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)

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

微生物群体感应(quorum sensing, 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(Autoinducers，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[10]、Ti质粒的连接和转移[11]、保外酶与表达毒素因子[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(Vibrio fischeri)细胞内存在银光素梅基因( luxCDABE)和调节基因( luxR和 luxI)，luxR和 luxI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 luxI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

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

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[20]。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-L-homoserine lactones，主要为3-oxo-C6和3-oxo-C10。使用乙酸乙酯从好氧颗粒污泥上清液提取的有机物能够促进大肠杆菌的生长，并且提高其在玻璃表明的粘附性。颗粒污泥中存在群体感应信号分子的到证实，并且这种信号分子有利于生物膜的形成。

3.2 好氧颗粒污泥中群体感应的作用

群体感应信号分子AHLs可以促进生物膜在颗粒污泥中的形成与生长，并能提高颗粒化的速度[21]。在对群体感应对好氧颗粒污泥粒化作用的研究中发现，当好氧颗粒污泥成熟之后，群体感应信号分子的浓度明显高于培养的初期和中期，较大、较成熟的好氧颗粒污泥比粒径较的颗粒污泥群体感应更明显，因此认为群体感应信号分子有利于颗粒污泥的粒化[22]。由此可见，群体感应信号分子在颗粒粒化过程中存在重要的影响。总的来说，群体感应对于粒化过程的影响主要有为以下几个方面[23,24]：群体感应活动可以促进微生物表面物质(主要是活性剂以及保外多聚物)的合成，同时可以加快ATP结合盒的合成，更多的帮助luxI穿过细胞壁，形成更多的胞外聚合物，从而起到稳定颗粒污泥结构和增强其完整性的作用。群体感应信号分子会随着颗粒污泥的成熟而增加，微生物细胞生物膜的生长速度可以达到培养初期的10倍以上，在培养后期，对颗粒污泥成熟起着十分重要的作用。由于细胞之间存在静电排斥，在颗粒污泥成熟后期，诱导悬浮细菌的粘附生长和团聚过程中，群体感应的表达以及信号分子十分关键，有利于加速颗粒污泥形成和维持稳定的团聚结构，从而提高颗粒污泥的性能。如果在好氧颗粒污泥培养的初期，适量的投加群体感应信号分子可以加速其粒化过程，缩短培养周期。

3.3 第二信使与颗粒化

作为较小分子量或者离子的第二信使对于促进好氧颗粒污泥粒化具有积极的作用。细胞内常见的第二信使包括磷酸酯(PA)、环二腺苷酸(c-di-AMP)、环二鸟苷酸(c-di-GMP)、1,2-二酰甘油、1,4,5-三磷酸肌醇等。第二信使能够激活并联系统中酶的活性以及非酶蛋白的活性，在细胞信号转导中具有重要作用。研究表明，c-di-GMP在调控好氧颗粒污泥中细菌的运动性、胞外多糖的产生和控制生物膜的形成中起着重要作用。铜绿假单胞菌中的fim X基因具有降解c-di-GMP的功能，并且c-di-GMP含量与细胞颤搐运行的强弱呈负相关，当c-di-GMP含量升高时，细胞的颤搐运行开始减少，说明c-di-GMP可以调控细胞的颤搐运动[25,26]。Ca2+和Mn2+的投加能够导致c-di-GMP含量的变化，从而影响颗粒污泥中EPS和群落结构的变化，Ca2+的投加能够促进Sphingomonas sp.、Paracoccus sp.、Sinorhizobiumamericanum strain和Flavobacterium sp. 等功能性菌群的生长，从而改变颗粒污泥菌群结构，而这些功能菌群的生长过程中能产生大量的c-di-GMP。Mn2+投加环境下的颗粒污泥c-di-GMP含量降低，从而降低了EPS含量，导致颗粒结构松散，容易解体[27～29]。在好氧颗粒污泥对苯酚的去除实验表明，c-di-GMP能促进好氧颗粒污泥中EPS的产生，从而形成生物膜，苯酚在好氧颗粒污泥中呈梯度吸附，因此提高了对苯酚的去除效果[30,31]。

3.4 培养条件对群体感应的影响

除了探讨好氧颗粒污泥中群体感应信号分子对于好氧颗粒污泥的形成和稳定所起到的作用以外，好氧颗粒污泥培养条件的变化与群体感应之间关系的研究已有报道。不同培养条件下形成的颗粒污泥具有不同的性能，群体感应现象也有所区别，进水基质对于群体感应影响显著。陈国科等[32]对于碳氮负荷对好氧颗粒污泥群体感应的影响进行了探讨。不同进水有机负荷下，好氧颗粒污泥群体感应信号分子具有不同的强度。当AI-2分子信号较强时，微生物之间交流活跃，群体感应作用明显，反应器运行稳定且去除效果较好。并且泥相中的AI-2的浓度明显高于水相中，最大相差可达到1552倍。因此颗粒污泥内部的信号分子对于好氧颗粒污泥的影响更为直接。

4 好氧颗粒污泥群体感应研究存在的问题

好氧颗粒污泥中群体感应的研究较少，主要还停留在AHLs信号分子的研究上，并且大多使用的是传统生物显色法研究好氧颗粒污泥中是否存在种内信号分子AHLs，对于好氧颗粒污泥群体感应机制的研究以及对于种间和种内种间信号分子的研究鲜有报道。好氧颗粒污泥作为一种泥水混合物，体系属于非均相，可分为泥相和水相，Ding等[33]在对厌氧颗粒污泥群体感应研究中，将厌氧颗粒污泥分为了混合相、泥相、水相以及水洗相，分别研究了各项中信号分子的种类及浓度。关于好氧颗粒污泥和絮状活性污泥中信号分子的研究也存在差异，主要集中对水相的研究上，即主要检测上清液中信号分子的种类和浓度。但是Xiong等[34]研究了好氧颗粒污泥水相和泥相中信号分子的浓度，结果表明使用超声预处理后泥相中信号分子浓度显著高于水相。由此可见，关于好氧颗粒污泥信号分子的种类和分布情况尚不明确，明确信号分子在好氧颗粒污泥中的分布规律是研究其群体感应的前提。

5 展望

好氧颗粒污泥作为一种污水生物处理技术，前景广阔，将好氧颗粒污泥快速的推广到市场，必须解决其运行稳定性差的问题，因此这也将成为一个长期的研究热点。本文总结了群体感应信号分子在好氧颗粒污泥中的研究现状。群体感应信号分子不仅广泛存在于好氧颗粒污泥中，并且能够通过改变细胞运动方式、促进EPS的产生以及增强细胞粘附性等加速好氧颗粒污泥的粒化过程并维持其稳定性。目前已知的好氧颗粒污泥群体感应信号分子种类较少，并且分布状况以及作用机制尚不明确。从分子生物学角度，深入研究好氧颗粒污泥群体感应机制对于好氧颗粒污泥实际应用具有重要的理论和现实意义。