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第 38 卷第 1 期大 连 海 洋 大 学 学 报大 连 海 洋 大 学 学 报Vol.38 No.12 0 2 3 年 2 月JOURNAL OF DALIAN OCEAN UNIVERSITYFeb.2 0 2 3DOI:10.16535/ki.dlhyxb.2022-044文章编号:2095-1388(2023)01-0176-09基于外源酰基高丝氨酸内酯的群体感应强化生物膜脱氮性能研究进展衣隆强1,吴英海1,刘长远1,宛立1,韩蕊2,3(1.大连海洋大学 海洋与土木工程学院,辽宁 大连 116023;2.设施渔业教育部重点实验室(大连海洋大学),辽宁 大连 116023;3.大连海洋大学 海洋科技与环境学院,辽宁 大连 116023)摘要:随着社会经济发展,基于生物膜法降解含氮污染物已被广泛应用于污染水体修复和污水深度处理中,如何缩短生物膜启动时间,提高生物膜生物量、功能微生物丰度和多样性是当前的研究热点。基于酰基高丝氨酸内酯(acyl-homoserine lactones,AHLs)的群体感应(quorum sensing,QS)有助于生物膜生长和脱氮功能菌的增加,而添加外源性 AHLs 可提高生物膜性能,这为生物膜脱氮性能强化提供了新思路。本文综述了 AHLs 的多样性与促进生物膜脱氮的功能,强化微生物脱氮的机制及影响因素,针对外源 AHLs强化生物膜脱氮性能研究中存在的问题,提出应进一步揭示不同种类 AHLs 对生物膜脱氮的调节能力,明确AHLs 在生物膜反应器不同阶段的作用机制和效果,增强环境条件对 AHLs 调节生物膜脱氮的效应研究,以及利用规模化生物膜反应器验证 AHLs 对实际生物膜脱氮的效果等未来重点研究方向,以期为实现外源AHLs 强化生物膜脱氮性能提供科学依据。关键词:生物膜;群体感应;胞外聚合物;微生物群落;脱氮中图分类号:S 949;X 522 文献标志码:A 污水排放可导致水体环境受到污染,通过污水厂、人工湿地等主要利用生物作用的构筑物可以经济、可靠地大幅削减排入水体的污染物。然而,含氮化合物一般不如普通有机物易在生物作用下达到较高去除率,也不如磷化合物可以在构筑物末端通过化学法强化去除,因此,污水深度脱氮一直是水处理的技术难题之一1。生物膜法水处理工艺适合处理低污染程度的污水,依靠生物膜发挥主要净化功能的构筑物包括生物转盘、曝气生物膜反应器、生物滤池、生态滤床和人工湿地等2-3。生物膜依靠其表面及内部的硝化菌、反硝化菌和厌氧氨氧化菌等去除污水中的含氮化合物。但这些微生物由于生物量低、成长为优势菌耗时长,以及对不利因素(如水质变化等)过于敏感,使得生物膜系统存在脱氮效率低、性能不稳定等缺点4。大量研究发现,硝化菌、反硝化菌和厌氧氨氧化菌能产生、释放和感知某些化学信号分子,当这些分子浓度达到一定阈值时,就会被这些氮转化功能菌识别,并在群体水平上调控相关基因的表达,从而调节其代谢行为并对不同环境做出反应5-6。这种微生物通过感知周围环境中细菌浓度变化来调控自身生理行为的现象称为群体感应(quorum sensing,QS)5。自 1994 年发现并定义 QS 至今,QS 及其信号分子在污水净化中的作用机制受到持续关注7。其中,酰基高丝氨酸内酯(acyl-homo-serine lactones,AHLs)作为 QS 的一类关键信号分子,在生物膜形成、微生物聚集、转化、平衡、硝化和反硝化调节中尤为重要8-9。目前,已有文献综述了 AHLs 介导的 QS 在水处理中的研究进展10-13,但这些综述主要关注了活性污泥颗粒除污性能及机制,而对 AHLs 介导的 QS 强化生物膜系统脱氮性能方面的评述较少,对 AHLs 提升生物膜系统脱氮性能的添加方法和影响因素分析不足,尤其是不同外源 AHLs 的选择、添加浓度及添加频次对生物膜系统脱氮性能的影响缺乏深入研究。本研究中,围绕近年来 AHLs 介导的 QS 在生 收稿日期:2022-02-10 基金项目:国家重点研发计划项目(2019YFD0900501);辽宁省科技计划项目(2019JH2/10200007,2021JH2/10200012);大连市支持高层次人才创新创业项目(2020RQ0111);设施渔业教育部重点实验室(大连海洋大学)开放课题(202211)作者简介:衣隆强(1997),男,硕士研究生。E-mail:1464808486 通信作者:韩蕊(1985),女,博士,副教授。E-mail:hanrui 物膜系统中的脱氮研究进行了综述,分析了各种AHLs 介导的 QS 在生物膜系统脱氮过程中的机制和影响因素,以期为研究外源 AHLs 介导的 QS 系统在生物膜中的潜在应用提供科学参考。1 外源性 AHLs 分子的多样性及功能1.1 AHLs 分子的基本结构及多样性AHLs 作为感知和诱导革兰氏阴性细菌信息交流的主要 QS 信号分子,是通过酰胺键将高丝氨酸内酯环与酰基侧链相连的分子结构(图 1),其酰基链通常包含偶数个碳并以两个碳氮进行增加,如C4、C6、C8、C10、C12 等14。但由于酰基侧链的长短(4 18 个碳)、碳链骨架饱和度,以及3 位碳上的取代基种类(羟基取代、羰基取代)不同,形 成 了 种 类 多 样、功 能 特 异 的 AHLs 结构15-16。以 C4-AHL 为例,3 种结构分别为 C4-HSL(C4-N-butyryl-L-homoserine lactone)、3-oxo-C4-HSL(OC4-N-(3-oxobutyryl)-L-homoserine lac-tone)和 3-OH-C4-HSL(HC4-N-(3-hydroxybutyr-yl)-L-homoserine lactone)(图 1)。图 1 AHLs 分子结构及 C4-AHL 的种类Fig.1 Molecular structure of AHLs and types of C4-AHL1.2 外源 AHLs 分子在氮转化中的作用在氮转化过程中,不同结构的 AHLs 对功能菌的刺激存在差异。C6-HSL、C8-HSL 在厌氧氨氧化系统中常被检测到,其与 NH+4-N 的去除效率相关17;C4-HSL 主要与 NO-2-N 积累率和氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacteria,AOB)活 性 相关18-19;3-oxo-C8-HSL 促进了三磷酸腺苷(ATP)的合成20。此外,添加 C6-HSL、3-oxo-C6-HSL、C10-HSL 和 3-oxo-C12-HSL 等外源信号分子可加速生物膜形成,提高微生物丰度进而增强反应装置对NH+4-N 的去除4,21。除促进氨氧化提高脱氮效率外,向装置中添加外源信号分子 3-oxo-C12-HSL 和3-oxo-C14-HSL 可促进反硝化菌对有限碳源的充分利用,提高脱氮效果21。然而,并不是所有外源信号分子都会强化任意微生物进而提高脱氮效率。Cheng 等21研究表明,外源信号分子 C6-HSL 抑制了假单胞菌的反硝化过程。在多种信号物质共存条件下,外源信号分子是否有促进/抑制作用与其比例有关。李玖龄22研究发现,当 3-oxo-C14-HSL/C14-HSL1 时,厌氧氨氧化作用受到抑制,在厌氧条件下 3-oxo-C14-HSL 的积累水平越高,厌氧氨氧化作用受到的抑制作用越强;而当3-oxo-C14-HSL/C14-HSL1 时,厌氧氨氧化作用可顺利进行。1.3 链长对外源 AHLs 分子功能的影响AHLs 的链长是影响 AHLs 调节微生物除氮性能的一个关键因素。不同链长的 AHLs 表现出明显的差异:长链 AHLs(1214 个碳原子)具有更强的疏水性、耐水解性和生物质黏附性,对于受基因调控的反硝化还原酶的活性也有显著影响23,从而对生物膜脱氮表现出更强的时效性;相反,随着AHLs 信号分子侧链长度的减少,氨氮的去除效果增加24,其中,具有 10 个碳原子的中链 AHLs 具有相对较差的耐水解性,但显示出更快的细菌黏附促进作用25。此外,在 AHLs 链长相同的情况下,侧链不同位置上的取代基不同,使得生物膜系统最终脱氮效果产生差异。当投加不含 位取代基的AHLs 分子(C6-HSL、C8-HSL、C10-HSL)时,随着 N-基侧链长度的增加,微生物从悬浮状态向附着状态的转化增强;当 AHLs 的 位取代基是羰基(3-oxo-C6-HSL、3-oxo-C8-HSL、3-oxo-C10-HSL)时,反应器内微污泥的黏附生长能力随 N-基团侧链长度的减少而增强。因此,与具有相同侧链长度但以羰基作为取代基的 AHLs 相比,位取代基的AHLs 对氨降解的促进作用更大24。2 外源性AHLs 强化微生物脱氮的机制2.1 AHLs 对生物膜系统及胞外聚合物分泌的影响基于 AHLs 的 QS 在生物膜系统中具有加速启动、提高微生物丰度等多种作用(图 2)。生物膜形成和微生物附着在生物载体上需要多个步骤,包括浮游细胞的初始附着、微生物繁殖、胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)产生、生物膜成熟和微生物脱离等26-27。初始黏附细菌产生的信号分子水平较低,基于 AHLs 的 QS 系统传输较弱,有效传输距离受限,外部表现为反应器启771第 1 期衣隆强,等:基于外源酰基高丝氨酸内酯的群体感应强化生物膜脱氮性能研究进展动时间较长28。AHLs 可显著加速生物增强反应器的启动过程并增加生物量29。Wang 等30使用超声波时域反射剂(ultrasonic time-domain reflectome-try,UTDR)作为原位和非侵入性检测技术对AHLs 调节的废水生物膜附着进行量化,发现反应系统的可逆黏附时间显著缩短,生物膜厚度随初始AHLs 浓度的增加而显著增加,C4-HSL、C6-HSL、C10-HSL 等化学信号物质浓度与生物膜的活性呈显著正相关。一方面,细菌可能将类似于黏附力一类的表面反应传递给其他细胞,导致大量细胞获得紧急黏附特性,促进牢固黏附31-32;另一方面,细菌群落间存在交叉交流,即不同菌种产生的 AHLs可能在异质生物膜中的革兰氏阴性菌间共享33。这些由 AHLs 分子传递引起的共定植、共聚集和通信等合作行为有利于细菌的初始黏附34。图 2 基于 AHLs 的群体感应在生物膜系统中的作用过程Fig.2Action diagram of quorum sensing(QS)in biofilm system based on AHLs微生物细胞产生的 EPS 作为生物膜形成的重要成分,由多种有机物组成,包括多糖、蛋白质、核酸、脂质和腐植酸35。其中,多糖是生物膜或颗粒污泥中的骨架,也是形成嵌入微生物细胞的框架结构;蛋白质可以改变细胞的表面电荷和疏水性,并提高细胞的黏附能力。添加 AHLs 会导致EPS 中的多糖和蛋白质显著增加,如在较低 C/N(C/N=4)和溶解氧(0.8 mg/L)条件下,AHLs可显著提高 EPS 含量,从而增强细菌黏附性36。AHLs 介导的 QS 还可以利用 C10-HSL、C12-HSL和 C6-HSL 增强自养硝化菌间的种间通信,调节需氧颗粒中的紧密结合型 EPS37。对其作用机制研究发现,QS 是通过调节细胞内 ATP 的合成,进而影响微生物细胞的合成及 EPS 的分泌38-39。Zhang等20研究表明,在利用外源 AHLs 调节 EPS 分泌过程中,当 ATP 被破坏时,即使加入 AHLs,EPS含量也不会增加。此外,研究还发现,AHLs 主要调节丙氨酸(Ala)、缬氨酸(Val)和谷氨酰胺(Gln)的合成,并选择性地调节天冬氨酸(Asp)和亮氨酸(Leu),从而影响细胞外蛋白40。因此,外源 AHLs 主要通过调节硝化菌和反硝化菌氨基酸的合成来提高 EPS 含量,并促进生物膜的形成,从而提高脱氮效率18。2.2 AHLs 对脱氮功能菌群丰度变化的影响生物膜性能通常随微生