《Polysaccharides》：Exploring the Influence of Quorum Quenching (QQ) on EPS Production and Biofilm Dynamics Across Different Polymeric Membranes
Noman Sohail,
Ramona Riedel,
J?rg B?llmann,
Muhammad Saqib Nawaz and
Marion Martienssen
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为应对膜生物反应器（MBR）中生物污染（biofouling）的挑战，研究人员通过封装Rubellimicrobium mesophilum，探究了群体淬灭（QQ）对聚四氟乙烯（PTFE）、聚砜（PS）和聚偏氟乙烯（PVDF）膜生物污染的控制效果。研究发现QQ可显著降低生物膜厚度、减少胞外聚合物（EPS）产量，并将PVDF膜的运行周期延长287.5%，为MBR的长期稳定运行提供了绿色、高效的生物控制策略。
随着全球水资源日益紧张，废水回用成为缓解用水需求的重要途径。在众多废水处理技术中，膜生物反应器（Membrane Bioreactor, MBR）因其高效、紧凑的特点备受青睐。然而，MBR在实际应用中长期面临一个棘手难题——膜污染，尤其是由微生物及其分泌物引发的生物污染（biofouling）。这一过程始于微生物在膜表面的附着和聚集，它们会分泌一种粘稠的基质——胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS），主要由蛋白质、多糖等构成。EPS不仅为微生物提供保护和营养，还像“胶水”一样促进生物膜的形成和稳定。一旦生物膜在膜表面形成并增厚，就会堵塞膜孔，导致跨膜压（Transmembrane Pressure, TMP）迅速升高，产水通量下降，从而需要频繁的化学清洗甚至更换膜组件，这极大地增加了运行成本和维护难度，制约了MBR技术的广泛应用。
为了从根源上控制生物污染，科学家们将目光投向了细菌的“社交行为”——群体感应（Quorum Sensing, QS）。细菌通过分泌和感知一种称为自诱导物（如酰基高丝氨酸内酯，AHLs）的信号分子来进行细胞间的通讯。当细菌密度达到一定阈值，这些信号分子会触发一系列基因表达，协调诸如生物膜形成、毒力因子分泌等群体行为。那么，能否干扰这种“细菌对话”来阻止它们“拉帮结派”形成生物膜呢？群体淬灭（Quorum Quenching, QQ）策略应运而生。一些特殊的QQ细菌能够产生降解AHLs的酶，从而中断QS信号通路，理论上可以抑制EPS的分泌和生物膜的聚集。然而，QQ细菌在复杂的MBR污泥混合液中容易“水土不服”，被土著微生物竞争淘汰。因此，如何让QQ细菌稳定、持久地发挥作用，并系统评估其对不同材质膜的抗污染效果，是推动该技术走向实际应用的关键科学问题。
发表在《Polysaccharides》上的这项研究，首次探究了将Rubellimicrobium mesophilum封装在聚乙烯醇-海藻酸钠（PVA-SA）凝胶珠中，应用于MBR系统，并系统比较了其对聚四氟乙烯（PTFE）、聚砜（PS）平板膜以及聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维膜的生物污染控制效果。研究旨在揭示QQ对生物膜结构、组成（特别是EPS）的动态影响，以及其抗污染效果的膜材料依赖性，为开发高效、可持续的MBR生物污染控制技术提供新见解。
为开展研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：研究构建了三个平行运行的MBR（工作体积4 L），分别作为对照组（无珠/空珠）、低剂量QQ组（2 g L-1QQ细菌）和高剂量QQ组（5 g L<1> QQ细菌），以处理来自当地市政污水处理厂的实际废水。通过将纯菌株Rubellimicrobium mesophilum包埋于PVA-SA凝胶珠中进行固定化，以实现QQ细菌的长期、稳定投加。利用荧光显微镜结合活/死菌染色（SYTO 9/PI），对浸没在反应器中的PTFE和PS平板膜进行三维成像，定量监测生物膜厚度随时间的动态变化。同时，通过测量跨膜压（TMP）的升高来评估PVDF中空纤维膜的污染发展。此外，研究还采用化学提取结合分光光度法（Lowry法测蛋白质，苯酚-硫酸法测多糖），定期分析了膜表面和混合液（污泥）中EPS的蛋白质和多糖含量，以量化QQ对EPS产生的抑制效果。
3.1. 显微镜下平板膜生物膜厚度分析
3.1.1. QQ对PTFE膜的影响
通过荧光显微镜监测发现，在对照组（MBR-1）中，PTFE膜上的生物膜随运行时间持续增厚，第12周时达到25.2 μm。而在投加了QQ细菌的MBR-2和MBR-3中，生物膜生长受到明显抑制。特别是高剂量QQ的MBR-3，生物膜厚度在第12周时稳定在9 μm，相比对照组降低了约45%。这表明QQ干预有效延缓了PTFE膜上的生物膜积累，且效果具有剂量依赖性，更高浓度的QQ细菌能更有效地抑制生物膜形成。
3.1.2. QQ对PS膜的影响
PS膜上的生物膜积累比PTFE膜更为显著，对照组在第12周时厚度达到59.4 μm。QQ处理同样表现出显著的抑制效果。MBR-2和MBR-3在第12周时的生物膜厚度分别为34.2 μm和25.2 μm，相比对照组分别降低了约38.2%和55.8%。统计检验（p值<0.05）证实了这种降低的显著性。结果说明QQ对PS膜同样有效，且PS膜由于其表面性质可能更易发生初始附着，但QQ能有效干预其后续的成熟过程。
3.1.3. QQ细菌对TMP的影响
跨膜压（TMP）变化直接反映了膜污染的发展速度。对照组（无任何处理）的PVDF膜在12天后即达到污染阈值（TMP=4.8 psi）。投加空珠（仅物理冲刷作用）使运行时间延长至17.4天。而投加QQ细菌后，效果显著：低剂量QQ（MBR-2）将运行时间延长至30天（改善150.4%），高剂量QQ（MBR-3）更是将运行时间大幅延长至46.5天（改善287.5%）。这强有力地证明，QQ通过干扰群体感应（QS）抑制生物膜，能有效延缓TMP上升，显著延长膜过滤周期，其效果远超单纯的物理冲刷作用。
3.2. 膜表面和混合液中EPS的分布
胞外聚合物（EPS）是生物膜的关键基质成分。研究发现，QQ处理显著降低了膜表面和混合液中的EPS（蛋白质和多糖）含量。在PTFE膜上，高剂量QQ（MBR-3）使蛋白质总量最高减少了约57%；在PS膜上，减少效果更为惊人，蛋白质总量最高减少了约78%。在混合液中，QQ也使蛋白质浓度降低了约55%。多糖的减少趋势类似，在PTFE和PS膜上，MBR-3分别实现了高达97.8%和69.7%的减少。这些数据表明，QQ通过降解AHL信号分子，从根本上抑制了微生物分泌EPS的能力，从而削弱了生物膜的“骨架”和粘附力。
3.3. 去除效率
一个重要的发现是，尽管QQ显著抑制了生物膜和EPS，但并未影响MBR系统核心的污染物去除性能。所有反应器（对照组、低剂量和高剂量QQ组）对化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、总有机碳（TOC）和氨氮（NH3）的平均去除效率均保持稳定且较高水平（例如氨氮去除率~89.7%）。这说明QQ策略特异性地靶向了细菌的QS通讯通路，而没有干扰污泥微生物群落的基本代谢功能和污水处理效能，保证了出水水质的稳定。
4. 结论
本研究系统地证实了将Rubellimicrobium mesophilum封装于PVA-SA凝胶珠中作为一种有效的QQ策略，能够显著控制MBR中的生物污染。其核心结论和重要意义在于：首先，QQ能显著减少不同聚合物膜（PTFE、PS）上的生物膜厚度和EPS（特别是蛋白质和多糖）产量，且对表面性质更易附着的PS膜效果更为显著。其次，QQ表现出明确的剂量依赖性效应，更高浓度的QQ细菌带来了更强的抗污染效果。第三，QQ能大幅延缓PVDF膜的TMP上升，将运行周期延长近3.9倍，这意味着可减少膜清洗频率、延长膜寿命，从而降低运行成本和环境影响。最后，也是至关重要的一点，QQ在实现优异抗污染效果的同时，并未损害MBR对有机污染物和氨氮的高效去除能力，确保了处理工艺的主体功能不受影响。
这项研究不仅首次揭示了Rubellimicrobium mesophilum在MBR生物污染控制中的应用潜力，还通过对比不同膜材料，深化了对QQ作用机制与膜表面性质相互关系的理解。它表明，基于QQ的生物控制策略是一种高效、精准且环境友好的方法，为开发下一代可持续、低能耗的MBR废水处理与回用技术提供了坚实的实验依据和新的解决思路。未来，优化QQ菌剂投加策略、探索其与不同膜材料的协同作用，以及进行更长周期的中试研究，将是推动该技术走向工程化应用的关键方向。
