AHLs信号分子在MBR中的研究进展 - 新闻资讯 - 破乳剂|COD去除剂|乳化液|含油|煤化工废水处理|济南乾来环保

【摘要】:
膜生物反应器（MBR）已经被广泛用于处理废水，然而膜生物反应器的生物污染成为了其更广泛的应用上的一个关键限制因素，近年来基于AHL信号分子介导群体感应（QS）理论与群体猝灭技术（QQ）在抑制MBR生物污染有着巨大的潜力，许多研究证明群体猝灭技术通过灭活或降解AHL信号分子，干扰QS系统，进而来抑制生物膜的形成，控制MBR的生物污染。文章综述AHL型QS理论与QQ技术在MBR生物污染的研究进展，讨论这些应用所面临的挑战和膜生物反应器生物污染控制方法的发展方向。

【关键词】
AHLs信号分子；膜生物反应器；群体感应；群体猝灭；生物污染

随着社会对洁净水需求的增加，废水的处理和回收是不可避免的，MBR提供了生物处理和膜过滤的结合，并由于其优势，如优异的出水质量和占地面积小，正在迅速取代传统的废水处理工艺。然而，膜生物污染耗费了大量的运行成本，因为它需要大量的曝气、膜清洗和更换。因此，生物污垢仍然是限制MBR广泛使用的一个关键因素。2009年，Yeon等人在废水处理的MBR中证明了微生物群体感应（QS）和膜生物附着之间的正相关性。从那时起，许多研究已经注意到QS和膜生物污染之间的相关性，并提供了各种群体猝灭（QQ）技术的发展，用于阐明和控制MBR中的生物污染。

1 AHLs介导的群体感应（QS）

生物膜是微生物细胞在固体和液体之间的聚集体，包裹在细胞外聚合物的自生基质中。生物膜的形成和扩散机制引起了大批学者极大的兴趣，它在废水处理的性能中起关键作用。由于生物膜中的细胞密度高于水相中，生物膜中的细胞分泌的次级代谢物（包括AHL 信号分子）的水平升高。从生物膜中细菌产生的AHL信号分子浓度超过触发QS系统的阈值水平出发，学者们已经进行了许多研究来确定QS在生物膜中的作用。Silva等人[3]1998年首次报道了QS和生物膜之间的相关性，证明铜绿假单胞菌缺乏 laslPAO1 合成酶基因导致形成平坦、均匀的生物膜，这与野生型PAO1形成的高度结构化、不均匀的生物膜形成鲜明对比。

2 抑制AHLs型群体感应（QS）的方法

2.1 信号合成的阻断与信号分子失活

在利用 LuxI 家族蛋白使用 SAM 和酰基 ACP 作为AHL自动诱导剂生物合成的基础上，Parsek等人发现了AHL结构单元的类似物如左旋腺苷同型半胱氨酸、西那芬净和丁基腺苷甲硫氨酸能在体外抑制 AHL 合成。AHL 信号分子的失活被认为是抑制 QS 最有效的方法。在已知的QS控制策略中，已经研究和应用最多的是信号分子的酶失活。一些细菌产生“内酯酶”和“酰化酶”，它们具有水解AHL型自动诱导物的环酯或酰胺键并破坏细胞间的交流作用。此外，研究还发现氧化还原酶可以使其失活。

2.2 干扰信号受体

使用具有类似于AHL信号分子化学结构的类似物来干扰信号受体，能够结合信号受体，导致其降解。这些AHL信号分子模拟化合物已从真菌、藻类和植物中分离出来。卤代呋喃酮化合物，一组被广泛研究的QS抑制剂，是由Deliseapulchra产生的，能够避免细菌在它们的表面附着。这些化合物能够针对QS控制的各种细菌。

3 降解AHLs信号分子的QQ技术抑制生物膜污染

Calderón等人观察到一些微生物对次氯酸钠有抗性，次氯酸钠是膜清洗中最常用的化学物质，因此，即使在清洗后微生物仍不能从膜上去除。与抗菌剂相比，群体猝灭剂可以最大限度地减少产生微生物耐药性的机率，因为它不会影响微生物的生长。

3.1 酶促QQ打断AHL型QS

猪肾酰化酶 I，能使 AHL 信号分子去酰化。Yeon等人试验并证明了添加猪肾酰化酶I减少了MBR中的膜生物污染。然而，酶促作用时间短，抗生物污染效果一天就会消失。为了克服酶促的时限性，研究人员通过将猪肾酰基转移酶I固定在磁性颗粒上制备了磁性酶载体（MEC）。在 MBR 中加入 MEC 后，他们观察到TMP增加速度的降低，反映了膜表面生物膜形成较慢。研究发现使用酶促QQ使污泥沉降能力较好，污泥粒径更小。

3.2 细菌QQ打断AHL式QS

由于QQ酶的成本和稳定性，它在实际应用中存在局限性。作为替代，QQ 酶被产生 QQ 酶的细菌所取代.即使全细胞催化剂的活性不如分离的酶高，但活细胞QQ是优选的，因为它可以更容易和便宜地制备，它的长期应用比游离酶更稳定，细菌细胞比QQ酶更容易处理。另外，QQ菌不需要外部的营养供给也能生存，因为废水有细菌所需的营养物质。可以采用几种方法来维持足够的QQ 细菌或保护它们免受活性污泥生物反应器中的其它微生物的侵害。

4 QQ媒介技术的发展

4.1 QQ管束、QQ珠

Oh等人将重组大肠杆菌或红球菌属封装在微孔中空纤维膜内，被称为“QQ 管束”，在 MBR 运行的 100天内保持稳定抗生物污染效果。Jahangir 等人报告称，含有BH4的QQ管束的抗生物污染效果更明显。他们还得出结论，更高的MLSS再循环率可以实现更大的膜污染抑制，因为这可以促进AHLs从生物膜运输到液体，然后到 QQ 管束内。研究人员设计了一种通过将QQ 细菌（BH4）夹在海藻酸盐/聚乙烯醇珠的多孔微观结构装置来代替。与降解AHL效率低的QQ管束不同，QQ珠可与混合液体中的其他微生物絮凝物，以及与生物膜表面，以更有效地捕获生物膜中的AHLs。

4.2 QQ圆柱体、QQ空心圆柱体

另一方面，有学者使用GFP标记的基因菌株试验，观察到整个微生物珠中的QQ细菌对AHL进行了降解。因此，他们提出了新的 QQ 细菌截留介质设计，QQ-圆柱体和QQ中空圆柱体，以最大化设计细胞截留介质的表面积。QQ-HC显示出比QQ-珠更高的QQ活性，并且当QQ-HC制造成更薄的圆柱体而增加表面积时，其活性进一步增加。此外，圆柱体的几何形状使介质能够在比球形磁珠更宽的接触面积上与生物膜接触。

5 结论与展望

由AHL信号分子介导的群体感应（QS）现象与生物膜的形成密切相关，加快了 MBR 中细菌分泌 SMP 和EPS的速度和含量以及细菌的附着。灭活或降解AHL信号分子的QQ技术能够有效的抑制MBR生物膜的污染，许多研究已经通过各种方式证明了QQ作为MBR中生物污染控制的潜力。

QQ-MBR试验的规模已经从使用合成废水的小型实验室规模（5L/d）不断发展到使用真实城市废水的大型中试规模（10m3/d）。试验QQ-MBR已经证明了卓越的抗生物污染效果，此外，以目前的技术水平来看，QQMBR 在资金和运行成本方面比传统 MBR 更为经济。但是，进一步降低QQ媒介生产成本和进一步调查以找到最佳操作条件至关重要。

原标题：AHLs信号分子在MBR中的研究进展

原作者：徐泸峰，张毅，丁婉莹，范玉荣

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