基于群体感应的MBR膜污染控制研究

1、基于群体感应的膜生物反应器 膜污染的控制研究 2013.11.18 1 膜生物反应器膜生物污染 2 微生物群体感应系统 3 群体淬灭机制 目 录 4 基于群体淬灭的生物污染控制 膜生物反应器：是用超滤膜代替二沉池进行污泥固液分离的污水处理 装置，为膜分离技术与活性污泥法的有机结合。 优点：体积负荷高、占地面积小、剩余污泥量少、出水水质好且稳定。 缺点：膜污染，影响MBR长期稳定运行和广泛应用的瓶颈问题。 膜污染：是指MBR内混合液中的悬浮颗粒、胶体粒子或溶解性大分子 有机物在膜表面和膜孔内吸附沉积，造成膜孔径减小或堵塞，使膜通量 下降的现象。 膜生物污染：微生物在膜面上形成生物膜或者在膜表面和

2、膜孔内滋生成 为微生物菌落。 1 膜生物反应器(MBR) 初始粘附：腐殖质、聚糖脂与其它微生物的代谢产物等大分子物质在膜 面吸附，形成一层具备微生物生存条件的生物膜。微生物中粘附速度快 的细胞形成初期粘附过程。 成熟阶段：生物膜的生长和脱除达到动态平衡，生物膜将趋于稳定。由 于生物污染造成了膜的不可逆堵塞，使过滤阻力上升，引起膜通量的下 降。 1.2 膜生物污染生物膜形成过程 生长阶段：由于后续大量菌种的粘附，特别是细菌胞外聚合物(EPS)的 形成，加剧了微生物的繁殖和群集。 细菌完成了初始粘附后，随即调整基因表达， 在生长繁殖的同时分泌大量的胞外多聚糖，加 剧微生物的繁殖和群集。 群体感应：

3、许多细菌能产生并释放一种被称为自诱导物的信号分子，随 着细菌密度的增加，信号分子不断积累，当积累到一定浓度时则会与胞 浆受体蛋白结合，调控细菌相关基因的表达，使细菌形成一种群体行为， 如生物膜的形成。 2 群体感应（Quorum sensing, QS） 2.1 革兰氏阴性菌的LuxI/R型群体感应 （LuxI是AHLs合成酶，LuxR是调节蛋白） 2.2 革兰氏阳性菌的群体感应 2.3 种间交流通用信号分子AI-2 夏威夷弧菌同 时具有革兰氏 阴性和阳性细 菌群体感应的 调控系统，既 有AHLs自诱导 物（AI-1）， 还产生第二套 自体诱导系统 （AI-2）。 总的来说，QS是由几个关键步

4、骤组成的：基础 水平信号分子的产生；信号分子累积；信号 感应；信号自体诱导反应和目的基因活化。 3 群体淬灭机制 研究表明，一些物质对微生物细胞间的QS有抑制或干扰作用，可阻断细 菌间“信息交流”，阻止QS依赖型基因表达，称作群体淬灭。 阻止信号 分子产生 降解信号分子 降低R蛋 白活性 3.1 抑制信号分子合成 AHLs分子由一个酰胺链和高丝氨酸内酯环组成，其中高丝氨酸内酯环是 AHLs的特征结构，而酰胺链的不同则决定了AHLs对细菌的不同调控功 能。 革兰氏阴性菌的信号分子AHLs在胞内有关酶的作用下进行化学合成需要 作为底物的酰基供体和腺苷甲硫氨酸提供高丝氨酸内酯。 因此，只要能抑制AHLs 合成酶活性或消除底物等信号合成过程中任一 环节均可阻断信号分子合成。 3.2 降解信号分子 根据物质特性，信号分子降解主要分两种：生物分解和化学降解。前者 利用微生物合成具有降解信号活性的内酯酶或酰胺酶（群体淬灭酶）水 解，后者使用一些化学合成物质如氧化卤素进行降解。 3.3 降低或抑制受体蛋白活性 一般通过QS抑制剂实现，这些抑制剂通过与信号分子竞争性结合受体而 降低活化受体的浓度。事实表明，很多植物化学物质具有细菌QS抑制活 性。 例如：黄芩苷和大黄素能抑制菌株铜绿假单胞菌生物膜形成是因 为该物质在结构上与信号分子相似，与信号分子竞争结合