细菌群体感应在好氧颗粒污泥中的研究现状

2018年8月mitJournalofGreenScienceandTechnology第16期细菌群体感应在好氧颗粒污泥中的研究现状宋志伟，邱杰，张晴，徐雪冬(黑龙江科技大学环境与化工学院，黑龙江哈尔滨150022)摘要：指出了好氧颗粒污泥具有生物致密、沉降性能良好、抗冲击负荷能力强、能同步脱氮除磷等优点，在污水处理领域显出广阔的应用前景。概述了群体感应现象及其在好氧污泥颗粒化过程中的研究现状，阐述了信号分子在好氧颗粒污泥中提高好氧颗粒污泥的稳定性及加速好氧污泥的颗粒化进程的作用，总结了第二信使可以通过改变细胞运动方式，生物群落结构以及促进EPS的产生，从而促进好氧颗粒污泥的粒化进程，提高稳定性和去除效果。并对好氧颗粒污泥群体感应研究进行了展望。关键词：群体感应；信号分子；好氧颗粒污泥；胞外聚合物中图分类号：X172文献标识码：A1引言1引言好氧颗粒污泥作为微生物集聚体，是用于净化污废水的一种污泥颗粒，呈球状或椭球状。与传统絮状活性污泥相比，具有沉降性能好，去除效率高的优点，具有广阔的应用前景[1~5]。但好氧颗粒污泥稳定性较差，运行中易出现解体现象，存在一定的工艺难操控性[6]，这成为制约好氧颗粒污泥技术推广和应用的瓶颈，亟待解决。好氧颗粒污泥的形成过程是一个包含物理、化学和生物作用的复杂过程，目前基于工艺条件等外在因素的调控、单一影响因素的实验研究等，都未能很好地阐释其稳定机制。从分子生物学角度，影响好氧颗粒污泥稳定性的最根本因素就是其微生物群落性能，而这一性能的表达源于微生物自身的生理行为及信息交流，微生物可利用信号分子进行信息交流，协调其群体行为，以抵抗外界环境变化。随着分子生物学在颗粒物中的兴起，群体感应逐渐被证明广泛存在于颗粒污泥中并起着重要作用。2群体感应及信号分子2群体感应及信号分子微生物群体感应（quorumsensing,QS)是微生物的一种群体行为，又称自诱导。微生物能感知到周围微生物密度的变化，当这种浓度变化达到一定的阈值时，微生物会启动一系列基因表达来调节自身的行为[7]。微生物通过分泌或释放一种称为自诱导物（Autoinduc-erS,AI)的可扩散信号分子[7]来传递信息，进行交流。这种可扩散信号分子在低浓度的情况下不能被感知，也就不能诱导相关基因的表达，只有当信号分子浓度达到一定的阈值时，信号分子才与转录激活蛋白相互作用，从而启动与菌群密度或细胞密度相关的基因表达[8]，表现为抗生素合成[1°]、Ti质粒的连接和转移[11]、保外酶收稿日期=2018-06-15基金项目：国家自然科学基金项目（编号：51678222);黑龙江科技大学大学生科研立项（编号：YJS2018022)作者简介:宋志伟（1968—），女，教授，博士，研究方向为污水生物处理技术。通讯作者:邱杰（1994一），男，硕士研究生，研究方向为水污染控制及资源化利用方向。文章编号：1674-9944(2018)16-0008-04与表达毒素因子[12]，固氮基因的调控、胞外多糖合成，细菌群落迁移和群集，生物发光以及生物膜形成等[13〜17]，从而实现单个微生物无法执行的生理功能和调节机制。如图1所示，在费氏弧菌(Vibriofischeri)细胞内存在银光素梅基因（luxCDABE)和调节基因（luxR和luxI)，luxR和luxl分别为编码调节基因和编码信号分子，当细胞浓度达到一定的阈值时，luxR和luxl相结合，形成一个复合物，启动荧光基因靶基因的表达，表现为发出肉眼可见的荧光[18]。图1细菌群体感应（QS)示意(以G-细茼V.fischeri的LuxI/LuxR为例）3好氧颗粒污泥中的群体感应3好氧颗粒污泥中的群体感应以往对好氧颗粒污泥的研究中较多关注其环境条件及污泥理化性质的改变对颗粒化过程胞外聚合物、表面电荷、疏水性及微生物群落的影响。众多研究表明群体感应对于好氧颗粒污泥存在积极的影响，研究主要体现在证明好氧颗粒污泥存在群体感应现象，群体感应现象在促进好氧颗粒污泥粒化过程中的作用及机制，外界环境条件对于好氧颗粒污泥群体感应的影响。3.1群体感应在好氧颗粒污泥中的证实研究3.1群体感应在好氧颗粒污泥中的证实研究研究表明，群体感应信号分子广泛存在于好氧颗粒污泥中并对好氧颗粒污泥的形成和稳定起着一定的作8宋志伟，等：细菌群体感应在好氧颗粒污泥中的研究现状环境与安全用。齐枝花等[19]使用培养显色法和萃取显色法均在絮状污泥、生物膜以及生物流化床中的好氧颗粒污泥中检测到AHLs信号分子，证明了群体感应普遍存在于给水和污废水生物处理工艺的菌群中。与絮状活性污泥相比，颗粒能诱导更多的大肠杆菌细胞附着生长，从而使细胞具有更强的粘附性从而从而形成生物膜形式[2°]。使用薄层层系法在好氧颗粒污泥上清液中检测到碳链长度小于10的N—acy