生物污染主要是吸附在膜表面的胞外聚合物（EPS）和可溶性微生物产物（SMP）、在膜表面定殖的细菌及其分泌的EPS和SMP等膜污染物质引起的〔4〕。目前的研究通过优化膜材料、改善污泥混合液性质（投加生物填料、吸附剂和絮凝剂）及调整运行条件等方法来抑制生物污染，取得一定效果，但未从根本上解决膜污染问题。
近年来有研究发现，微生物的群体感应（QS）系统能够影响特定基因的表达，调控微生物群体的生理特征（如生物膜的形成与EPS分泌），并与MBR的生物污染密切相关。因此，基于微生物群体感应的群体猝灭（QQ）技术被认为能从源头上抑制生物膜的形成，并逐渐用于MBR的膜污染控制。Scopus检索显示，2015年以前，全球范围内每年以群体感应猝灭技术控制MBR膜污染为研究主题的论文数量少于5篇，2018年至今论文数量增至每年20篇以上，相关综述文章也陆续发表〔5-6〕。但目前的综述文章主要集中在微生物QS的基础理论和传统QQ技术上，信号分子的种类和作用机制尚待更新，对应用QQ技术特别是新型QQ技术减缓MBR生物污染的综述比较缺乏〔7〕。笔者综述了基于QS系统的QQ技术控制MBR膜生物污染的作用机制，总结了当前新兴的QQ技术，并对未来利用该技术控制膜污染的发展方向进行展望。
1 微生物群体感应
微生物的群体感应是指细菌之间能够自发产生、释放特定的信号分子，感知其浓度变化，进而调节微生物群体行为。当种群密度达到阈值时，信号分子的浓度也达到一定水平，可激活特定靶基因的表达，调控包括生物发光、抗生素合成、生物膜形成〔8〕等微生物群体的生理行为。了解微生物QS在生物膜形成中所起作用和群体感应中的信号分子，对于利用群体感应猝灭技术控制MBR生物污染有重要意义。
1.1 群体感应对生物膜形成的作用
微生物形成的生物膜是导致MBR生物污染的主要原因，而微生物群体感应系统对生物膜形成的各个阶段都会产生影响：（1）细菌感知外界环境变化时，细胞中相关基因的转录表达被启动，单个微生物细胞在膜表面附着；（2）当黏附的细菌超过一定数量时产生信号分子，信号分子数量达到阈值时可被细胞膜上的感应系统识别，进而促进胞外蛋白质及多糖的分泌；（3）QS使微生物细胞在特定区域增殖聚集并形成生物膜；（4）微生物细胞从生物膜中心缓慢分散，造成生物膜解体〔9〕。1998年，D. G. Davies等〔8〕首次报道QS与生物膜的相关性，表明铜绿假单胞菌PAO1缺乏LuxI合成酶时会抑制生物膜形成。之后，液化沙雷氏菌、嗜水气单胞菌和变形链球菌等其他细菌中QS对生物膜形成的影响也相继被报道。
1.2 群体感应中的信号分子
群体感应中，细菌产生及释放的信号分子被称为自身诱导物质（AI），根据作用对象和分子组成的不同，可分为酰基高丝氨酸内酯（AHLs）、自诱导分子（AI-2）、寡肽类分子（AIP）和其他信号分子等。AHLs型和AIP型信号分子分别被革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌所利用，而AI-2作为一种种间信号分子，可同时被革兰氏阴性和阳性细菌利用。
1.2.1 AHLs型信号分子
图1
1.2.2 AI-2型信号分子
1.2.3 AIP型信号分子
1.2.4 其他信号分子
在革兰氏阴性菌中还存在另外4种QS信号分子，包括假单胞菌喹诺酮信号（PQS）、自动诱导剂（AI-3）、扩散信号因子（DSF）和羟基棕榈酸甲基酯（PAME）信号分子。PQS调节蛋白酶基因LasB和铜绿假单胞菌中LAS、RHL的基因表达，AI-3参与调节大肠杆菌的毒力因子表达，DSF和PAME信号分子具有挥发性，其中DSF被发现与野油菜黄单胞菌的多种基因表达有关（包括生物膜扩散和一些胞外酶的产生）〔13〕。
2 微生物群体猝灭技术在MBR膜污染控制中的应用
在实际污水处理中，QS对生物膜的形成有重要影响。特别是在大量微生物存在的MBR中，生物污染被认为是影响MBR广泛应用和经济可行性的关键问题。抑制微生物QS是一种有效控制膜污染的方式。干扰微生物细胞间通讯的QQ策略主要有3种实现形式〔5〕：（1）抑制信号分子合成。例如AHLs型信号分子的合成蛋白LuxI以SAM和acyl-ACP为前体物合成AHLs信号分子，通过破坏前体物可抑制信号分子合成。（2）灭活或酶促降解信号分子，这是目前破坏微生物QS的主要方式。（3）干扰信号分子与受体蛋白的结合。一些与信号分子化学结构相似的化合物（如呋喃酮、香草醛等）可与信号分子的受体蛋白竞争性结合，干扰目的基因的转录与表达。
2.1 群体猝灭酶及其固定化技术
群体猝灭酶可以降解或失活QS信号分子，目前群体猝灭酶的研究仅针对AHLs型信号分子。根据QQ酶催化降解AHLs机制的不同，可将其分为3类：AHLs内酯酶、AHLs酰基转移酶和AHLs氧化还原酶〔6〕，如图 2所示。内酯酶能够打开AHLs的内酯环，产生N-酰基高丝氨酸；酰基转移酶通过水解酰基链和内酯环之间的胺键，产生高丝氨酸内酯和脂肪酸来降解AHLs；氧化还原酶可以催化AHLs的酰基侧链还原（O→OH），这种结构变化可影响AHLs的特异性和识别，从而通过修饰后的AHLs干扰微生物QS。其中以AHLs酰基转移酶的效果最为明显，因此研究最为广泛。Yihu Dong等〔18〕将猪肾酰基转移酶与信号分子C6-HSL和3OC12-HSL进行反应，结果表明酰基转移酶能够灭活这两类信号分子。K. M. Yeon等〔19〕发现在MBR中投加猪肾酰基转移酶能够显著减缓膜污染。
图2
但在MBR的长期运行中，直接投加QQ酶存在易流失和酶活性下降的问题。因此，研究人员将QQ酶涂布固定在膜表面或包埋在各种载体上，增强其抑制QS系统和MBR膜污染的效果。J. H. Kim等〔20〕将酰基转移酶直接固定在膜表面，以减缓膜滤过程中的生物污染。结果证实具有QQ活性的酰基转移酶可减少污泥混合液中EPS的产生，从而减缓膜污染。K. M. Yeon等〔14〕将酰基转移酶固定在磁性颗粒上，制备出磁性酶载体（MEC），在MBR运行中有效降低了膜的生物污染。与直接投加游离酶相比，MEC的稳定性和生物污染控制效果都显著提高。Wei Jiang等〔15〕将酰基转移酶固定在海藻酸钠胶囊中，与4 d就完全失去活性的游离酶相比，固定化的酰基转移酶胶囊运行1周后仍能保持其初始活性的66%。
2.2 群体猝灭微生物及其固定化技术
2.2.1 群体猝灭微生物
为解决QQ酶成本高、稳定性差的问题〔7〕，陆续有研究采用能产生QQ酶的QQ细菌。其中，红球菌属BH4（Rhodococcus sp.）被广泛应用于MBR工艺中〔6〕。H. S. Oh等〔16〕使用QQ细菌替代QQ酶猝灭AHLs信号分子，将MBR系统中富集培养出的红球菌属BH4（Rhodococcus sp.）投放到MBR系统中，有效地控制了生物污染。此后不断有新的能够降解AHLs信号分子的QQ细菌被分离出来〔17〕。J. H. Kim等〔20〕在污水处理厂的活性污泥中分离出多达225种可以降解AHLs型信号分子的QQ细菌，其中包括不动杆菌属、链球菌属、假单胞菌属、微球菌属和葡萄球菌等。此外，研究证明某些QQ微生物可以对特定的AHLs（酰基长链和短链）进行降解。W. S. Cheong等〔21〕从MBR系统中分离出假单胞菌属1A1（Pseudomonas sp. 1A1），可有效降解酰基链较长的AHLs，从而抑制膜生物污染。S. Y. Ham等〔22〕从活性污泥中分离出肠球菌属HEMM-1，HEMM-1具有内酯酶活性，能够更有效地水解酰基链较短的AHLs。未来的研究可以结合使用多种QQ细菌降解不同种类的信号分子，为进一步抑制膜污染提出新途径。
目前大多数关于QQ-MBR的研究都集中在AHLs信号分子的降解，进而干扰革兰氏阴性细菌的QS〔6〕。最近，有研究对MBR进行基于抑制AI-2型QS的生物污染控制。K. Lee等〔23〕从MBR系统中分离出不动杆菌属DKY-1（Acinetobacter sp. DKY-1），发现DKY-1能够通过灭活AI-2信号分子DPD来猝灭微生物QS，而且，不动杆菌属DKY-1猝灭AI-2型信号分子时比传统QQ细菌猝灭AHLs型信号分子减缓膜污染的效率更高。K. Lee等〔17〕将白色念珠菌（C. albicans）包埋入聚合物微球，白色念珠菌分泌的法尼醇可以抑制AI-2型信号分子的产生，有效减缓MBR中的生物污染。
2.2.2 群体猝灭微生物固定化技术
QQ细菌在复杂的MBR体系中不仅要与其他微生物竞争，还要抵抗不利环境的影响。QQ细菌固定化技术具有提高微生物细胞浓度，使其保持较高的生物活性并可反复利用的优点。因此，QQ细菌固定化技术的开发研究受到广泛关注。H. S. Oh等〔16〕对MBR中的红球菌属BH4（Rhodococcus sp.）进行富集培养，并制作成QQ管束投入处理市政污水的MBR中，研究发现投加QQ管束能够明显减缓MBR膜污染，且QQ管束内微生物的QQ活性在MBR连续运行的80 d内都能维持稳定。但由于QQ管束需要被固定在MBR中的某个位置，限制了AHLs从混合液到导管内部的传递，微生物的QQ效应也被证明与QQ管束和膜组件间的距离相关〔24〕。与QQ管束不同，QQ微球能够随污泥混合液自由流动，从而更好地与膜表面的生物膜接触并有效捕捉生物膜上的信号分子。S. R. Kim等〔25〕将红球菌BH4包埋入由藻酸盐制备的具有微孔结构的微球内，制成QQ微球。投加QQ微球的MBR的跨膜压差（TMP）达到设定值（70 kPa）所用时间较不投加QQ微球的对照组MBR延长了10倍。这主要是由于投加的QQ微球兼具微生物的QQ效应和物理冲刷功能。S. H. Lee等〔26〕发现位于QQ微球内部的QQ细菌降解信号分子的效率较低，因此设计了一种包埋QQ细菌的QQ圆筒。QQ圆筒相比QQ微球具有更大的比表面积、与膜表面更大的接触面积，因此能更好地发挥QQ作用，控制膜污染〔27〕。
为解决QQ细菌抵抗不利环境的影响（例如低F/M），W. S. Cheong等〔30〕设计了一种陶瓷微生物容器（CMV），QQ微生物Pseudomonas sp. 1A1被密封在陶瓷微生物容器四周的空腔内，通过中心进水方式提高传质效率，克服了低F/M的不利影响。综上所述，尽管固定群体猝灭微生物的载体不断被开发出来，利用微球包埋QQ微生物因制作方便且利于细菌繁殖，仍是应用最为广泛的群体猝灭微生物固定化技术。
2.3 群体感应猝灭技术在MBR中的中试应用试验
QQ-MBR的研究从处理模拟废水的实验室小试规模发展到应用于实际生活污水的中试规模〔5〕。T. Maqbool等〔31〕用半中试规模MBR（出水流量为0.252 m3/d）处理模拟市政污水，研究投加包埋红球菌（Rhodococcus sp. BH4）的QQ微球对膜污染的影响。研究表明，QQ通过降低信号分子和SMP浓度，减少膜表面生物膜的黏附，进而减缓膜污染；与对照组相比，TMP达到30 kPa的时间从10~14 d延长到95 d。S. Lee等〔32〕在污水处理厂进行QQ-MBR的中试试验（出水流量为1.26 m3/d），以实际废水为进水，对比了传统MBR和投加QQ细菌（Rhodococcus sp. BH4）微球的QQ-MBR在处理实际市政废水时的膜污染情况。结果表明，QQ-MBR达到TMP设定值（20 kPa）的时间从传统MBR的18 d延长至35 d。
3 新兴群体猝灭技术
3.1 生物刺激促进QQ效应
在此基础上，Huarong Yu等〔35〕设计了一种具有核壳结构的QQ微球，即在外壳内负载QQ微生物（Rhodococcus sp. BH4），在核心添加生物刺激剂GCL，同时实现了生物刺激剂的缓慢释放和QQ细菌活性的持续增强。实验条件设置为不投加任何QQ微球的对照组MBR、投加核心没有GCL（外壳含有QQ细菌）QQ微球的实验组MBR和投加核心含有GCL（外壳含有QQ细菌）QQ微球的实验组MBR。达到TMP设定值（50 kPa）的时间分别为7、13、19 d，表明具有GCL核心的QQ微球比传统QQ微球在膜污染控制方面表现更为出色，进一步说明生物刺激促进QQ效应减缓膜污染具有巨大的潜力。
3.2 光催化猝灭信号分子
除微生物QQ技术，也有研究采用紫外线照射污泥混合液中的光敏剂（硝酸盐、碳酸氢盐），触发羟基自由基（·OH）直接氧化信号分子，从而减缓膜污染。高级氧化技术（AOPs）是一项以产生具有强氧化能力的羟基自由基（·OH）为基础，旨在氧化有机污染物的技术。基于紫外线的高级氧化技术（UV-AOPS）具有高效降解各种有机污染物和灭活微生物的优点。先前研究表明紫外线辐射可有效控制原水中的微生物浓度，从而减少膜过滤过程中产生的生物污染〔36〕。Xiaolei Zhang等〔37〕发现，与对照组MBR相比，连续紫外光照射的MBR达到TMP设定值（50 kPa）的时间由6 d延长至14 d。此外，在紫外光连续照射下AI-2信号分子的平均质量浓度从1 086 ng/L降至671 ng/L。这表明紫外光照射可通过光解MBR系统中的信号分子，干扰QS系统从而延缓TMP的增长。同时在紫外光照期间，无论污泥混合液特性（悬浮固体浓度、污泥粒径）还是有机物去除率等均无显著变化。
3.3 代谢解耦抑制信号分子生成
目前，基于微生物QQ技术控制膜污染的研究集中在灭活或降解信号分子这一实现途径上。而Xiaochi Feng等〔38〕提出采用代谢解耦剂（TCS）能够破坏细菌细胞膜两侧质子的平衡浓度，诱导降低质子动力（PMF）并抑制ATP合成，从而破坏微生物的能量代谢，达到抑制膜污染的目的。代谢解耦剂能通过抑制信号分子的合成来破坏微生物QS系统。Xiaochi Feng等对比了不投加TCS的对照组MBR和投加100 μg/L TCS的实验组MBR的运行情况，探究代谢解偶联剂在MBR中控制生物污染的可行性。结果表明，投加100 μg/L TCS的实验组MBR达到TMP设定值（35 kPa）的时间比对照组MBR延长了2倍，且显著抑制了膜表面微生物的积累。目前常用的代谢解耦剂有3，3，4，5-四氯水杨酰苯胺和2，4-二硝基苯酚等。
3.4 厌氧MBR中的群体猝灭
QQ技术的应用并未局限在好氧MBR系统，也有研究将QQ技术应用于厌氧膜生物反应器（AnMBR），并取得较好的控制膜污染效果。Jianbo Liu等〔39〕在AnMBR中投加包埋微杆菌（Microbacter-irum sp.）的QQ微球，与对照组AnMBR相比，投加该QQ微球能够降解AHLs，降低混合液中SMP和EPS的含量，将达到TMP（30 kPa）设定值的时间延长了约8~10倍，证明AnMBR中也存在微生物QS与QQ机制。
在控制MBR生物污染方面，混合QQ菌群可能比单一QQ菌群更高效。Boyan Xu等〔40〕提出利用兼性QQ细菌群（FQQs）控制AnMBR中的膜污染，通过富集培养分别筛选出降解C6-HSL、C8-HSL和C10-HSL信号分子的FQQ-C6、FQQ-C8和FQQ-C10。结果表明，FQQ-C6、FQQ-C8和FQQ-C10分别将AnMBR中的EPS浓度降低了72%、36%、66%。其中，投加FQQ-C6的AnMBR与对照组AnMBR相比，达到TMP设定值的时间延长了2倍。该研究为采用混合菌群控制膜污染提供了思路。
4 结论与展望
基于群体感应的QQ技术能够有效缓解MBR的生物污染。QQ-MBR技术经历了近10年发展，已从传统的投加QQ酶发展到QQ微生物，并开发了多种固定QQ微生物的载体，规模也从实验室小试发展到中试阶段。此外，一些新兴QQ技术相继涌现，微生物QQ技术的研究范围也从传统的好氧MBR扩展到厌氧MBR中。
笔者认为QQ-MBR研究面临的一些挑战及未来研究方向为：（1）从理论研究角度出发，目前干扰微生物细胞间QS的QQ策略主要集中在降解和灭活信号分子，对于通过抑制信号分子产生或干扰信号分子与受体蛋白结合等方式干扰微生物的QS系统研究尚不完善。此外，目前研究主要是基于AHLs型信号分子的QQ技术，对基于AI-2与AIP型信号分子的QQ技术的研究较少。通过耦合多种QQ微生物破坏范围广泛的信号分子，有助于进一步减缓MBR的生物污染。（2）从技术开发角度出发，QQ技术虽然能有效抑制EPS和SMP的生成，但并不能完全替代传统的物理或化学的减缓膜污染的方法。因此，如何将QQ技术与物理、化学方法有机结合起来，使抗膜污染效率最大化将是未来研究的重点。（3）从工程应用方面出发，尽管目前已设计出多种固定QQ微生物载体，但离实际应用还有很长距离，例如在实验室规模中使用最广泛的QQ微球会随时间增加而逐渐解体。因此，开发更加高效、廉价的微生物载体，提高QQ载体在苛刻条件（如高剪切力）下的使用寿命将有利于推动QQ-MBR的工程应用。
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