細菌群體感應在好氧顆粒污泥中的研究現狀

宋志偉，邱 杰，張 晴，徐雪冬

(黑龍江科技大學 環境與化工學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

1 引言

好氧顆粒污泥作為微生物集聚體，是用于凈化污廢水的一種污泥顆粒，呈球狀或橢球狀。與傳統絮狀活性污泥相比，具有沉降性能好，去除效率高的優點，具有廣闊的應用前景[1～5]。但好氧顆粒污泥穩定性較差，運行中易出現解體現象，存在一定的工藝難操控性[6]，這成為制約好氧顆粒污泥技術推廣和應用的瓶頸，亟待解決。

好氧顆粒污泥的形成過程是一個包含物理、化學和生物作用的復雜過程，目前基于工藝條件等外在因素的調控、單一影響因素的實驗研究等，都未能很好地闡釋其穩定機制。從分子生物學角度，影響好氧顆粒污泥穩定性的最根本因素就是其微生物群落性能，而這一性能的表達源于微生物自身的生理行為及信息交流，微生物可利用信號分子進行信息交流，協調其群體行為，以抵抗外界環境變化。隨著分子生物學在顆粒物中的興起，群體感應逐漸被證明廣泛存在于顆粒污泥中并起著重要作用。

2 群體感應及信號分子

微生物群體感應(quorum sensing, QS)是微生物的一種群體行為，又稱自誘導。微生物能感知到周圍微生物密度的變化，當這種濃度變化達到一定的閾值時，微生物會啟動一系列基因表達來調節自身的行為[7]。微生物通過分泌或釋放一種稱為自誘導物(Autoinducers，AI)的可擴散信號分子[7]來傳遞信息，進行交流。這種可擴散信號分子在低濃度的情況下不能被感知，也就不能誘導相關基因的表達，只有當信號分子濃度達到一定的閾值時，信號分子才與轉錄激活蛋白相互作用，從而啟動與菌群密度或細胞密度相關的基因表達[8]，表現為抗生素合成[10]、Ti質粒的連接和轉移[11]、保外酶與表達毒素因子[12]，固氮基因的調控、胞外多糖合成，細菌群落遷移和群集，生物發光以及生物膜形成等[13～17]，從而實現單個微生物無法執行的生理功能和調節機制。如圖1所示，在費氏弧菌(Vibrio fischeri)細胞內存在銀光素梅基因( luxCDABE)和調節基因( luxR和 luxI)，luxR和 luxI分別為編碼調節基因和編碼信號分子，當細胞濃度達到一定的閾值時，luxR和 luxI相結合，形成一個復合物，啟動熒光基因靶基因的表達,表現為發出肉眼可見的熒光[18]。

圖1 細菌群體感應(QS)示意

3 好氧顆粒污泥中的群體感應

以往對好氧顆粒污泥的研究中較多關注其環境條件及污泥理化性質的改變對顆粒化過程胞外聚合物、表面電荷、疏水性及微生物群落的影響。眾多研究表明群體感應對于好氧顆粒污泥存在積極的影響，研究主要體現在證明好氧顆粒污泥存在群體感應現象，群體感應現象在促進好氧顆粒污泥粒化過程中的作用及機制，外界環境條件對于好氧顆粒污泥群體感應的影響。

3.1 群體感應在好氧顆粒污泥中的證實研究

研究表明，群體感應信號分子廣泛存在于好氧顆粒污泥中并對好氧顆粒污泥的形成和穩定起著一定的作用。齊枝花等[19]使用培養顯色法和萃取顯色法均在絮狀污泥、生物膜以及生物流化床中的好氧顆粒污泥中檢測到AHLs信號分子，證明了群體感應普遍存在于給水和污廢水生物處理工藝的菌群中。與絮狀活性污泥相比，顆粒能誘導更多的大腸桿菌細胞附著生長，從而使細胞具有更強的粘附性從而從而形成生物膜形式[20]。使用薄層層系法在好氧顆粒污泥上清液中檢測到碳鏈長度小于10的N-acy-L-homoserine lactones，主要為3-oxo-C6和3-oxo-C10。使用乙酸乙酯從好氧顆粒污泥上清液提取的有機物能夠促進大腸桿菌的生長，并且提高其在玻璃表明的粘附性。顆粒污泥中存在群體感應信號分子的到證實，并且這種信號分子有利于生物膜的形成。

3.2 好氧顆粒污泥中群體感應的作用

群體感應信號分子AHLs可以促進生物膜在顆粒污泥中的形成與生長，并能提高顆粒化的速度[21]。在對群體感應對好氧顆粒污泥粒化作用的研究中發現，當好氧顆粒污泥成熟之后，群體感應信號分子的濃度明顯高于培養的初期和中期，較大、較成熟的好氧顆粒污泥比粒徑較的顆粒污泥群體感應更明顯，因此認為群體感應信號分子有利于顆粒污泥的粒化[22]。由此可見，群體感應信號分子在顆粒粒化過程中存在重要的影響。總的來說，群體感應對于粒化過程的影響主要有為以下幾個方面[23,24]：群體感應活動可以促進微生物表面物質(主要是活性劑以及保外多聚物)的合成，同時可以加快ATP結合盒的合成，更多的幫助luxI穿過細胞壁，形成更多的胞外聚合物，從而起到穩定顆粒污泥結構和增強其完整性的作用。群體感應信號分子會隨著顆粒污泥的成熟而增加，微生物細胞生物膜的生長速度可以達到培養初期的10倍以上，在培養后期，對顆粒污泥成熟起著十分重要的作用。由于細胞之間存在靜電排斥，在顆粒污泥成熟后期，誘導懸浮細菌的粘附生長和團聚過程中，群體感應的表達以及信號分子十分關鍵，有利于加速顆粒污泥形成和維持穩定的團聚結構，從而提高顆粒污泥的性能。如果在好氧顆粒污泥培養的初期，適量的投加群體感應信號分子可以加速其粒化過程，縮短培養周期。

3.3 第二信使與顆粒化

作為較小分子量或者離子的第二信使對于促進好氧顆粒污泥粒化具有積極的作用。細胞內常見的第二信使包括磷酸酯(PA)、環二腺苷酸(c-di-AMP)、環二鳥苷酸(c-di-GMP)、1,2-二酰甘油、1,4,5-三磷酸肌醇等。第二信使能夠激活并聯系統中酶的活性以及非酶蛋白的活性，在細胞信號轉導中具有重要作用。研究表明，c-di-GMP在調控好氧顆粒污泥中細菌的運動性、胞外多糖的產生和控制生物膜的形成中起著重要作用。銅綠假單胞菌中的fim X基因具有降解c-di-GMP的功能，并且c-di-GMP含量與細胞顫搐運行的強弱呈負相關，當c-di-GMP含量升高時，細胞的顫搐運行開始減少，說明c-di-GMP可以調控細胞的顫搐運動[25,26]。Ca2+和Mn2+的投加能夠導致c-di-GMP含量的變化，從而影響顆粒污泥中EPS和群落結構的變化，Ca2+的投加能夠促進Sphingomonas sp.、Paracoccus sp.、Sinorhizobiumamericanum strain和Flavobacterium sp. 等功能性菌群的生長，從而改變顆粒污泥菌群結構，而這些功能菌群的生長過程中能產生大量的c-di-GMP。Mn2+投加環境下的顆粒污泥c-di-GMP含量降低，從而降低了EPS含量，導致顆粒結構松散，容易解體[27～29]。在好氧顆粒污泥對苯酚的去除實驗表明，c-di-GMP能促進好氧顆粒污泥中EPS的產生，從而形成生物膜，苯酚在好氧顆粒污泥中呈梯度吸附，因此提高了對苯酚的去除效果[30,31]。

3.4 培養條件對群體感應的影響

除了探討好氧顆粒污泥中群體感應信號分子對于好氧顆粒污泥的形成和穩定所起到的作用以外，好氧顆粒污泥培養條件的變化與群體感應之間關系的研究已有報道。不同培養條件下形成的顆粒污泥具有不同的性能，群體感應現象也有所區別，進水基質對于群體感應影響顯著。陳國科等[32]對于碳氮負荷對好氧顆粒污泥群體感應的影響進行了探討。不同進水有機負荷下，好氧顆粒污泥群體感應信號分子具有不同的強度。當AI-2分子信號較強時，微生物之間交流活躍，群體感應作用明顯，反應器運行穩定且去除效果較好。并且泥相中的AI-2的濃度明顯高于水相中，最大相差可達到1552倍。因此顆粒污泥內部的信號分子對于好氧顆粒污泥的影響更為直接。

4 好氧顆粒污泥群體感應研究存在的問題

好氧顆粒污泥中群體感應的研究較少，主要還停留在AHLs信號分子的研究上，并且大多使用的是傳統生物顯色法研究好氧顆粒污泥中是否存在種內信號分子AHLs，對于好氧顆粒污泥群體感應機制的研究以及對于種間和種內種間信號分子的研究鮮有報道。好氧顆粒污泥作為一種泥水混合物，體系屬于非均相，可分為泥相和水相，Ding等[33]在對厭氧顆粒污泥群體感應研究中，將厭氧顆粒污泥分為了混合相、泥相、水相以及水洗相，分別研究了各項中信號分子的種類及濃度。關于好氧顆粒污泥和絮狀活性污泥中信號分子的研究也存在差異，主要集中對水相的研究上，即主要檢測上清液中信號分子的種類和濃度。但是Xiong等[34]研究了好氧顆粒污泥水相和泥相中信號分子的濃度，結果表明使用超聲預處理后泥相中信號分子濃度顯著高于水相。由此可見，關于好氧顆粒污泥信號分子的種類和分布情況尚不明確，明確信號分子在好氧顆粒污泥中的分布規律是研究其群體感應的前提。

5 展望

好氧顆粒污泥作為一種污水生物處理技術，前景廣闊，將好氧顆粒污泥快速的推廣到市場，必須解決其運行穩定性差的問題，因此這也將成為一個長期的研究熱點。本文總結了群體感應信號分子在好氧顆粒污泥中的研究現狀。群體感應信號分子不僅廣泛存在于好氧顆粒污泥中，并且能夠通過改變細胞運動方式、促進EPS的產生以及增強細胞粘附性等加速好氧顆粒污泥的粒化過程并維持其穩定性。目前已知的好氧顆粒污泥群體感應信號分子種類較少，并且分布狀況以及作用機制尚不明確。從分子生物學角度，深入研究好氧顆粒污泥群體感應機制對于好氧顆粒污泥實際應用具有重要的理論和現實意義。