AHL-QS減緩膜生物反應器膜污染研究進展

張海豐，孫明媛，于海歡

（東北電力大學化工學院，吉林 吉林 132012）

與傳統活性污泥法相比，膜生物反應器（membrane bioreactor，MBR）具有污泥產率低、容積負荷高、有機物去除率高、占地面積小、出水水質優良等明顯優勢，因而近十年來被廣泛應用于廢水處理與回用工藝中[1]。然而膜污染問題嚴重影響了該工藝的穩定性與經濟性，其中與污泥混合液特性緊密相關的生物污染機理以及應對措施的探討一直是此領域研究熱點[2]。污泥混合液絮體性質及微生物代謝產物（胞外聚合物，extracellular polymeric substances，EPS；溶解性代謝產物，soluble microbial products，SMP）與膜生物污染關系密切[3]。

傳統減緩膜污染的研究主要圍繞 3個方面展開：膜材料與膜組件結構優化、調整反應器運行條件、提高污泥混合液可濾性[4]。盡管傳統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鍵問題。最近基于群體感應（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注，其中針對N-乙酰高絲氨酸環內酯（N-acyl homoserine lactone，AHL）型QS信號分子（AHL-QS）的探索成為了研究焦點[6]。開展AHL-QS減緩膜污染的探索，對于進一步認識MBR生物污染機理及生物抗污染措施的工程化應用具有重要的理論與實踐意義[7]。

1 AHL-QS對生物膜調節機制

圖1 MBR中AHL-QS對生物膜調節示意圖

QS是單細胞細菌相互交流并對周圍環境變化不斷作出反應的一種細胞間的交流、調節機制，在同步基因表達和協調細菌群落間功能中起重要作用[8]。該系統中，首先由酶催化合成信號分子，信號分子擴散或轉運到達胞外并積累，當達到一定閾值，能被QS細菌膜上的感應系統識別，進而引起受體蛋白的構象或基因變化，最終激活靶基因的表達，從而使細菌適應外界環境的變化[9]。前期研究表明，QS調控細菌的諸多生理功能，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、質粒轉移、細菌聚集以及生物膜的形成等[10]。

QS的概念最初是隨著醫藥食品的發展而提出的，研究發現不同菌體的QS系統可利用不同的信號分子來調控目的基因表達[9]。根據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AIP；③自誘導物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介導的群體感應在MBR中扮演重要角色。在革蘭陰性菌中，根據其碳鏈長度或酰基側鏈取代基的差異，已鑒定出十余種AHL衍生物。圖1表示AHL-QS系統對生物膜的調節機制。由圖1可見，AHL-QS系統中2個核心成分：LuxR-型（R）調節器和 LuxI-型（I）蛋白質，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，細菌產生基礎水平的 AHL信號分子，然后從細胞中釋放。隨著細胞增殖，AHL信號分子積累，當達到一定濃度閾值時，AHL信號分子重新進入細胞與 R蛋白相互作用形成 R-AHL復合體，復合體與目的激活子相互作用誘導目的基因表達[12-13]。基因表達結果產生大量微生物代謝產物（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分子無法重新進入細胞內與R蛋白結合構成 R-AHL復合體，致使目的基因無法表達，減少微生物代謝產物的分泌，抑制生物膜形成，從而減緩膜污染[6]。將醫藥食品中的群體感應概念引入 MBR膜分離的研究中，對于深入揭示MBR膜污染機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，從而避免其在系統內累積，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。從醫藥生物學角度，不同微生物產生的AHL信號分子具有高度保守性，它們都含相同的高絲氨酸內酯環狀結構，差異在于碳鏈長度或酰基側鏈上的取代基位置不同（圖2）。在已發現的降解酶中，內酯酶和脫羧酶可在標有1和2的位置上水解內酯環使之成為酰化高絲氨酸，而酰基轉移酶和脫氨酶可在標有3和4的位置作用，使高絲氨酸內酯環與酰基側鏈分離生成脂肪酸和高絲氨酸內酯[14-15]。

隨著AHL信號作用機理的揭示和AHL降解酶的不斷出現，2009年Lee課題組[10]首次將豬腎酰基轉移酶添加至MBR反應器中，驗證應用AHL-QS降解酶減緩膜污染的可行性。該研究的實驗結論具有重要的理論價值，主要體現在：①AHL-QS的主要信號分子（C8-HSL）與MBR膜污染顯著正相關；②豬腎酰基轉移酶可降解AHL-QS的信號分子，導致EPS含量降低，生物膜形成受到抑制；③豬腎酰基轉移酶的投加并未影響MBR處理效果。在此基礎上，該課題組將豬腎酰基轉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]。實驗中通過與直接投加的酰基轉移酶對比發現，無論在穩定性或酶活性方面，MEC遠好于未負載的酰基轉移酶；MEC-MBR內EPS及SMP中多糖及蛋白質含量顯著降低，膜污染速率大幅降低。將AHL-QS降解酶負載或包埋于載體中，使得該技術更具有工程應用價值。

近期，Jiang等[17]用包埋技術將豬腎酰基轉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理。實驗中發現豬腎酰基轉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、多聚糖、黏度、疏水性降低；混合液與生物污染層中EPS及SMP組成及相對分子質量分布發生改變。上述污泥混合液特性參數的變化改善了混合液的可濾性，降低了MBR膜污染速率。

盡管負載或包埋技術解決了AHL-QS降解酶流失及活性問題，然而該技術過于依賴反應器內的水力條件。研究發現，高速循環有利于降解酶與信號分子的接觸，強化信號分子的降解效率，然而會增加系統能耗，也可能造成活性污泥絮體解絮[18]。近期研究也發現，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，對減緩膜污染更有實際意義[6]。Kim 課題組[19]將酰基轉移酶直接固定在納濾膜表面（圖3），用以減緩MBR膜污染。實驗中發現這種新型膜可抑制泥餅層中微生物間的群體感應，從而減緩膜污染。與直接投加至混合液中的降解酶相比，膜負載酶保持較高的活性。經過20多次反復利用，酶活性仍保持在初始活性的90%以上。此外，這種納濾膜在連續運行條件下，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降解酶直接負載在膜表面更加有利于發揮降解酶的優勢，更好地抑制膜表面生物的形成，而且不受水力條件限制，為該技術在MBR中的應用指明了研究方向。但是，負載于膜表面酶的失活或再生問題仍有待進一步深入探索。

圖2 AHL結構及其酶降解產物

圖3 氨基轉移酶-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系統抑制的研究，研究發現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]。在其研究基礎上，Zang等[21]對溴化呋喃酮濃度在0～400μmol/L范圍進行了定量探討，結果表明當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合成苯三唑二氫呋喃作為QS抑制劑，并發現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現是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一步深入，從環境角度也有可能引入新污染物，因而從天然植物中提取AHL淬滅劑應用于MBR更有發展前景。目前，研究者從一些具有抗菌、消炎、抗氧化等特點的植物中得到啟發，研究證實這類植物體內含有或能夠分泌某些干擾QS系統的成分。

Zularisam課題組[24]通過對荖葉進行熱提提取，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，通過對比研究發現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，實驗結果證實了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。在此基礎上，該課題組[25]在另一篇報道中系統闡述了PBE對MBR膜污染的影響。研究者發現MBR中存在3種AHL-QS信號分子，占主導地位的信號分子不是 Lee等發現的C8-HSL，而是C6-HSL，說明MBR中主導信號分子與反應器運行條件及微生物種群相關。此外，該研究也證實了 AHL-QS信號分子活性與膜污染及EPS濃度顯著正相關，PBE可通過抑制C6-HSL的產出來減緩膜污染。

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菌的QS系統，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]發現的刺山柑、Issac等[29]發現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驗中獲得的結果，目前缺乏在長期連續MBR運行條件下對膜污染控制的實驗數據。

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雜步驟，不利于MBR實際工程應用。在活性污泥體系中，研究者發現某些微生物可產生酰基高絲氨酸內酯酶，因而純化此類微生物，利用其原位可產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]首次開展了此項研究，為使目標細菌更適應MBR環境，研究者從實際運行的MBR混合液及生物污染層中分離并純化細菌。將紅球菌屬（Rhodococcus sp. BH4）和能產生酰基高絲氨酸內酯酶的埃希氏桿菌共同密封在微孔中空纖維膜內，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定維持80天以上；微生物-管束的加入并未影響MBR對有機物的去除，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勢在于可原位產生AHL-QS信號分子淬滅劑，對于MBR工程應用更具有實際意義。該課題組Jahangir等[31]在另一篇報道中闡述了操作條件下微生物-管束對膜污染的影響，實驗中發現微生物-管束對膜污染的減緩不僅與系統內的循環速率有關，而且與膜的距離有關；較大的循環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中的應用更有優勢，主要體現于：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，另一方面強化了淬滅劑與生物膜中信號分子的接觸機會，減緩膜污染速率更為顯著；②CEBs對系統循環流速依賴小，其類似于流化床的設計更適合MBR實際應用。

圖4 微生物-管束示意圖

4 結 語

與傳統 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為基礎，具有高效、低毒、持久及低成本等優勢，對MBR工藝實際工程應用具有光明的前景。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于理論探索或實驗室階段，未來該領域的研究需在以下方面進行深入探索。

（1）前期研究中已證實 MBR中存在多種AHL-QS信號分子，而且主導信號分子與反應器操作條件關系密切，因而今后的研究重點應系統考察操作條件對AHL-QS主導信號分子的影響，強化對信號分子的識別技術，為MBR實際工程提供理論依據。

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

（3）基于 AHL-QS信號分子淬滅領域的研究較為活躍，其中利用某些細菌原位產生信號分子淬滅劑的探索將成為該領域今后研究的熱點，因此系統考察此類細菌習性，優化負載或包埋條件以適應此類細菌生長將成為非常重要的研究課題。

AHL-QS的研究為揭示MBR膜污染機理及減緩措施提供了嶄新的前景，加強信號分子識別，深入探索 QS對微生物代謝機制的影響，結合 MBR工程實際更好地利用降解酶或淬滅劑，是實現該技術工程化的重要保障。

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