膜系统中生物污染的群体感应机制及抑制方法

李雪凝+王毅霖+仉潮+张文雯

摘要：指出了双模技术目前最前沿的是采出水、石油化工废水处理技术，但是膜表面生物污染一直是限制反渗透膜技术应用的主要因素。总结了微生物的群体感应机制的原理及过程，并提出了群体感应猝灭法这一新兴的生物污染控制方法，以期提供参考。

关键词：双模技术；反渗透膜；生物污染；群体感应机制；群体感应猝灭法

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）2-0087-03

1 引言

膜处理技术具有设备规模小、能够处理大多数污染物、出水水质优越以及自动化程度高等优点，膜技术现在正被越来越多地应用于采出水的处理过程。双模过程，即包括微滤/超滤加纳滤/反渗透或者生物膜反应器加纳滤/反渗透，是目前最前沿的采出水、石油化工废水处理技术。然而细菌附着在反渗透膜表面生成的生物膜导致的生物污染是目前限制反渗透膜技术应用的主要因素。

2 膜污染的种类

膜污染通常包括的种类有无机污染、有机污染、生物污染和胶体污染。其中，生物污染是指微生物在膜表面附着并形成生物膜，且生物膜的形成速率和范围的增长速度非常快，这将导致膜性能的损坏，所以生物污染是最严重的一种污染[1]。

3 生物污染的危害及抑制方法

生物污染带来的危害包括降低膜通量、增加盐透过率、增加能耗、导致出水水质恶化、膜寿命缩短甚至膜系统故障（膜表面发生生物降解）[2]。

目前对于膜系统中的生物污染的控制方法主要包括利用大量前处理去除入水中的细菌、对膜系统的频繁清洗以及添加杀菌剂。然而，这些方法由于以下几个原因被证明效果不佳。①在实际中无法保持大型膜系统无菌，系统中残余的任何细菌最终都会导致生物膜（微生物倾向形成的生命形式）的形成。并且，大部分商品化微滤和反渗透膜所采用的高分子材料为聚酰胺，容易被氧化，这就排除了使用常用杀菌剂氯和臭氧的可能性。②生物膜一旦形成，就对杀菌剂以及水力清洗和化学清洗具有极高的抗性。③由于入水水量大，需要添加杀菌剂剂量相应的很大，导致成本偏高[3]。生物法抑制生物污染具有对膜材料友好、成本低、效果好等特点。因此，用生物法抑制生物污染的方法得到了广泛的关注。

4 生物膜形成机理

4.1 生物膜形成的阶段

生物膜的形成分为三个阶段：第一阶段是诱导期。即微生物慢慢熟悉进入的新环境，微生物在这个阶段生长比较缓慢。第二个阶段是对数生长期。在这个阶段，微生物已经适应他们的生长环境，并且保证微生物生长的食物是充足的，所以微生物以指数的速度增长。第三个阶段是平台期。在这个生长阶段，周围食物和生长环境都不再适合微生物快速增长，所以微生物选择缓慢增长甚至停止生长。通常在这个阶段，微生物的粘附和细胞增殖与微生物细胞分离及细胞衰老是达到平衡的状态[4]。

4.2 生物膜形成的过程

生物膜的形成是一个微生物细胞在溶液中的分离阶段转移到在反渗透膜表面强力附着的状态的过程中[5]。在第一阶段，单个微生物细胞在膜表面上自由地附着。大量的微生物在膜表面上移动。这个阶段速度很快，通常发生在几秒钟内。第二阶段是不可逆的附着阶段，在此阶段，微生物細胞分泌出胞外聚合物粘在膜表面。这种不可逆的附着发生在几秒钟或几分钟内。在第三阶段，微生物在特定区域增殖并形成微菌落，最终将微菌落生长为一个成熟的生物膜。这个阶段发生在微生物不可逆附着的几个小时或几天之后。最后一阶段被称为生物膜的溶解，这意味着微生物细胞或细胞群从微菌落的中心离开或分散。这会持续几天甚至几个月[6]。

5 群体感性机制

以下几种生物法已经被用来抑制生物污染，这包括NO诱导生物膜的分解、蛋白质的干扰法、DNA和胞外多糖的特异性酶法、抑制微生物附着能量解偶联法以及群体感应抑制法[7]。笔者将讨论微生物的群体感应系统的抑制控制策略。

5.1 群体感应机制的原理及过程

群体感应（quorum sensing）机制是微生物之间像语言一样的一种细胞间的沟通机制。微生物可以通过群体感应进行沟通，这不仅可以发生在同一个单一的细菌物种之间，而且也可以发生在不同的物种之间。微生物通常通过群体感应来执行一些生物学行为，如生物发光、运动、形成孢子、产生胞外多糖以及生物膜的形成。群体感应的过程分为生产、发射和检测群体感应信号分子三个阶段，群体感应信号分子称为自身诱导物（AIS）。科学家已经发现了三种类型的群体感应信号分子：N-酰基高丝氨酸内酯（AHL）、自身诱导物-2（AI-2）合成的LuxS以及寡肽。寡肽作用于革兰氏阳性菌，而N-酰基高丝氨酸内酯（AHL）作用于革兰阴性菌，这只涉及在微生物细胞间交流。自身诱导物-2（AI-2）能够有效作用于革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌之间的群体感应[8]。

5.2 群体感性信号分子的作用机理

自身诱导物-2指导和协调微生物群落行为的机制为：当作为信号分子的自身诱导物-2浓度逐渐增加到阈值浓度时，自身诱导物结合蛋白，因此调节蛋白被激发从而激活靶DNA，这进一步使群体感应行为控制基因发生转录作用。这一系列过程最终都会导致微生物社会生物学行为的发生[9]。微生物的群体感应行为在微生物交流和微生物生物学行为调控中起着主导作用，因此干扰或抑制微生物之间的群体感应系统在控制膜生物污染方面是一种很有潜力的方法。此外，一些实验结果已经证实，抑制群体感应信号分子（AI）或群体感应调节基因可以控制膜生物污染。

5.3 控制群体感应机制的方法

目前有4种方式用来控制群体感应机制：

①抑制信号分子的产生；

②灭活或降解信号分子；

③产生群体感应信号分子类似物，让他们与真正的信号分子受体结合，从而阻止群体感应行为的发生；

④破坏信号分子接受体[10]。

方法②是控制群體感应系统中最受欢迎的方法，例如N-酰基高丝氨酸内酯（AHL）降解酶能降解信号分子从而阻止群体感应行为。人们已经发现AHL降解酶一共有两种：AHL内酯酶和AHL酰基转移酶。基于单一种类细菌和混合种类细菌的膜生物污染均可以通过添加AHL降解酶来有效预防[11]。

6 群体感应猝灭法

6.1 群体感应猝灭法的定义

群体感应猝灭法（Quorum quenching method）是控制群体感应行为的第二种方法。人们选择了氨基酰化酶I（猪肾脏）作为抑制生物膜的群体感应淬灭剂，并且这已经被证明是一种有效的方法。

6.2 群体感应猝灭法的实验效果

氨基酰化酶I（猪肾脏）能够通过使酰胺键断裂来降解N-酰基高丝氨酸内酯（AHL）。Kyung-min Y 等[12]利用从Si-Hwa污水处理厂的活性污泥（韩国）和膜生物反应器（MBR）来验证群体感应猝灭法。图1是实验系统，其中（a）是持续的MBR和（b）是批式MBR。

在这个实验中，自体诱导物存在于MBR系统，以及群体感应行为和膜生物污染之间存在相关性。笔者重点展现基于生物群体感应系统的抑制生物污染的方法—群体感应猝灭法。在实验过程中，超过10种不同的微生物存在于生物滤饼中（沉积污泥和生物膜的组合），并且微生物在膜生物反应器（MBR）的中空纤维膜组件上形成了AHL信号分子。如图2所示，当跨膜压力达到30 kPa，AHL信号分子开始出现在生物滤饼中（蓝色代表AHL信号分子的存在），生物滤饼中AHL信号分子在连续式膜生物反应器（MBR）系统运行过程中产生的时间：（a）为22 h，（b）为46 h，（c）为58 h，（d）为72 h。

为了证明群体感应行为与膜生物反应器中膜生物污染的相关性，作者做了另一个试验来证明他们之间是有关联性的。图3是沉积污泥和生物膜中AHL的浓度水平的比较：（a）为A.tumefaceins A136生物测定；（b）为AHL水平每生物量。

图3（a）表明，沉积的污泥无论其质量多少都不能分泌AHL，然而，在生物滤饼中微生物可以产生和分泌AHL，并且AHL的浓度随生物滤饼的质量及反应时间的增加而增加。图3（b）表明，在膜过滤过程的一定时间内，群体感应行为在膜表面上的生物污染中发生。为证明群体感应猝灭机制，作者选择了猪肾酰化酶I作为使AHL分子失活的酶剂，并将其添加到反应器中使浓度达到10 mg/L。图4为对比实验，图4（a）是加入了猪肾酰化酶I的土壤杆菌，而图4（b）则是没有加入猪肾酰化酶I的对比试验。

这一结果表明猪氨基酰化酶I能破坏AHL信号分子，因此群体感应行为可以通过群体感应猝灭策略来抑制。

7 结语

膜生物污染仍然是废水处理过程中亟待解决的最大的问题。人们已经尝试了很多化学方法或生物方法来控制生物污染。群体感应淬灭法是新型的处理技术，并且已被证明能够有效的控制膜生物污染。其特点是对膜材料绿色友好、不会损坏膜材料，并且成本低、效率高、操作简便。群体感应淬灭法未来在工业应用具有很大的前景。

参考文献：

[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.