【上海水處理設備網m.esdzu.com】膜分離技術利用具有選擇透過性的半透膜實現多組分體系的分離和純化，生物、醫藥、石油化工、食品、環保等領域都有廣泛應用。近年來膜分離在污廢水處理、海水淡化、飲用水凈化、純水制備等水處置應用中已成為重要技術。膜污染是水處置膜分離應用面臨的主要問題之一。處置物料中的微粒、膠體、溶解性有機物、金屬沉淀物、微生物等污染物造成外表堆積和膜孔堵塞，使膜的透水性和分離特性發生不可逆變化，將降低產水量和出水水質，提高跨膜壓差（transmembranpressurTMP并縮短膜的壽命。根據污染物的特性，膜污染分為無機污染、有機污染和生物污染等類型。其中，微生物可在膜上附著生長，形成的生物膜及其蛋白質、多糖等代謝產物還會改變膜表面特性，加速其他類型的污染過程。因此，生物污染比有機污染和無機污染影響更為嚴重。膜生物污染控制對膜技術在水處置應用中的發展具有重要意義。上海GMP純化水設備

膜污染控制主要通過膜材料選擇、組件結構設計、料液參數、操作條件和膜清洗再生等方法實現�；�于生物方法的膜資料改性和膜污染控制是膜分離領域研究的前沿方向。細菌可通過發生自誘導物（autoinducAI調控細胞密度依賴型的基因表達，從而調節細菌群體的生理特征，如發生胞外聚合物（extracellularpolymersubstancEPS形成生物膜等，這一現象稱為群體感應（quorumsensQS通過干擾和阻斷細菌的QS通路，可抑制相關基因的表達，該群體淬滅機制能抑制生物膜的形成，其在膜污染控制中的研究已引起關注。本文對近年來基于群體感應的膜生物污染及膜資料改性等研究進行綜述，為水處置應用中的膜生物污染控制和抗污染膜材料的開發提供新思路。

摘 要

生物污染是水處置膜分離應用面臨的主要問題之一。生物膜的形成受細菌群體感應系統調控，群體感應抑制是控制膜生物污染的新興技術。介紹了群體感應機制及其參與生物膜形成的有關研究。通過干擾和阻斷細菌的信息交流通路，可阻止群體感應依賴型基因表達從而抑制細菌的特定群體行為。綜述了基于細菌群體感應和群體淬滅的水處置膜生物污染控制研究�？疾炝烁黝惾后w感應抑制劑在膜法水處置系統中的應用，以及抑制劑固定化、膜資料改性等研究進展。展望了群體感應理論在膜生物污染控制中的研究方向。

01群體感應機理

群體感應是細菌之間進行信息交流從而調節群體行為的一種方式。Nealson等對海洋費氏弧菌（Vibriofischeri生物發光的研究發現熒光素酶在細胞增長到較高密度后迸發性合成。之后Fuqua等提出群體感應的概念，指細菌能產生、釋放和檢測特定化學信號分子（即AI以此感知周圍環境的細胞密度，當細菌密度達到一定水平，信號分子濃度積累到一定閾值，就會啟動特定基因的表達，表示與單個細胞不同的群體生理行為，如生物發光、毒素分泌、孢子發生和生物膜形成等。 上海純水設備

根據信號分子和感應機制的不同，QS系統主要包括以下幾類（如圖1

圖1細菌的群體感應系統

1革蘭氏陰性菌的LuxI/LuxR型QS系統，以酰基高絲氨酸內酯（acylhomoserinlactonAHL為信號分子。細胞由LuxI型蛋白合成AHL分泌到胞外的AHL隨細胞密度上升積累到閾值，擴散進入胞內與LuxR型受體蛋白結合，形成的LuxR-A HL復合體結合靶基因的啟動子，激活相關基因轉錄。AHL分子由一個高絲氨酸內酯環和不同分子量、不同結構的�；鶄孺溄M成，LuxR蛋白對其同源AHL有較強結合特異性，從而實現細胞種內通訊。自V.fischeri中發現自誘導物AHL以來，AHL介導的群體感應也在銅綠假單胞菌（Pseudomonaaeruginosa等革蘭氏陰性菌中大量發現并開展深入研究。

2革蘭氏陽性菌的雙組分QS系統，以經過修飾的寡肽類分子（autoinducpeptidAIP為信號分子。AIP前驅體在胞內經修飾后形成穩定、特異的AIP由ATP結合轉運組件或其他膜通道蛋白運輸到胞外，胞外AIP濃度到達閾值，信號分子被細胞膜上的激酶識別，激酶的組氨酸殘基發生磷酸化，磷酸基團由胞內的天冬氨酸殘基轉運至受體蛋白，蛋白磷酸化后結合靶基因并觸發基因表達。感應體系由于細胞膜激酶對AIP高度選擇性而同樣具有特異性。

3細菌種間交流的QS系統。AHL和AIP參與細菌的種內群體感應，稱為AI-1而由AI-2介導的細菌種間交流在革蘭氏陰性和陽性菌中均有發現。較為典型的革蘭氏陰性菌哈氏弧菌（Vibrioharveyi生物發光QS通路中，與AHL類似的HA I-1由LuxLM合成并由LuxN感應；呋喃酰硼酸二酯類化合物作為AI-2由LuxS合成并由LuxP和LuxQ感應，其識別方式與革蘭氏陽性菌的雙組分激酶識別系統相同，LuxN和LuxQ通過磷酸轉移酶LuxU將信號傳送至調節蛋白LuxOLuxR協助下啟動基因表達。上海GMP純化水設備

群體感應已在銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、沙門氏菌、枯草芽孢桿菌和豆科根瘤菌等很多細菌中發現。細菌使用多種信號分子和受體蛋白進行多個回路的并行或串聯作用，體現出復雜的QS機制。許多革蘭氏陰性菌使用AHL同時發生AI-2同樣，許多革蘭氏陽性菌具有AIP和AI-2通路。細菌通過合成和感應多種信號分子評估種內密度和其他種群的密度，不時調節群體行為。

02群體感應對生物膜形成的作用

生物膜的形成是QS研究中最受關注的生理特性之一。生物膜是附著在載體外表由EPS包裹、有組織生長的細菌聚集體。生物膜的形成包括可逆粘附定殖、不可逆粘附集聚、細菌繁殖、生物膜幼稚及生物膜老化脫落等階段。細菌通過群體感應調控生物膜形成及菌群在生物膜內的行為。Davi等在P.aeruginosa研究中發現信號分子參與生物膜的形成過程，其信號突變株（lasI突變株）形成的生物膜呈扁平狀，對殺菌劑十二烷基硫酸鈉相比野生型更敏感；投加外源信號分子后，突變株生物膜呈正常狀態；研究指出QS系統參與了生物膜的分化過程。之后Bassler等發現P.aeruginosa有兩個典型的LuxI/LuxR系統（LasI/R和RhlI/R分別發生和檢測3OC12-HSL和C4-HSLRhlR同時指導RhlI依賴型和非RhlI依賴型調節子，缺乏RhlI時，RhlR控制生物膜形成所需基因的表達。 上海純水設備

群體感應對生物膜各階段調控作用的研究已有報道。金黃色葡萄球菌通過副基因調節器QS系統協調外表粘附行為。群體感應通過控制EPS合成基因來調控霍亂弧菌（Vibriocholera生物膜的幼稚，相比野生型，ΔhapR突變株中vpsA -K和vpsL-QEPS支配子的表達被誘導，生物膜被強化，而ΔluxO突變株中的支配子被下調，形成的生物膜受損。液化沙雷氏菌（Serratialiquefacien集群細胞分化受N-丁�；�-L-高絲氨酸內酯和N-乙基-L-高絲氨酸內酯調控，其AHL合成基因swrI修飾后突變株不表示群集運動，形成的生物膜稀薄，但添加外源AHL后恢復群集運動。黃單胞桿菌（Xanthomonacampestri胞外甘露糖苷酶參與黃原膠的裂解和聚集體的溶解擴散，其合成受DSF/rpfQS系統調節。V.choleraQS系統在高細胞密度時會抑制生物膜的形成，促使生物膜在不良條件時解體。

03基于群體感應的膜污染控制

1.群體感應的抑制

群體淬滅是通過干擾細胞間的信息交流，阻止QS依賴型基因表達而抑制細菌的特定群體行為。根據QS系統的組成和特點，群體感應抑制有以下幾種途徑。1抑制信號分子的發生。AHL胞內通過酰基-�；�載體蛋白和S-腺苷甲硫氨酸結合合成，參與合成的酶包括AHL合成酶、烯�；�載體蛋白還原酶、�；�載體蛋白酶等。AIP通過前體肽的斷鏈和修飾合成。通過消除底物或抑制合成酶活性可阻斷信號分子合成。例如，S-腺苷甲硫半胱氨酸同系物對P.aeruginosa信號合成酶RhlI活性有抑制效果，可抑制信號分子合成。2降解信號分子。具有信號分子降解活性的細菌、酶和化合物已有報道。You等從海洋放線菌中分離出多種菌株，能降低AHL活性，抑制V.harveyi創傷弧菌（Vibriovulnificu和鰻弧菌（Vibrioanguillarum生物膜形成。Augustin等從芽胞桿菌（Bacilluspp.中獲得的AHL內酯酶（AiiA 可抑制V.cholera生物膜形成。Lin等從羅爾斯通氏菌（Ralstoniasp.XJ12B中合成的酰化酶AiiD可降解長鏈3OC12-HSL和短鏈上海GMP純化水設備C4-HSLHClOHBrO等化合物也可通過鹵代反應降解3-oxo-A HL3阻止信號分子與受體蛋白的結合。通過降低受體蛋白活性或引入信號分子類似物競爭結合受體蛋白可以抑制細菌QS系統。鹵代呋喃酮能使受體蛋白失活而抑制P.aeruginosa生物膜形成和毒素產生。黃芩苷和大黃素與信號分子有相似結構，可競爭結合受體蛋白TraR抑制P.aeruginosa生物膜形成，其結合體能改變蛋白構象使之易于水解，進而阻斷由QS控制的反應及功能表達。

2.基于群體感應的水處置膜污染控制

細菌在水處置膜外表滋生形成生物膜，影響系統的高效穩定運行。采用群體淬滅方法可抑制生物膜形成，并減少化學殺菌劑引起的細菌抗性等問題。Xu等在厭氧膜生物反應器（membranbioreactorMBR中發現游離菌團中低豐度的AHL介導的Rhodocyclaceae;g-生物膜形成初期易于造成污染，而群體淬滅可延緩生物膜的初始形成，并改變幼稚生物膜的菌種結構。目前已有研究將QS理論應用于膜污染控制中，并開發多種群體感應抑制劑，以期獲得更高效安全的生物污染控制方法。 上海純水設備

1利用群體感應抑制化合物控制膜污染

人工合成和天然的QS抑制劑對膜生物污染的控制研究已有報道。呋喃酮類化合物可通過鈍化la和rhl受體蛋白抑制P.aeruginosa等細菌的生物膜形成。經過修飾的內酯類、鄰苯三酚、噻唑烷二酮類化合物等也可通過與載體蛋白競爭結合抑制群體感應。許多生物中含有群體淬滅功能的化合物，其中一些具有信號分子類似結構的化合物能夠競爭結合受體蛋白；局部天然化合物能夠通過降解LuxR/LasR受體蛋白阻斷QS通路。Ponnusami等研究顯示香草醛對C4-HSL3-oxo-C8-HSLC6-HSLC8-HSLC14-HSL和C10-HSL均有抑制活性，從反滲透（reversosmosiRO膜生物膜中分離的嗜水氣單胞菌（Aeromonahydrophila添加香草醛的培養基中生長受限，香草醛濃度為0.25mg/mL時可減少46.3%生物膜量形成。Katebian等通過外表堆積將香草醛和肉桂醛負載于RO膜SW30XLE和SWC5外表，接種Alteromonasp.和Shewanellasp.合成海水過濾中，通量下降分別從50%減至34%SW30XLE和從22%減至15%SWC5改性后膜表面的多糖產生量、活菌和死菌分別減少15%58%和61%Xu等研究表明D-酪氨酸可抑制活性污泥微生物AI-2eDNA 多糖和蛋白質的合成，從而減少在親水玻片和疏水聚丙烯載體外表的附著，投加6mg/LD-酪氨酸可減少生物附著量達22%底物分析顯示D-酪氨酸對底物去除無明顯影響。Siddiqui等將萎葉提取物加入MBR處置合成印染廢水，相比對照組以及C6-HSL強化的MBRTMP上升速度減緩，且膜外表生物膜內檢測到AI-2濃度減少約40% 上海GMP純化水設備

具有群體淬滅特性的化合物在膜污染控制中已取得成效，化合物抑制劑具有較穩定的性質，可投加至反應器或通過慣例方法用于膜改性，實際應用可行性高。已報道的化合物大部分在干擾生物膜形成時對細菌的生長無抑制作用，不產生抗性，同時堅持細菌對底物的降解效率。Kappacheri等將RO膜在投加0.18mg/mL香草醛的CDC生物膜反應器中培養，3天后較無香草醛時的A.hydrophila生物膜覆蓋度、平均厚度、總生物量和總蛋白質分別降低93%97%96%和97%但外表預形成生物膜的RO膜在香草醛反應器中培養1天后生物膜無明顯變化。水處置應用中，活性污泥和生物膜中的EPS對抑制劑有抵御作用，可減少抑制劑對其功能菌活性的破壞，這將有利于群體淬滅在生物膜-膜生物反應器等復合工藝中的應用。除香草醛、肉桂醛等之外，玫瑰茶多酚、香芹酚等天然QS抑制劑對生物膜形成也有抑制效果，有利于提高群體淬滅在水處置應用中的平安性。但局部化合物的作用是通過與相似分子結構的信號分子競爭結合受體蛋白，淬滅效果受限于信號分子側鏈結構和長度等因素。因此該類抑制劑對不同菌種的QS通路干擾作用也有差異，對混合菌種培養體系的影響有待進一步考察，為其在實際膜法水處理中的應用提供指導。

2利用群體淬滅酶控制膜污染

群體淬滅酶可降解QS信號分子、干擾信號分子的合成或鈍化受體蛋白，從而抑制QS通路。已有研究的淬滅酶包括AHL內酯酶、酰基轉移酶和氧化還原酶等，作用于AHL分子內酯環或側鏈等多個位點，使內酯環開環生成�；�高絲氨酸，或使�；鶄孺湐嗔艳D化成高絲氨酸內酯環和脂肪酸，或催化還原�；鶄孺溞纬闪u基高絲氨酸，從而降解或滅活信號分子。上海GMP純化水設備

�；�轉移酶等群體淬滅酶在膜生物污染控制中的研究開展較早且有效性已得到驗證。Yeon等觀察到MBR膜外表生物膜中AHL濃度隨運行時間增加，并與TMP上升正相關；將10mg/L酰基轉移酶加入MBR后生物污染引起的TMP升高減緩，形成的生物膜中AHL濃度減少（圖2考慮到臨時運行下游離酶的活性和流失，已有研究采用載體固定淬滅酶以提高處置效果穩定性。Yeon等采用磁性二乙烯基苯-甲基丙烯酸縮水甘油酯離子交換樹脂載體固定�；�轉移酶（圖3控制MBR生物膜集聚；投加酶載體的MBR運行48h后TMP堅持在10kPa左右的初始值，未投加酶載體MBRTMP增加到30kPa左右。Lee等在帶磁性納米顆粒的球狀介孔二氧化硅載體中固定�；�轉移酶，低酶量和高有機負荷的條件下也能堅持淬滅酶的抗污染活性，將載體與微濾膜混合培養，膜表面P.aeruginosa生物膜的形成減緩。Jiang等將固定�；�轉移酶的海藻酸鈉膠囊投入MBR使TMP增長速度從0.611kPa/h降至0.075kPa/h膜表面EPS累積量減少50%而COD氨氮、總氮等污染物去除率無明顯影響，同時可提高污泥沉降性能。使用QS抑制劑進行膜改性也是控制膜污染的有效方法之一。Kim等通過合成殼聚糖-�；�轉移酶基質，將酰基酶固定在納濾膜表面，經過38h操作，改性納濾膜的通量仍保持在初始通量的90%以上，而未改性的膜在12h后通量開始下降，并繼續下降至60%改性膜外表生物積累量從1.15μm3/cm2減少至0.06μm3/cm2圖4Kim等通過酶吸附沉淀交聯法將�；�轉移酶固定于碳納米管上，然后采用聚多巴胺將其負載于PVDF膜上，改性后膜外表生物膜形成得到抑制，過濾接種P.aeruginosa料液時TMP增長至25kPa所需時間從11h延長至18hZhu等制備了�；�轉移酶/氧化石墨烯改性PVDF膜，改性后膜外表生物積累量減少84%有效抑制了生物膜的形成。 上海純水設備

圖2投加酰基轉移酶和AHLMBR測試結果

圖3層層自組裝制備離子交換樹脂磁性酶載體示意

圖4膜表面P.aeruginosa生物膜的激光共聚焦掃描顯微鏡

相比化合物抑制劑，群體淬滅酶可降低反應所需活化能，大幅提高淬滅效率。酶可作用于范圍更廣的同類信號分子合成、累積和受體蛋白結合，有利于淬滅混合菌群的QS通路。但通過群體淬滅降低生物污染是可逆的群體淬滅停止后膜分離性能將不會被改善，因而需要不時引入抑制劑實現長效的膜污染控制，使用淬滅酶的運行利息較高。另外，酶對高溫、酸堿等環境條件極為敏感，利用載體固定化或結合膜資料改性有利于維持酶的活性，需進一步研究固定方法和載體結構的優化，促進酶的控制釋放和活性保持。

3利用群體淬滅菌控制膜污染

群體淬滅菌的應用也是膜污染控制領域的研究方向之一，可克服群體淬滅酶在活性和高利息等方面的問題。群體淬滅菌能以多種信號分子為碳源和能源，如紅平紅球菌（Rhodococcuerythropoli可降解酰基側鏈長C8-C143-oxo-A HL等信號分子。已有研究從活性污泥中分離出多種群體淬滅菌。Oh等從污水處理MBR中分離出的紅球菌（Rhodococcusp.BH4對C8-HSL具有分解作用，可使膜外表生物膜更稀薄。Cheong等從污水處置廠活性污泥中純化得到可發生�；�轉移酶的假單胞菌（Pseudomonasp.1A 1對C10-HSLC12-HSL等長鏈AHL和3-oxo-C12-HSL降解能力更高。Kampouri等從市政污水處置廠活性污泥中篩選得到乳酸菌（Lactobacillusp.SBR04MA 該菌株使50μMC6-HSL9h內完全降解。Ham等從MBR中分離的腸球菌（Enterococcusp.HEMM-1能分泌內酯酶降解AHLCDC生物膜反應器中可使微濾膜外表活性污泥形成的生物膜厚度從25.98μm減至13.41μm  上海純水設備

群體淬滅菌在膜污染控制中的實際應用也在探索中。Oh等將分泌AHL內酯酶的重組大腸桿菌和群體淬滅菌BH4分別注入聚乙烯中空纖維膜（圖5a將該微生物容器置于MBR后能減緩TMP上升，其中BH4MBR運行40天后TMP為20kPa無BH4MBR為50kPa經Oh等分析，BH4通過分泌AHL內酯酶使C8-HSL開環而被降解，BH4對考察的8種AHL10min內降解率為10-80%其中�；鶄孺満�oxo基團的AHL降解率較低，側鏈越長越易被降解；信號分子在BH4胞內降解較胞外明顯更高。Weerasekara等將BH4微生物容器置于MBR中，聯合使用淬滅菌和氯清洗的反應器50天后TMP升至20kPa只使用氯清洗的反應器則升至50kPa該聯合方法使過濾能耗減少約74%且Cl2當量濃度100mg/L次氯酸鈉對BH4淬滅活性無影響。Kim等將BH4包埋于可自由移動的海藻酸鈉微球中（圖5b通過物理摩擦和群體淬滅的雙重作用減輕膜外表微生物附著，使TMP升至70kPa時間延長10倍。為減少海藻酸鈉微球在水中的分解，Lee等制備了BH4海藻酸鈉/聚乙烯醇微球，應用于中試規模的一段式MBR和三段式MBR中，實際污水處置結果顯示，投放淬滅菌微球后一段式和三段式MBRTMP從10kPa上升至20kPa時間分別從~15天延至~28天、從18天延至35天；上海GMP純化水設備一段式MBR淬滅菌的C8-HSL降解活性在前25天減少40%但60天后逐漸恢復至初始值，三段式MBR淬滅菌活性在100天內降低10-20%淬滅菌微球不影響出水水質，還可減少膜清洗的曝氣能耗。Lee等將BH4制備成海藻酸鈉/聚乙烯醇中空圓柱，以提高載體內的傳質效率（圖5cKampouri等將乳酸菌SBR04MA 制備成海藻酸鈉微球，MBR中可減少膜外表溶解性微生物產物和EPS發生，使臨界通量從8.3L/m2h提高到24.25L/m2h且不影響COD去除效率。Oh等也試驗了具有淬滅功能的重組大腸桿菌對RO膜污染的抑制，無淬滅菌的RO系統TMP115h時增加一倍，其中前97h增加20%而后18h增加80%接種淬滅菌的系統115h時TMP增加33%但136h時為初始TMP兩倍。除向系統中投加游離態菌株以外，Shah等將混合BH4海藻酸鈉/聚乙烯醇溶液涂覆在聚砜和PVDF中空纖維膜上，改性后膜初始水通量降低了34-47%但膜污染被延緩了57-67%將是提高膜資料抗污染性能的新途徑。

圖5群體淬滅菌固定化載體

群體淬滅菌在水處置膜污染控制中具有很大的應用潛力。淬滅菌可分泌多種淬滅酶，以不同種類的信號分子為生長底物，降解信號分子，相比其他抑制劑更有利于抑制混合菌群引起的膜污染。雖然淬滅菌活性弱于直接添加淬滅酶，但利息低且對操作條件適應性更強，有利于提高實際應用可行性。群體淬滅菌在污廢水處理、海水淡化等系統中廣泛存在從水處置系統中篩選高效的淬滅菌將是研究熱點之一。另外，可采用生物撫慰法原位培養群體淬滅菌。已有研究將與γ-已內酯加入MBR中以激活淬滅菌，可使系統中AHL內酯酶生成基因增多，使膜污染得到控制。

04結束語

膜生物污染是膜技術在水處置應用中亟待解決的關鍵問題。通過干擾細菌群體感應系統抑制生物膜的形成已被證明是有效控制生物污染的新技術，膜污染控制中具有良好的應用前景�，F有研究對群體感應系統機制和對生物污染的調控方法仍較局限。今后需對水處置膜分離中的群體淬滅機理和應用開展深入探討，研究方向包括以下方面：

1針對水處理應用，研發有效、穩定的群體感應抑制化合物和群體淬滅酶，從水處置系統中篩選或采用基因重組方法構建新型群體淬滅菌。目前研究以AHL介導的系統為主，用于其他種內和種間QS通路的抑制劑較少。鑒于進水中的微生物多樣性，需探索抑制劑對優勢菌和混合菌群的作用，評價膜污染緩解效果，并考察其對出水水質和環境安全的影響。 上海純水設備

2研究群體感應抑制劑的引入方法。固定化抑制劑在污染控制效果和穩定性方面較游離態更有優勢。對于載體固定化抑制劑，由于淬滅效率受限于反應器到載體內部的傳質速率，需研究新型的載體制備技術和載體結構。通過生物撫慰等方法可原位強化水處理系統的群體淬滅菌。另外，采用QS抑制劑進行膜資料制備和改性，改善抑制劑釋放的可控性，將有利于精準地控制膜表面的微生物集聚，提高膜抗污染能力和清洗效率。

3生物膜法和活性污泥等生物處理是水處理中的主要單元之一。細菌的集聚對菌膠團生長、載體掛膜、污泥絮凝沉降等過程有重要作用。例如，生物膜-膜生物反應器等生物膜法和膜分離的結合工藝中，細菌需有較強的EPS分泌和生物膜形成能力使其在載體外表附著。好氧顆粒污泥法中，群體感應在顆粒形成初期起誘導作用，可促進微生物附著生長并形成顆粒。研究標明群體感應抑制劑對MBR污染物去除效率無明顯影響。由于工程應用中膜分離會與活性污泥和生物膜等多種生物處置單元聯用，今后應結合實際應用，研究群體感應抑制劑對其他工藝的水處理效果的作用，降低抑制劑對生物處置單元的有利影響，并減少抑制劑投加量和應用成本。

 “本文由上海皙全水處理設備網提供任何人和單位不得轉載盜用”。