基于AHLs类群体感应淬灭的MBR本土细菌对生物膜形成的抑制作用与微观机理

Biofouling in membrane bioreactor(MBR) is closely associated with bacteria quorum sensing. Quorum quenching bacteria can effectively block quorum sensing, inhibit biofilm formation and alleviate membrane fouling. However, various information is deficient and is urgent to be complemented, including source and screening method of quorum quenching bacteria, analysis of bacterial adaptability and quorum quenching activity, effect of quorum quenching on biofilm formation and evolution in MBR. This item is about the inhibition behaviour and micro-scale mechanism of biofilm formation by bacteria isolated from real MBR based on AHLs-mediated quorum quenching. After finding out the correlation between AHLs and biofilm in MBR, quorum quenching bacteria will be screened and immobilized. Degradation activity of bacteria to AHLs will be assessed. The methods including CLSM, FE-SEM, EEM and pyrosequencing will be applied for detecting biofilm formation, EPS/SMP composition and microbial community in MBR. A novel strategy to combat membrane biofouling will be proposed in this research, which is aimed at inhibiting the phenotype expression of biofilm forming phenotypes instead of killing it or limiting its growth and the risk of bacteria’s mutil-drug resistance will be reduced .This bacterial quorum quenching approach is of important theoretical significance and practical value in inhibiting membrane biofouling in MBR and further understanding the mechanism of membrane biofouling.

膜生物反应器（MBR）的膜污染与细菌的群体感应密切相关。群体感应淬灭细菌可以有效地干扰群体感应，抑制生物膜形成，减缓膜污染。然而，淬灭细菌的来源与筛选方法、细菌的适应性与淬灭效果以及对MBR生物膜形成进化的影响等多方面的信息均不全面。本研究围绕基于群体感应淬灭的MBR本土细菌对生物膜形成的抑制作用与微观机理展开工作。研究从AHLs与生物膜的关联性着手，筛选、固定淬灭细菌，测定细菌的降解效果，采用CLSM、FE-SEM、EEM、焦磷酸测序技术表征MBR生物膜的形成生长特征、EPS/SMP组成和MBR微生物群落的变化，阐述群体感应淬灭对生物膜形成的抑制效果和作用机制。本研究针对常规MBR膜污染生物控制方法可能对微生物的破坏作用和细菌的抗药性问题，系统深入地研究一种全新的以抑制生物膜显型表达为目标的膜污染控制方法。本研究对于解决MBR的膜污染问题、丰富膜生物污染机理具有重要的理论意义和实践价值。

要突破常规膜污染控制方法的局限性、解决MBR的膜污染问题，需要开发一种新型、微生物友好的膜生物污染控制方法。本课题围绕基于AHLs类群体感应淬灭的MBR本土细菌对生物膜形成的抑制作用与微观机理展开研究。探究了MBR中群体感应信号分子与生物膜的关联，确定了淬灭细菌筛选方法和固定方法，测定了淬灭细菌对AHLs类信号分子的降解性能，研究了群体感应淬灭对MBR生物膜形成的抑制作用，并结合细菌对信号分子的降解机制、生物膜的结构组成、MBR的污泥混合液性质，阐述了淬灭细菌抑制生物膜形成的作用机理。研究结果表明：AHLs类群体感应效应广泛地存在于MBR污水处理系统中，基于AHLs类群体感应淬灭机理、运用MBR本土群体感应淬灭细菌可有效地抑制MBR生物膜的形成。MBR中主要的AHLs信号分子种类为C6-HSL，浓度值为60.08ng/L-269.26ng/L，生物膜形成与AHLs信号分子的含量密切相关；在QQ-MBR中已发现十二种基于AHLs的群体感应和群体感应淬灭相关菌种，从中筛选获得的本土群体感应淬灭细菌与不动杆菌菌株Acinetobacter bereziniae（ATCC17924）具有最高的序列同源性，采用PVDF平板膜包埋、PVDF中空纤维膜灌装、聚乙烯醇-海藻酸钠包埋、聚乙烯醇-海藻酸钠-粉末活性炭包埋均有良好的固定效果，并保持QQ细菌对AHLs的降解活性；固定化QQ细菌通过产生的内酯酶水解AHLs的内酯环或利用酰基转移酶水解酰基—酰胺键降解AHLs，破坏MBR中细菌的群体感应调控机制，降低MBR混合液的SMP、LB-EPS含量，抑制生物膜的形成，有效延缓MBR跨膜压差的增长及膜污染出现时间；外源QQ细菌投加对MBR中菌群的多样性指数、物种组成会产生一定程度的影响，继而影响MBR中污泥的群体感应淬灭能力和生物膜生成能力；但外源群体感应淬灭不会对MBR的污泥性质及有机物的去除产生影响。以上研究成果已发表论文22篇，申请国家发明专利2项，培养研究生7名。本项目系统深入地研究了一种全新的以抑制生物膜显型表达为目标的膜污染控制方法，解决了常规MBR膜污染生物控制方法可能对微生物的破坏作用，对于控制MBR膜污染、丰富膜生物污染机理具有重要的理论意义和实践价值。