细菌群体感应现象及其在控制膜生物污染中的应用

膜生物污染是限制膜生物反应器大规模推广的主要因素。细菌群体感应是能通过感知分泌到环境中自诱导物浓度的变化来调整基因表达,增强其在复杂环境中的生存能力。细菌群体感应系统与细菌生物膜的整个形成过程包含了黏附、成熟、以及生物膜后期的细胞扩散密切相关。近年的研究表明,利用群体淬灭技术抑制MBR膜生物污染是有效和经济可行的。     

群体感应淬灭菌的分离及其膜污染控制性能

通过淬灭细菌的群体感应系统来抑制生物膜形成、防止膜生物污染的方法近年来受到广泛关注.本实验从实际运行污水处理厂活性污泥中分离出5株具有群体感应淬灭功能的菌株,其中菌株HG10对信号分子N-乙酰高丝氨酸环内酯(C6-HSL)分解能力最强.经16S rRNA基因序列比对,初步鉴定为蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus).用海藻酸钠将菌株HG10进行包埋固定,以探究其在膜过滤系统中对膜污染防治的效果.结果表明,经过8 d培养,添加细菌包埋珠(SA-HG10)的实验组B中膜通量为181.29 L·(m~2·h)~(-1),未投加包埋珠的对照组A膜通量为110.64 L·(m~2·h)~(-1),B组膜通量比A组高出63.86%;对微滤膜片上生物膜中EPS含量测定表明,实验组B中EPS多糖和蛋白质含量较对照组A分别减少了29%和48%,疏水性蛋白质含量的大量减少是造成膜污染减弱的主要原因;膜表面胞外聚合物(EPS)总含量减少了43%,表明投放SA-HG10细菌包埋珠对过滤膜片上生物膜形成具有明显抑制作用,改善了膜过滤性能.     

聚苯乙烯微塑料对铜绿假单胞菌生物膜形成和结构变化的影响

微塑料在水环境中的污染情况日益严重,对水生生物的生长发育造成严重影响,而目前有关微塑料对生物膜形成影响机制的研究十分有限.为探究聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）对铜绿假单胞菌生物膜形成发育的影响,选用不同浓度和粒径PS-MPs进行暴露试验,研究其对生物膜内生物量、氧化应激水平、生物膜结构和群体感应系统的影响.结果表明,PS-MPs诱导严重氧化应激反应并抑制生物膜形成和发育,粒径越小,产生的抑制作用越强烈,抑制效果表现为0.1 μm>0.5 μm≈1 μm>5 μm.PS-MPs通过与细胞接触造成严重物理损伤,形成的生物膜厚度显著减小且结构稳定性遭到破坏,膜内细菌通过分泌胞外聚合物来抵御PS-MPs的胁迫作用.PS-MPs进一步通过干扰铜绿假单胞菌群体感应系统,下调关键基因lasI、lasR、rhlI和rhlR的表达水平,抑制信号分子和相关毒力因子的合成与分泌,降低细菌对毒性作用的防御功能,最终影响生物膜形成和结构稳定性.     

小分子物质双(3-氨基丙基)胺对废水混合菌落生物膜形成抑制效应

研究了小分子物质双(3-氨基丙基)胺对混合菌落生物膜形成抑制及解体效应机制,并探讨了利用双(3-氨基丙基)胺减缓膜表面生物污染的可行性.结果表明,双(3-氨基丙基)胺能有效抑制混合菌群微生物附着和生物膜形成,抑制作用随浓度的升高而增强.经过双(3-氨基丙基)胺处理(131 mg·L~(-1))24 h,生物膜形成抑制率达到74.61%.这种抑制效果不是通过杀菌方式产生而是通过抑制微生物中胞外多糖和e DNA含量产生.经双(3-氨基丙基)胺处理后,胞外多糖和eDNA分别下降了39.37%±2.68%和70.05%±2.93%.双(3-氨基丙基)胺对已经形成的生物膜也有一定解离作用.对于预培养12 h的生物膜,双(3-氨基丙基)胺(131 mg·L~(-1))处理10 h,解体率为23.59%.另外双(3-氨基丙基)胺可减缓膜过滤过程中膜孔堵塞速度,降低膜压,缓解由微生物引起的膜污染问题,在环境膜污染控制方面具有潜在应用价值.     

群体感应调控有机污染物生物降解研究进展

有机污染物的生物降解效果受微生物活性影响,群体感应是微生物控制其生理活性的重要机制。在有机污染物生物降解过程中,群体感应对关键降解酶的合成、生物膜的形成以及菌群结构的调控等产生影响。直接投加群体感应信号分子或能产生信号分子的菌剂可促进群体感应调控,提高污染物降解率,但pH、温度、群体感应淬灭菌、纳米颗粒物等环境因素可影响群体感应的活性。当前,群体感应调控有机污染物生物降解的研究尚处于起步阶段。综述了相关研究进展,介绍了群体感应对有机污染物生物降解的影响机理,归纳了强化群体感应调控的方式和影响群体感应活性的主要环境因素,并对其应用前景进行了展望。     

膜曝气生物膜反应器数学模型的研究进展

污(废)水处理与资源化是控制水体污染、缓解水资源短缺的重要手段。高效的污水处理工艺是实现污水处理与资源化的关键。膜曝气生物膜反应器(membrane-aerated biofilm reactor, MABR)是一种集膜技术和生物膜技术于一体的新型污水处理技术,具有氧传质效率高、同步除碳脱氮等优势,因此在污(废)水处理领域得到广泛研究与应用。MABR数学模型是依托于数理逻辑方法的系统定量描述,对于深入解析MABR系统运行机理、优化工艺参数具有重要意义。通过回顾MABR数学模型的发展历程,从底层逻辑出发归纳概括了MABR数学模型涉及的主要过程(包括MABR传质过程模型和MABR反应过程模型);分析了MABR模型研究中的关键影响参数;总结了现有MABR模型研究中存在的问题,并对今后MABR数学模型的研究方向进行了展望。     

高压膜表面性质对膜污染的影响机制

围绕纳滤膜和反渗透膜在水处理应用中的膜污染问题,论述了膜表面亲疏水性、荷电性、官能团和粗糙度4种关键性质对包括有机污染、无机污染、结垢污染和生物污染在内的不同污染类型的影响,分析了研究中由膜表面性质耦合性和污染物性质差异所导致的不同结论,并总结了膜表面各性质对膜污染的影响机制以及存在不确定性的原因,可为针对膜表面性质与膜污染相关性的研究和抗污染膜的研发提供建议。     

地下水硝酸盐反硝化修复过程中生物膜抑制缓堵模拟实验研究

为缓解地下水污染原位生物修复过程中生物膜形成造成的多孔介质渗透性损失,采用纳米乳化油为碳源,市售反硝化细菌为菌种,开展静态批实验,模拟地下水硝酸盐氮反硝化修复过程;选取蛋白酶、多糖酶以及群体感应抑制剂香草醛为生物膜抑制剂,分析不同反应体系硝酸盐氮的降解情况,探究3种添加物的不同组合方式对于反硝化细菌生物膜的抑制作用.结果显示,多糖酶、蛋白酶以及香草醛的投加能够有效促进硝酸盐氮的降解和亚硝酸盐氮的还原.4个实验组别的NO₃-N降解速率为0.28～0.30 mg·L^-1·h^-1,约为空白组的2.55～2.73倍,且NO₂-N无明显积累.群体感应抑制剂香草醛与蛋白酶的结合对以假单细胞菌属为主的反硝化细菌生物膜的抑制效果最好.定量评估结果表明,生物膜去除效果依次为香草醛和蛋白酶的混合物（81.3%）>蛋白酶和多糖酶的混合物（68.6%）>蛋白酶（54.1%）>多糖酶（49.1%）,单位质量多糖酶、蛋白酶和香草醛对于胞外聚合物的去除量分别为30.07、65.34 mg·mL^-1     

环境功能材料界面性质对生物膜形成过程与代谢功能的调控机制

材料表面生物膜形成对环境与人类生产的影响纷繁复杂,关于环境功能材料与微生物之间的界面作用关系尚无系统阐述。介绍了材料表面生物膜的形成过程,重点解析了材料表面疏水性、形态特征、表面电荷、磁性、物质释放与电子传递等物理化学性质对生物膜形成的调控机制;综述了材料对生物膜微生物群落结构与代谢功能的影响,并且论证了不同环境功能材料与生物膜在水处理系统、废气生物处理和土壤生态修复领域协同降解污染物的潜在机制和应用情况;最后展望了材料与微生物相互作用的未来研究方向。拟为环境功能材料表面生物膜的形成与控制调控,充分发挥两者协同作用以及定向指导材料合成提供理论和技术支撑。     

环境介质对微生物群体感应信号分子的影响

群体感应(QS)是一种细菌谈话机制,指微生物通过释放信号分子进行细胞间交流,调控自由基释放、生物膜形成、基因水平转移等一系列群体行为.环境中广泛存在或使用的介质材料与信号分子相互作用进而影响这些群体行为.关于群体感应信号分子及其调控机制的综述很多,但却尚未有环境介质对胞内外信号分子影响的总结.本研究综述了微生物各类信号分子理化性质和生物功能,分析并总结了土壤矿物、纳米材料、生物炭和天然小分子化合物等环境介质对信号分子的影响,阐明了信号分子与环境介质之间的构-效关系,以期为深入理解真实环境中微生物群体感应调控行为提供重要参考.     

反渗透膜生物污堵监测及其控制的研究进展

综述了RO膜面微生物群落结构及EPS的最新研究进展,并对RO膜生物污堵的监测技术和控制方法进行总结。膜面微生物中变形菌门（α-,β-和γ-变形菌纲）、拟杆菌门和浮霉菌门相对丰度较高,产生EPS较多的鞘氨醇单胞菌属、假单胞菌属在膜污堵中起到重要作用。EPS中多糖更易附着于膜面,EPS中大分子组分的RO膜污堵潜势更高,透明胞外聚合物（TEP）能促进生物污堵的形成。对进水中有机物参数和微生物参数的测定能反映进水RO膜污堵潜势,但并不能用于确定膜面污堵的实际情况。而对RO膜组件的动态监测能够及时反映膜污堵状态。进水预处理和膜清洗已被用于延缓RO膜生物污堵,而膜改性和生物处理等方法的开发为RO膜生物污堵的控制提供了新途径。根据研究现状,认为今后反渗透膜抗生物污堵的研究需要完善进水生物污堵潜势评价指标,加大对膜面污堵中优势菌群和污堵潜势大的EPS的控制研究,并对新型抗污染改性膜的工程实用性进行关注。     

污水再生处理反渗透系统进水膜污堵潜势评价方法及指标体系

由于污水中的有机物含量显著高于海水,因此污水再生处理反渗透（RO）系统面临比海水淡化RO系统更加严重的污堵问题。为了有效预测和控制RO膜的污堵,需要对RO系统进水污堵潜势进行全面评价。从颗粒物/胶体污堵、无机结垢、有机污堵和生物污堵4个方面,分析了目前RO系统理论研究和工程实践中常用的进水污堵潜势评价方法和指标体系的特点。针对颗粒物/胶体污堵和无机结垢,实际工程中的潜势评价与控制方法已经相对成熟。然而,目前污水再生处理RO系统的工程设计中尚无针对有机污堵和生物污堵的指标。现有研究表明,在污水再生处理RO系统中,当进水ρ（DOC）<4 mg/L时,RO膜的污堵速率显著降低,可将该数值作为RO系统进水水质设计的参考。除有机物总量外,还应综合考虑有机物分子量和亲疏水性-酸碱性等组分特性,大分子、疏水中性和酸性物质更容易沉积于RO膜面导致污堵。在生物污堵方面,现有的针对进水生物量和生物膜生长速率（BFR）的指标均不能有效反映进水的生物污堵潜势,因此,生物污堵的预防和控制,仍是未来RO系统污堵防控领域的研究重点。     

电化学膜分离技术在水处理领域的研究进展

水中的有机污染物由于其毒性、持久性和生物难降解性,对生态环境和人体健康造成严重危害。传统膜分离技术通过物理截留去除水中污染物,然而有机污染物、微生物与膜表面的相互作用不可避免地导致膜污染,缩短膜使用寿命。电化学膜分离技术(electrochemical membrane filtration,EMF)是一种集污染物截留和电化学降解双重功能于一体的新兴水处理技术,具有强化污染物去除、抗污染和效能提升的优势,因此在污染物深度脱除和消毒等方面得到了广泛研究与关注。介绍了电化学膜分离技术在水处理中的研究进展,简述了其工作原理和优势,并重点分析了电化学膜材料、反应器运行参数、水质条件的影响,介绍了该技术在污染物去除和水体消毒的应用现状,最后对其发展进行了总结和展望。     

好氧颗粒污泥耐受PFOS的结构稳定性及微生物响应

以好氧颗粒污泥为接种污泥,通过全氟辛烷磺酸(PFOS)长期驯化实现耐PFOS颗粒的培养,考察不同驯化时期的污泥基本特性,并结合微生物群落演替过程、微生物表型分布以及功能途径的变化情况,以揭示其耐受机制.结果表明,好氧颗粒污泥经历解体、再形成和成熟3个阶段后可在PFOS暴露下稳定维持.驯化成熟后的好氧颗粒污泥表面丝状菌减少,并且被大量胞外聚合物(EPS)所包裹,结构更加致密.驯化期间颗粒污泥中存在大量抗性细菌以及维持颗粒稳定相关细菌,主要包括unclassified＿f＿＿Comamonadaceae、Defluviicoccus、Dongia、Rhodoplanes、Flavobacterium、Thauera、Azospira、Candidatus＿Competibacter、Azoarcus和norank＿f＿＿A4b,且部分菌属间存在显著的正相关性.群体感应途径和细菌趋化途径相关基因丰度在解体期上调,在颗粒形成和成熟期恢复至初始水平,说明细菌的群体感应效应和趋化性能够在颗粒应激过程中起重要作用.因此,好氧颗粒污泥可以通过特定菌群积极响应、促进细菌趋化作用和群体感应作用、提高EPS...     

Characterization of the archaeal community fouling a membrane bioreactor

Biofilmformation, one of the primary causes of biofouling, results in reducedmembrane flux or increased transmembrane pressure and thus represents a major impediment to the wider implementation of membrane bioreactor (MBR) technologies for water purification. Most studies have focused on the role of bacteria in membrane fouling as they are the most dominant and best studied organisms present in the MBR. In contrast, there is limited information on the role of the archaeal community in biofilm formation in MBRs. This study investigated the composition of the archaeal community during the process of biofouling in an MBR. The archaeal community was observed to have lower richness and diversity in the biofilmthan the sludge during the establishment of biofilms at low transmembrane pressure (TMP). Clustering of the communities based on the Bray-Curtis similarity matrix indicated that a subset of the sludge archaeal community formed the initial biofilms. The archaeal community in the biofilm was mainly composed of Thermoprotei, Thermoplasmata, Thermococci, Methanopyri, Methanomicrobia and Halobacteria. Among them, the Thermoprotei and Thermoplasmata were present at higher relative proportions in the biofilms than they were in the sludge. Additionally, the Thermoprotei, Thermoplasmata and Thermococci were the dominant organisms detected in the initial biofilms at low TMP, while as the TMP increased, the Methanopyri, Methanomicrobia, Aciduliprofundum and Halobacteria were present at higher abundances in the biofilms at high TMP.     

Influence and mechanism of N-(3-oxooxtanoyl)-L-homoserine lactone (C8-oxo-HSL) on biofilm behaviors at early stage

N-acyl-homoserines quenching, enzymatic quenching of bacterial quorum sensing, has recently applied to mitigate biofilm in membrane bioreactor. However, the effect of AHLs on the behavior of biofilm formation is still sparse. In this study, Pseudomonas aeruginosa biofilm was formed on ultra-filtration membrane under a series of N-(3-oxooxtanoyl)-L-homoserine lactone (C₈-oxo-HSL) concentrations. Diffusing C₈-oxo-HSL increased the growth rate of cells on biofilm where the concentration of C₈-oxo-HSL was over 10^-7 g/L. The C₈-oxo-HSL gradient had no observable influence on cell density and extracellular polymeric substances of biofilm with over 10^-7 g/L C₈-oxo-HSL. Surprisingly, 10^-11-10^-8 g/L of C₈-oxo-HSL had no effect on cell growth in liquid culture. The cell analysis demonstrated that the quorum sensing system might enhance the growth of neighboring cells in contact with surfaces into biofilm and may influence the structure and organization of biofilm.     

Membrane fouling controlled by coagulation/adsorption during direct sewage membrane filtration (DSMF) for organic matter concentration

Unlike the role of the membrane in a membrane bioreactor, which is designed to replace a sediment tank, direct sewage membrane filtration(DSMF), with the goal of concentrating organic matters, is proposed as a pretreatment process in a novel sewage treatment concept. The concept of membrane-based pretreatment is proposed to divide raw sewage into a concentrated part retaining most organics and a filtered part with less pollutant remaining, so that energy recovery and water reuse, respectively, could be realized by post-treatment. A pilot-scale experiment was carried out to verify the feasibility of coagulant/adsorbent addition for membrane fouling control, which has been the main issue during this DSMF process. The results showed that continuous coagulant addition successfully slowed down the increase in filtration resistance, with the resistance maintained below 1.0 × 1013m~(-1) in the first 70 hr before a jump occurred. Furthermore,the adsorbent addition contributed to retarding the occurrence of the filtration resistance jump, achieving simultaneous fouling control and chemical oxygen demand(COD)concentration improvement. The final concentrated COD amounted to 7500 mg/L after 6 days of operation.     

Monitoring biofouling based on aerobic respiration in reverse osmosis system

A monitoring method of biofouling in reverse osmosis (RO) system was proposed based on the fluorescent signal of resorufin, which is reduced by nicotinamide adenine dinucleotide released from viable cells during aerobic respiration. The fluorescent signal of resorufin reduced by planktonic cells and microorganisms of biofilm showed linearity, indicating its feasibility to monitor biofouling in a RO system. For the application of the method to the lab-scale RO system, the injection concentration of resazurin and the injection flow rate were optimized. Biofilm on RO membranes continuously operated in a lab-scale RO system was estimated by resorufin fluorescence under optimized detection condition. As a result, resorufin fluorescence on RO membrane showed a significant increase in which the permeability of RO system decreased by 30.48%. Moreover, it represented the development of biofilm as much as conventional biofilm parameters such as adenosine triphosphate, extracellular polymeric substances, and biofilm thickness. The proposed method could be used as a sensitive and low-cost technology to monitor biofouling without autopsy of membranes.     

海水环境生物腐蚀污损与防护

以海水环境生物腐蚀污损与防护为中心,就国内外与其相关的报道进行综述分析,并提出建议。首先,分析污损生物的分布与特征,得出污损生物群落的组成和结构对海域、季节、水深、工程结构类型等的依赖性,突出海水环境生物腐蚀污损的复杂性。然后,解析生物附着污损对海水环境腐蚀速率的影响,突出附着生物是导致金属材料腐蚀速率增大的重要因子。再次,介绍海水环境生物腐蚀污损防护技术的现状,分析主要防护技术的优缺点,并展示其在不同行业的联用。最后,提出对海水环境生物腐蚀污损研究工作的建议,包括建立各海域的生物腐蚀污损数据库、大力研制发展绿色生物腐蚀污损控制技术、加强对海洋生物腐蚀污损基础性研究工作的投入、尽快建立海洋生物腐蚀评价标准和规范等。