应用代谢解偶联剂TCS控制MBR膜污染及机制研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:doudouling
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膜污染制约了膜过滤技术进一步的推广与发展。近些年来,提出了全新的生物-膜污染控制法,该方法是通过影响细菌在滤膜表面的附着和生物膜的发展实现膜污染控制的目标。应用代谢解偶联剂膜污染控制技术可以有效缓解膜生物反应器(MBR)内膜污染的形成。但是目前研究中所采用的解偶联剂浓度较高,会对污泥生长和污染物去除效果产生影响,无法深入有效地分析MBR内的膜污染控制机制。本论文基于生物-膜污染控制理论,通过考察解偶联剂对于单一细菌生物膜和MBR内混菌生物膜的影响,探究解偶联剂在MBR系统内的膜污染控制效果和控制机制。本研究选取典型代谢解偶联剂3,3?,4?,5-四氯水杨酸酰苯胺(TCS)进行单一细菌生物膜和混菌生物膜控制的相关研究。选取易形成生物膜的革兰氏阴性菌铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa PAO1)和革兰氏阳性菌枯草芽孢杆菌(Bacilius subtilis)作为研究菌种。采用实时荧光定量PCR技术(RT-q PCR)分析TCS对P.aeruginosa PAO1和B.subtilis群体感应系统和生物膜形成相关基因的影响。连续运行三组平行的MBR反应系统140天,考察并分析TCS对于MBR系统内膜污染的控制效果和控制机制。考察TCS对于革兰氏阴性菌P.aeruginosa PAO1生物膜的抑制作用并分析其抑制机制。研究表明当TCS在培养基中浓度超过10μg/L时,P.aeruginosa PAO1在滤膜表面生物膜的形成被显著抑制。在2 h生物附着实验中TCS浓度为100μg/L和500μg/L时,细菌在滤膜表面的细胞数量分别减少27.78%和19.19%。通过半固体培养基的细菌运动性实验发现100μg/L TCS比500μg/L TCS对P.aeruginosa PAO1的运动能力存在更强的抑制作用。在30 h生物膜培养实验中,100μg/L和500μg/L的TCS样品中生物膜分别减少28.02%和50.15%。说明TCS浓度为500μg/L时,其对P.aeruginosa PAO1生物膜形成的抑制作用更为显著。通过RT-q PCR分析发现500μg/L TCS的样品中参与调控细菌生物膜形成的群体感应基因las I和las R的表达被显著抑制。说明500μg/L TCS可以通过调控细菌群体感应系统实现P.aeruginosa PAO1生物膜的有效控制。在研究TCS对于革兰氏阳性菌B.subtilis生物膜抑制作用和抑制机制中发现,当TCS在100μg/L时,B.subtilis的生长没有被显著抑制,而B.subtilis在12孔细胞培养板和滤膜表面的生物膜分别减少53.08%和44.67%。通过细菌运动性、絮凝性和表面热力学分析发现B.subtilis在含有100μg/L TCS的培养基中培养24 h后,细菌运动能力降低,生物絮体粒径减小,细菌表面亲水性增加,细胞间的斥力势垒显著增加,说明B.subtilis细菌相互聚合和生物膜的形成难度明显增强。在研究TCS对B.subtilis细菌群体感应及生物膜相关基因作用时发现,被CSF群体感应系统调控的生物膜控制基因sin R在100μg/L TCS样品中的表达被显著上调,而由于sin R基因的上调,胞外聚合物(EPS)相关基因eps E,ysx M与tas A的表达受到显著抑制。说明TCS对于B.subtilis生物膜形成的抑制机制是由于生物膜控制基因sin R和EPS相关基因的表达被有效调控。通过向进水池中投加TCS的方式,考察100μg/L TCS对MBR内滤膜表面生物附着和膜污染的抑制效果。与对照组MBR 1相比,在MBR 2投加100μg/L TCS后,系统的污染周期从10.46天延长到55.5天,跨膜压力(TMP)的增长速率从3.16 k Pa/d下降到0.65 k Pa/d。说明100μg/L TCS的投加可以有效缓解MBR系统内膜污染的形成。但是当TCS的投加停止后,MBR 2内的膜污染形成速率增加到MBR 1水平。140天的实验中发现当100μg/L TCS投加后,MBR 2和MBR 3中种间信号分子(AI-2)和种内信号分子(AHL)的浓度明显降低。细菌EPS的分泌与群体感应系统密切相关,在投加100μg/L TCS的MBR内污泥胞外多糖和胞外蛋白的分泌受到显著抑制。说明TCS对于MBR中群体感应信号分子和EPS的分泌存在有效调控。此外,通过测定MBR内的表观污泥增长速率和出水中的COD及氨氮浓度说明100μg/L TCS的投加不会对MBR反应系统内的污泥增长和出水水质产生显著影响。本研究说明在MBR系统内投加代谢解偶联剂在不影响污泥生长和出水水质的情况下,可以通过解偶联剂对群体感应信号分子和EPS分泌的调控实现膜污染的有效控制。
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