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种内与种间群体感应淬灭细菌联用对膜生物污堵的防控效果研究认领

作者：

郑雪漫

学位授予单位：

深圳大学

摘要：

膜生物反应器(membrane bioreactor,MBR)具有占地面积小、出水水质高、易操作等突出优点,近年来发展迅猛,已经成为备受关注的废水处理工艺。但膜污堵的瓶颈问题制约了MBR技术的进一步发展。膜污堵是由于微生物在膜材料表面附着、聚集并形成生物膜(biofilm),而生物膜的形成受到细菌群体感应(quorum sensing,QS)机制的调控。QS是细菌通过细胞与细胞之间的分子通讯调控细菌群体行为(如生物膜的形成、生物发光、毒力因子的表达等)的现象。不同细菌产生不同类型的信号分子进行通讯,革兰氏阴性菌主要的信号分子为N-酰基高丝氨酸内酯(N-acyl homoserine lactones,AHLs)、革兰氏阳性菌为自诱导信号肽(autoinducing peptide,AIPs)、而革兰氏阳性和阴性菌间共享的信号分子为自诱导物-2(autoinducer-2,AI-2)。群体感应淬灭(quorum quenching,QQ)策略能通过干扰、破坏、灭活群体感应信号分子等方式干扰或抑制菌间通讯。近年来,QQ策略被证明能够有效抑制MBR中的QS(QQ-MBR),延缓MBR膜污堵的形成,有望从根本上解决膜污堵的问题,已经成为该领域的研究热点。前期QQ-MBR相关的研究较多关注单一类型信号分子的淬灭,但活性污泥中菌群构成复杂,信号分子类型多样,种内、种间QS并存。同时淬灭种内交流及种间交流信号分子是否能更有效的延缓膜污堵的形成有待研究。红球菌Rhodococcus sp.BH4(BH4)和不动杆菌Acinetobacter sp.DKY-1(DKY-1)分别是当前QQ-MBR领域研究最为透彻的淬灭种内交流AHLs和种间交流AI-2的QQ菌。因此,本研究选取BH4和DKY-1为对象,探究了种内与种间群体感应淬灭细菌联用的MBR膜防污堵的效果,同时与单独QQ菌的膜防污效果进行了对比。为此,本研究探究了QQ菌组合条件及优化、QQ菌联用对典型QS细菌生物膜形成的抑制作用、固定化保护后的QQ菌组合对实验室规模MBR膜防污堵的效果、以及对活性污泥微生物群落结构的影响,旨在全面分析同时阻断种内与种间交流时,QQMBR的有效性。主要研究结果如下: BH4与DKY-1共存时没有明显的相互抑制或拮抗作用,能有效共存。BH4和DKY-1组合对典型QS细菌铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa PAO1(AHL型)和金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus(AI-2)型的混合生物膜的抑制率高达85.67%,显著强于单一QQ菌。两株菌固定化保护后仍保持高信号分子降解活性,BH4微球与DKY-1微球最佳组合比为5:5。组合QQ微球较单一QQ微球具有更强的膜防污堵能力。单一BH4微球、AI-2微球及组合BH4和AI-2微球分别将MBR膜污堵的形成时间延长了1.45倍、1.68倍和1.98倍。组合QQ-MBR中与生物污堵及生物膜形成有关的核心组分胞外聚合物(Extracellular polysaccharide,EPS)含量也显著低于单一QQ微球组。其中EPS中的蛋白质含量分别较单一BH4组、单一DKY-1组、空微球组及不含QQ微球的对照组中降低了15.52%、8.26%、33.84%及34.31%,多糖含量分别降低了26.01%、15.85%、42.48%及46.17%。此外,组合QQ-MBR活性污泥中的QS信号分子AHL也显著低于其它对照组,而污水处理的出水水质保持稳定,不受QQ微球的影响。 16S rRNA基因扩增子分析表明五组MBR之间菌群丰度及分布差异不显著(P>0.05)。五组MBR中得到有效注释的OTUs(operational taxonomic units)平均数量为1658个。组合QQ组中种内多样性分析(α多样性)指数Chao,Ace及Simpson指数均略高于其它对照组,而Shannon指数略低于其它对照组。表明组合QQ组中菌群均一度低于其它对照组。五组MBR之间具有共同的核心菌群,平均丰度最高的菌门,依次为变形菌门(Proteobacteria)(44.69%)、拟杆菌门(Bacteroidetes)(17.69%)、浮霉菌门(Planctomycetes)(11.04%)、酸杆菌门(Acidobacteria)(0.36%)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)(2.52%)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)(1.88%)、拟杆菌门(Firmicutes)(1.28%)以及疣微杆菌门(Verrucomicrobia)(1.41%)组间多样性分析(β多样性)分析结果表明30天及75天时菌群组成具有显著差异(P<0.05),但五组MBR之间的差异性不显著,表明QQ菌联用总体菌群组成及分布不构成显著影响。总之,本研究证明了种内与种间QQ菌联用比单一QQ菌膜生物污堵防控效果更佳,研究成果进一步拓宽了QQ-MBR技术,并为产业化应用奠定理论基础。

摘要译文

关键词：

膜生物反应器; 膜防污堵; 群体感应淬灭; 信号分子; 微生物群落

学位年度：

2022

学位类型：

硕士

学科专业：

生态学

导师：

徐芳芳

中图分类号：

X703[废水、废液的处理与利用]

学科分类号：

080605[冶金环境工程];083002[环境工程]

D O I：

10.27321/d.cnki.gszdu.2022.002759