基于群体感应抑制的改性超滤膜与群体淬灭菌水处理膜生物污染控制研究

作     者：侯冰倩 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韦静

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：水处理 膜生物污染 群体感应抑制 改性超滤膜 群体淬灭菌 膜污染控制 

摘      要：水资源短缺和水污染是制约各国社会经济可持续发展的瓶颈问题。膜分离作为先进的水处理技术近年来得到了越来越广泛的应用。微生物在膜表面附着生长引起的生物污染是膜分离技术在水处理应用中面临的主要问题之一。群体感应（Quorum sensing,QS）是微生物间利用信号分子进行通讯交流的一种机制,可以调控生物污染中生物膜的形成。群体感应抑制为膜生物污染的控制提供了一种新途径。本文基于群体感应抑制方法开展水处理膜的抗污染研究。通过表面改性制备了具有群体感应抑制性能的酰基转移酶改性聚丙烯腈（polyacrylonitrile,PAN）超滤膜和D-酪氨酸改性PAN超滤膜,并从活性污泥中分离出具有酰基高丝氨酸内酯（Acyl homoserine lactones,AHL）信号分子降解能力的群体淬灭菌。考察了改性膜的表面特性和透水性,检测了所筛菌株的群体淬灭能力,评价了改性膜和淬灭菌对不同菌群的膜生物污染抑制性能,并以生活污水进行超滤实验,进一步评价改性膜和淬灭菌在膜法水处理中的抗污染效果。主要研究结论如下:（1）采用群体淬灭酶对PAN超滤膜进行表面改性,制备了不同酰基转移酶含量的改性膜ACY 0.1、ACY 0.5、ACY 1.0、ACY 1.5。改性后膜表面形成了连续均匀的改性涂层,膜孔结构变得较为致密,改性膜仍保持了较低的表面粗糙度。FTIR分析结果表明酰基转移酶被固定到改性膜的涂层中。改性ACY膜的接触角在78.71°±4.26°～81.63°±1.86°范围内,透水率在156.43±7.25 L/（m·h·bar）～192.14±11.09 L/（m·h·bar）范围内。生物显色实验结果表明酰基转移酶可以降解AHL信号分子,抑制细菌的群体感应通路。改性膜中酰基转移酶能保持较高的活性,可有效抑制大肠杆菌、根癌农杆菌以及污水中的菌群在膜表面的附着和生物膜的形成。随着改性层中酰基转移酶浓度的增加,膜抗生物污染性能得到加强,酰基转移酶含量较高的ACY 1.0和ACY 1.5在48 h培养内生物膜增长一直维持缓慢水平。（2）采用群体感应抑制化合物D-酪氨酸对PAN超滤膜进行表面改性,制备了不同D-酪氨酸含量的改性膜DTY 1、DTY 3、DTY 5和DTY 7。改性后膜孔结构变得较为致密,FTIR谱图表明D-酪氨酸已被成功固定在改性膜上。改性DTY膜的接触角在64.48°±0.2°～67.81°±3.57°范围内,透水率在155.95±8.28L/（m·h·bar）～175.24±9.04 L/（m·h·bar）范围内,改性后仍具有良好的亲水性和较高透水率。D-酪氨酸改性膜可有效抑制革兰氏阳性菌枯草芽孢杆菌和革兰氏阴性菌大肠杆菌在膜表面的附着和生物膜的形成,在培养24 h后,改性膜表面细菌和生物膜量相较于未改性膜明显减少,且生物膜形态稀疏。将膜样品与污水进行混合培养,未改性膜表面在24 h时几乎被包含细菌的生物膜完全覆盖,48 h时形成致密的生物膜。相比之下,D-酪氨酸改性膜上的污染明显减轻,特别是在D-酪氨酸含量较高的DTY 5和DTY 7中,D-酪氨酸改性膜可有效抑制不同细菌的生物污染。（3）采用以C8-HSL为唯一碳源的无机盐培养基分离污泥中的菌株,通过生物显色法筛选出一株可有效降解C8-HSL且不产生AHLs的群体淬灭菌。16S r DNA测序结果表明该菌株与肺炎克雷伯菌的同源性高达99%,LC-MS结果表明该菌株在24 h内可降解82.23%±1.85%的50μM C8-HSL。为提高淬灭菌在水处理应用中的可行性,制备了海藻酸钠微球将菌株固定化。利用大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和污水,测试了群体淬灭菌和淬灭菌微球分别对不同菌群生物膜形成的抑制效果。结果表明,淬灭菌和淬灭菌微球都可有效控制大肠杆菌和污水中的混合菌群在膜表面的生物膜形成,而对枯草芽孢杆菌无明显抑制效果。（4）采用生活污水为进水进行膜污染过滤和污染-清洗循环实验。在膜污染过滤实验中,不同浓度酰基转移酶和D-酪氨酸制备的改性膜相比未改性PAN膜均显示更高的水通量,运行8 h后水通量分别比PAN高32%-46%和38%-69%。将包埋淬灭菌的海藻酸钠微球投加至污水中也可有效抑制水通量下降,在微球与污水预混培养4 h和12 h的膜污染过滤实验中,运行8 h后水通量分别比未投加淬灭菌微球的污水高12%和30%。在膜污染-清洗循环实验中,酰基转移酶改性膜和D-酪氨酸改性膜的通量恢复率在四个周期后仍分别比未改性膜高6%-35%和10%-26%;在污水中投加淬灭菌微球也使膜通量恢复率比未投加淬灭菌微球的对照组高14%。膜污染过滤实验后,PAN膜上的生物膜中包裹了大量的细菌,而采用群体感应抑制方法的测试中膜表面细菌较少。相较于PAN膜,改性膜ACY0.5、ACY 1.0、ACY 1.5、DTY 5