膜系统中生物污染的群体感应机制及抑制方法.docVIP

PAGE  PAGE 8 膜系统中生物污染的群体感应机制及抑制方法 　　摘要：指出了双模技术目前最前沿的是采出水、石油化工废水处理技术，但是膜表面生物污染一直是限制反渗透膜技术应用的主要因素。总结了微生物的群体感应机制的原理及过程，并提出了群体感应猝灭法这一新兴的生物污染控制方法，以期提供参考。 　　关键词：双模技术；反渗透膜；生物污染；群体感应机制；群体感应猝灭法 　　中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）2-0087-03 　　1 引言 　　膜处理技术具有设备规模小、能够处理大多数污染物、出水水质优越以及自动化程度高等优点，膜技术现在正被越来越多地应用于采出水的处理过程。双模过程，即包括微滤/超滤加纳滤/反渗透或者生物膜反应器加纳滤/反渗透，是目前最前沿的采出水、石油化工废水处理技术。然而细菌附???在反渗透膜表面生成的生物膜导致的生物污染是目前限制反渗透膜技术应用的主要因素。 　　2 膜污染的种类 　　膜污染通常包括的种类有无机污染、有机污染、生物污染和胶体污染。其中，生物污染是指微生物在膜表面附着并形成生物膜，且生物膜的形成速率和范围的增长速度非常快，这将导致膜性能的损坏，所以生物污染是最严重的一种污染[1]。 　　3 生物污染的危害及抑制方法 　　生物污染带来的危害包括降低膜通量、增加盐透过率、增加能耗、导致出水水质恶化、膜寿命缩短甚至膜系统故障（膜表面发生生物降解）[2]。 　　目前对于膜系统中的生物污染的控制方法主要包括利用大量前处理去除入水中的细菌、对膜系统的频繁清洗以及添加杀菌剂。然而，这些方法由于以下几个原因被证明效果不佳。①在实际中无法保持大型膜系统无菌，系统中残余的任何细菌最终都会导致生物膜（微生物倾向形成的生命形式）的形成。并且，大部分商品化微滤和反渗透膜所采用的高分子材料为聚酰胺，容易被氧化，这就排除了使用常用杀菌剂氯和臭氧的可能性。②生物膜一旦形成，就对杀菌剂以及水力清洗和化学清洗具有极高的抗性。③由于入水水量大，需要添加杀菌剂剂量相应的很大，导致成本偏高[3]。生物法抑制生物污染具有对膜材料友好、成本低、效果好等特点。因此，用生物法抑制生物污染的方法得到了广泛的关注。 　　4 生物膜形成机理 　　4.1 生物膜形成的阶段 　　生物膜的形成分为三个阶段：第一阶段是诱导期。即微生物慢慢熟悉进入的新环境，微生物在这个阶段生长比较缓慢。第二个阶段是对数生长期。在这个阶段，微生物已经适应他们的生长环境，并且保证微生物生长的食物是充足的，所以微生物以指数的速度增长。第三个阶段是平台期。在这个生长阶段，周围食物和生长环境都不再适合微生物快速增长，所以微生物选择缓慢增长甚至停止生长。通常在这个阶段，微生物的粘附和细胞增殖与微生物细胞分离及细胞衰老是达到平衡的状态[4]。 　　4.2 生物膜形成的过程 　　生物膜的形成是一个微生物细胞在溶液中的分离阶段转移到在反渗透膜表面强力附着的状态的过程中[5]。在第一阶段，单个微生物细胞在膜表面上自由地附着。大量的微生物在膜表面上移动。这个阶段速度很快，通常发生在几秒钟内。第二阶段是不可逆的附着阶段，在此阶段，微生物?胞分泌出胞外聚合物粘在膜表面。这种不可逆的附着发生在几秒钟或几分钟内。在第三阶段，微生物在特定区域增殖并形成微菌落，最终将微菌落生长为一个成熟的生物膜。这个阶段发生在微生物不可逆附着的几个小时或几天之后。最后一阶段被称为生物膜的溶解，这意味着微生物细胞或细胞群从微菌落的中心离开或分散。这会持续几天甚至几个月[6]。 　　5 群体感性机制 　　以下几种生物法已经被用来抑制生物污染，这包括NO诱导生物膜的分解、蛋白质的干扰法、DNA和胞外多糖的特异性酶法、抑制微生物附着能量解偶联法以及群体感应抑制法[7]。笔者将讨论微生物的群体感应系统的抑制控制策略。 　　5.1 群体感应机制的原理及过程 　　群体感应（quorum sensing）机制是微生物之间像语言一样的一种细胞间的沟通机制。微生物可以通过群体感应进行沟通，这不仅可以发生在同一个单一的细菌物种之间，而且也可以发生在不同的物种之间。微生物通常通过群体感应来执行一些生物学行为，如生物发光、运动、形成孢子、产生胞外多糖以及生物膜的形成。群体感应的过程分为生产、发射和检测群体感应信号分子三个阶段，群体感应信号分子称为自身诱导物（AIS）。科学家已经发现了三种类型的群体感应信号分子：N-酰基高丝氨酸内酯（AHL）、自身诱导物-2（AI-2）合成的LuxS以及寡肽。寡肽作用于革兰氏阳性菌，而N-酰基高丝氨酸内酯（AHL）作用于革兰阴性菌，这只涉及在微生物细胞间交流。自身诱导物-2（AI-2）能够有效作用于革兰氏阳性菌和革兰氏阴