與信號(hào)分子有相似結(jié)構(gòu)，可競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合受體蛋白TraR抑制P.aeruginosa生物膜形成，其結(jié)合體能改變蛋白構(gòu)象使之易于水解，進(jìn)而阻斷由QS控制的反應(yīng)及功能表達(dá)。
2.基于群體感應(yīng)的水處置膜污染控制
細(xì)菌在水處置膜外表滋生形成生物膜，影響系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。采用群體淬滅方法可抑制生物膜形成，并減少化學(xué)殺菌劑引起的細(xì)菌抗性等問題。Xu等在厭氧膜生物反應(yīng)器（membranbioreactorMBR中發(fā)現(xiàn)游離菌團(tuán)中低豐度的AHL介導(dǎo)的Rhodocyclaceae;g-生物膜形成初期易于造成污染，而群體淬滅可延緩生物膜的初始形成，并改變幼稚生物膜的菌種結(jié)構(gòu)。目前已有研究將QS理論應(yīng)用于膜污染控制中，并開發(fā)多種群體感應(yīng)抑制劑，以期獲得更高效安全的生物污染控制方法。 上海純水設(shè)備
1利用群體感應(yīng)抑制化合物控制膜污染
人工合成和天然的QS抑制劑對(duì)膜生物污染的控制研究已有報(bào)道。呋喃酮類化合物可通過鈍化la和rhl受體蛋白抑制P.aeruginosa等細(xì)菌的生物膜形成。經(jīng)過修飾的內(nèi)酯類、鄰苯三酚、噻唑烷二酮類化合物等也可通過與載體蛋白競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合抑制群體感應(yīng)。許多生物中含有群體淬滅功能的化合物，其中一些具有信號(hào)分子類似結(jié)構(gòu)的化合物能夠競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合受體蛋白；局部天然化合物能夠通過降解LuxR/LasR受體蛋白阻斷QS通路。Ponnusami等研究顯示香草醛對(duì)C4-HSL3-oxo-C8-HSLC6-HSLC8-HSLC14-HSL和C10-HSL均有抑制活性，從反滲透（reversosmosiRO膜生物膜中分離的嗜水氣單胞菌（Aeromonahydrophila添加香草醛的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)受限，香草醛濃度為0.25mg/mL時(shí)可減少46.3%生物膜量形成。Katebian等通過外表堆積將香草醛和肉桂醛負(fù)載于RO膜SW30XLE和SWC5外表，接種Alteromonasp.和Shewanellasp.合成海水過濾中，通量下降分別從50%減至34%SW30XLE和從22%減至15%SWC5改性后膜表面的多糖產(chǎn)生量、活菌和死菌分別減少15%58%和61%Xu等研究表明D-酪氨酸可抑制活性污泥微生物AI-2eDNA 多糖和蛋白質(zhì)的合成，從而減少在親水玻片和疏水聚丙烯載體外表的附著，投加6mg/LD-酪氨酸可減少生物附著量達(dá)22%底物分析顯示D-酪氨酸對(duì)底物去除無明顯影響。Siddiqui等將萎葉提取物加入MBR處置合成印染廢水，相比對(duì)照組以及C6-HSL強(qiáng)化的MBRTMP上升速度減緩，且膜外表生物膜內(nèi)檢測(cè)到AI-2濃度減少約40% 上海GMP純化水設(shè)備
具有群體淬滅特性的化合物在膜污染控制中已取得成效，化合物抑制劑具有較穩(wěn)定的性質(zhì)，可投加至反應(yīng)器或通過慣例方法用于膜改性，實(shí)際應(yīng)用可行性高。已報(bào)道的化合物大部分在干擾生物膜形成時(shí)對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)無抑制作用，不產(chǎn)生抗性，同時(shí)堅(jiān)持細(xì)菌對(duì)底物的降解效率。Kappacheri等將RO膜在投加0.18mg/mL香草醛的CDC生物膜反應(yīng)器中培養(yǎng)，3天后較無香草醛時(shí)的A.hydrophila生物膜覆蓋度、平均厚度、總生物量和總蛋白質(zhì)分別降低93%97%96%和97%但外表預(yù)形成生物膜的RO膜在香草醛反應(yīng)器中培養(yǎng)1天后生物膜無明顯變化。水處置應(yīng)用中，活性污泥和生物膜中的EPS對(duì)抑制劑有抵御作用，可減少抑制劑對(duì)其功能菌活性的破壞，這將有利于群體淬滅在生物膜-膜生物反應(yīng)器等復(fù)合工藝中的應(yīng)用。除香草醛、肉桂醛等之外，玫瑰茶多酚、香芹酚等天然QS抑制劑對(duì)生物膜形成也有抑制效果，有利于提高群體淬滅在水處置應(yīng)用中的平安性。但局部化合物的作用是通過與相似分子結(jié)構(gòu)的信號(hào)分子競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合受體蛋白，淬滅效果受限于信號(hào)分子側(cè)鏈結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度等因素。因此該類抑制劑對(duì)不同菌種的QS通路干擾作用也有差異，對(duì)混合菌種培養(yǎng)體系的影響有待進(jìn)一步考察，為其在實(shí)際膜法水處理中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。
2利用群體淬滅酶控制膜污染
群體淬滅酶可降解QS信號(hào)分子、干擾信號(hào)分子的合成或鈍化受體蛋白，從而抑制QS通路。已有研究的淬滅酶包括AHL內(nèi)酯酶、�；D(zhuǎn)移酶和氧化還原酶等，作用于AHL分子內(nèi)酯環(huán)或側(cè)鏈等多個(gè)位點(diǎn)，使內(nèi)酯環(huán)開環(huán)生成�；呓z氨酸，或使�；鶄�(cè)鏈斷裂轉(zhuǎn)化成高絲氨酸內(nèi)酯環(huán)和脂肪酸，或催化還原�；鶄�(cè)鏈形成羥基高絲氨酸，從而降解或滅活信號(hào)分子。上海GMP純化水設(shè)備
�；D(zhuǎn)移酶等群體淬滅酶在膜生物污染控制中的研究開展較早且有效性已得到驗(yàn)證。Yeon等觀察到MBR膜外表生物膜中AHL濃度隨運(yùn)行時(shí)間增加，并與TMP上升正相關(guān)；將10mg/L�；D(zhuǎn)移酶加入MBR后生物污染引起的TMP升高減緩，形成的生物膜中AHL濃度減少（圖2考慮到臨時(shí)運(yùn)行下游離酶的活性和流失，已有研究采用載體固定淬滅酶以提高處置效果穩(wěn)定性。Yeon等采用磁性二乙烯基苯-甲基丙烯酸縮水甘油酯離子交換樹脂載體固定酰基轉(zhuǎn)移酶（圖3控制MBR生物膜集聚；投加酶載體的MBR運(yùn)行48h后TMP堅(jiān)持在10kPa左右的初始值，未投加酶載體MBRTMP增加到30kPa左右。Lee等在帶磁性納米顆粒的球狀介孔二氧化硅載體中固定�；D(zhuǎn)移酶，低酶量和高有機(jī)負(fù)荷的條件下也能堅(jiān)持淬滅酶的抗污染活性，將載體與微濾膜混合培養(yǎng)，膜表面P.aeruginosa生物膜的形成減緩。Jiang等將固定�；D(zhuǎn)移酶的海藻酸鈉膠囊投入MBR使TMP增長(zhǎng)速度從0.611kPa/h降至0.075kPa/h膜表面EPS累積量減少50%而COD氨氮、總氮等污染物去除率無明顯影響，同時(shí)可提高污泥沉降性能。使用QS抑制劑進(jìn)行膜改性也是控制膜污染的有效方法之一。Kim等通過合成殼聚糖-酰基轉(zhuǎn)移酶基質(zhì)，將酰基酶固定在納濾膜表面，經(jīng)過38h操作，改性納濾膜的通量仍保持在初始通量的90%以上，而未改性的膜在12h后通量開始下降，并繼續(xù)下降至60%改性膜外表生物積累量從1.15μm3/cm2減少至0.06μm3/cm2圖4Kim等通過酶吸附沉淀交聯(lián)法將�；D(zhuǎn)移酶固定于碳納米管上，然后采用聚多巴胺將其負(fù)載于PVDF膜上，改性后膜外表生物膜形成得到抑制，過濾接種P.aeruginosa料液時(shí)TMP增長(zhǎng)至25kPa所需時(shí)間從11h延長(zhǎng)至18hZhu等制備了�；D(zhuǎn)移酶/氧化石墨烯改性PVDF膜，改性后膜外表生物積累量減少84%有效抑制了生物膜的形成。 上海純水設(shè)備
圖2投加酰基轉(zhuǎn)移酶和AHLMBR測(cè)試結(jié)果
圖3層層自組裝制備離子交換樹脂磁性酶載體示意
圖4膜表面P.aeruginosa生物膜的激光共聚焦掃描顯微鏡
相比化合物抑制劑，群體淬滅酶可降低反應(yīng)所需活化能，大幅提高淬滅效率。酶可作用于范圍更廣的同類信號(hào)分子合成、累積和受體蛋白結(jié)合，有利于淬滅混合菌群的QS通路。但通過群體淬滅降低生物污染是可逆的群體淬滅停止后膜分離性能將不會(huì)被改善，因而需要不時(shí)引入抑制劑實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效的膜污染控制，使用淬滅酶的運(yùn)行利息較高。另外，酶對(duì)高溫、酸堿等環(huán)境條件極為敏感，利用載體固定化或結(jié)合膜資料改性有利于維持酶的活性，需進(jìn)一步研究固定方法和載體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，促進(jìn)酶的控制釋放和活性保持。
3利用群體淬滅菌控制膜污染
群體淬滅菌的應(yīng)用也是膜污染控制領(lǐng)域的研究方向之一，可克服群體淬滅酶在活性和高利息等方面的問題。群體淬滅菌能以多種信號(hào)分子為碳源和能源，如紅平紅球菌（Rhodococcuerythropoli可降解�；鶄�(cè)鏈長(zhǎng)C8-C143-oxo-A HL等信號(hào)分子。已有研究從活性污泥中分離出多種群體淬滅菌。Oh等從污水處理MBR中分離出的紅球菌（Rhodococcusp.BH4對(duì)C8-HSL具有分解作用，可使膜外表生物膜更稀薄。Cheong等從污水處置廠活性污泥中純化得到可發(fā)生酰基轉(zhuǎn)移酶的假單胞菌（Pseudomonasp.1A 1對(duì)C10-HSLC12-HSL等長(zhǎng)鏈AHL和3-oxo-C12-HSL降解能力更高。Kampouri等從市政污水處置廠活性污泥中篩選得到乳酸菌（Lactobacillusp.SBR04MA 該菌株使50μMC6-HSL9h內(nèi)完全降解。Ham等從MBR中分離的腸球菌（Enterococcusp.HEMM-1能分泌內(nèi)酯酶降解AHLCDC生物膜反應(yīng)器中可使微濾膜外表活性污泥形成的生物膜厚度從25.98μm減至13.41μm 上海純水設(shè)備
群體淬滅菌在膜污染控制中的實(shí)際應(yīng)用也在探索中。Oh等將分泌AHL內(nèi)酯酶的重組大腸桿菌和群體淬滅菌BH4分別注入聚乙烯中空纖維膜（圖5a將該微生物容器置于MBR后能減緩TMP上升，其中BH4MBR運(yùn)行40天后TMP為20kPa無BH4MBR為50kPa經(jīng)Oh等分析，BH4通過分泌AHL內(nèi)酯酶使C8-HSL開環(huán)而被降解，BH4對(duì)考察的8種AHL10min內(nèi)降解率為10-80%其中酰基側(cè)鏈含oxo基團(tuán)的AHL降解率較低，側(cè)鏈越長(zhǎng)越易被降解；信號(hào)分子在BH4胞內(nèi)降解較胞外明顯更高。Weerasekara等將BH4微生物容器置于MBR中，聯(lián)合使用淬滅菌和氯清洗的反應(yīng)器50天后TMP升至20kPa只使用氯清洗的反應(yīng)器則升至50kPa該聯(lián)合方法使過濾能耗減少約74%且Cl2當(dāng)量濃度100mg/L次氯酸鈉對(duì)BH4淬滅活性無影響。Kim等將BH4包埋于可自由移動(dòng)的海藻酸鈉微球中（圖5b通過物理摩擦和群體淬滅的雙重作用減輕膜外表微生物附著，使TMP升至70kPa時(shí)間延長(zhǎng)10倍。為減少海藻酸鈉微球在水中的分解，Lee等制備了BH4海藻酸鈉/聚乙烯醇微球，應(yīng)用于中試規(guī)模的一段式MBR和三段式MBR中，實(shí)際污水處置結(jié)果顯示，投放淬滅菌微球后一段式和三段式MBRTMP從10kPa上升至20kPa時(shí)間分別從~15天延至~28天、從18天延至35天；上海GMP純化水設(shè)備一段式MBR淬滅菌的C8-HSL降解活性在前25天減少40%但60天后逐漸恢復(fù)至初始值，三段式MBR淬滅菌活性在100天內(nèi)降低10-20%淬滅菌微球不影響出水水質(zhì)，還可減少膜清洗的曝氣能耗。Lee等將BH4制備成海藻酸鈉/聚乙烯醇中空?qǐng)A柱，以提高載體內(nèi)的傳質(zhì)效率（圖5cKampouri等將乳酸菌SBR04MA 制備成海藻酸鈉微球，MBR中可減少膜外表溶解性微生物產(chǎn)物和EPS發(fā)生，使臨界通量從8.3L/m2h提高到24.25L/m2h且不影響COD去除效率。Oh等也試驗(yàn)了具有淬滅功能的重組大腸桿菌對(duì)RO膜污染的抑制，無淬滅菌的RO系統(tǒng)TMP115h時(shí)增加一倍，其中前97h增加20%而后18h增加80%接種淬滅菌的系統(tǒng)115h時(shí)TMP增加33%但136h時(shí)為初始TMP兩倍。除向系統(tǒng)中投加游離態(tài)菌株以外，Shah等將混合BH4海藻酸鈉/聚乙烯醇溶液涂覆在聚砜和PVDF中空纖維膜上，改性后膜初始水通量降低了34-47%但膜污染被延緩了57-67%將是提高膜資料抗污染性能的新途徑。
圖5群體淬滅菌固定化載體
群體淬滅菌在水處置膜污染控制中具有很大的應(yīng)用潛力。淬滅菌可分泌多種淬滅酶，以不同種類的信號(hào)分子為生長(zhǎng)底物，降解信號(hào)分子，相比其他抑制劑更有利于抑制混合菌群引起的膜污染。雖然淬滅菌活性弱于直接添加淬滅酶，但利息低且對(duì)操作條件適應(yīng)性更強(qiáng)，有利于提高實(shí)際應(yīng)用可行性。群體淬滅菌在污廢水處理、海水淡化等系統(tǒng)中廣泛存在從水處置系統(tǒng)中篩選高效的淬滅菌將是研究熱點(diǎn)之一。另外，可采用生物撫慰法原位培養(yǎng)群體淬滅菌。已有研究將與γ-已內(nèi)酯加入MBR中以激活淬滅菌，可使系統(tǒng)中AHL內(nèi)酯酶生成基因增多，使膜污染得到控制。
04結(jié)束語(yǔ)
膜生物污染是膜技術(shù)在水處置應(yīng)用中亟待解決的關(guān)鍵問題。通過干擾細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)抑制生物膜的形成已被證明是有效控制生物污染的新技術(shù)，膜污染控制中具有良好的應(yīng)用前景。現(xiàn)有研究對(duì)群體感應(yīng)系統(tǒng)機(jī)制和對(duì)生物污染的調(diào)控方法仍較局限。今后需對(duì)水處置膜分離中的群體淬滅機(jī)理和應(yīng)用開展深入探討，研究方向包括以下方面：
1針對(duì)水處理應(yīng)用，研發(fā)有效、穩(wěn)定的群體感應(yīng)抑制化合物和群體淬滅酶，從水處置系統(tǒng)中篩選或采用基因重組方法構(gòu)建新型群體淬滅菌。目前研究以AHL介導(dǎo)的系統(tǒng)為主，用于其他種內(nèi)和種間QS通路的抑制劑較少。鑒于進(jìn)水中的微生物多樣性，需探索抑制劑對(duì)優(yōu)勢(shì)菌和混合菌群的作用，評(píng)價(jià)膜污染緩解效果，并考察其對(duì)出水水質(zhì)和環(huán)境安全的影響。 上海純水設(shè)備
2研究群體感應(yīng)抑制劑的引入方法。固定化抑制劑在污染控制效果和穩(wěn)定性方面較游離態(tài)更有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于載體固定化抑制劑，由于淬滅效率受限于反應(yīng)器到載體內(nèi)部的傳質(zhì)速率，需研究新型的載體制備技術(shù)和載體結(jié)構(gòu)。通過生物撫慰等方法可原位強(qiáng)化水處理系統(tǒng)的群體淬滅菌。另外，采用QS抑制劑進(jìn)行膜資料制備和改性，改善抑制劑釋放的可控性，將有利于精準(zhǔn)地控制膜表面的微生物集聚，提高膜抗污染能力和清洗效率。
3生物膜法和活性污泥等生物處理是水處理中的主要單元之一。細(xì)菌的集聚對(duì)菌膠團(tuán)生長(zhǎng)、載體掛膜、污泥絮凝沉降等過程有重要作用。例如，生物膜-膜生物反應(yīng)器等生物膜法和膜分離的結(jié)合工藝中，細(xì)菌需有較強(qiáng)的EPS分泌和生物膜形成能力使其在載體外表附著。好氧顆粒污泥法中，群體感應(yīng)在顆粒形成初期起誘導(dǎo)作用，可促進(jìn)微生物附著生長(zhǎng)并形成顆粒。研究標(biāo)明群體感應(yīng)抑制劑對(duì)MBR污染物去除效率無明顯影響。由于工程應(yīng)用中膜分離會(huì)與活性污泥和生物膜等多種生物處置單元聯(lián)用，今后應(yīng)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，研究群體感應(yīng)抑制劑對(duì)其他工藝的水處理效果的作用，降低抑制劑對(duì)生物處置單元的有利影響，并減少抑制劑投加量和應(yīng)用成本。
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