通讯作者：王灿教授 (wangcan@tju.edu.cn)

通讯单位：天津大学

DOI：https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.132465

期刊名称：Chemosphere

生物膜由细菌细胞、胞外聚合物(EPS)、细粒度的颗粒和水的混合物组成，广泛应用于环境工程中，如生物过滤器、生物接触氧化反应器、生物滴滤器和膜生物反应器(MBR)等。在这些生物反应器中，生物膜的形成和附着在载体表面是关键过程。生物膜的过度生长和黏附一直是影响生物反应器性能和能耗的主要问题。因此，理解和管理生物膜的黏附对促进生物反应器的发展具有重要意义。

1. 本研究探索酶促群体淬灭对生物膜形成过程中黏附强度的影响。QQ通过降解信号分子，降低细胞外聚合物，降低相对疏水性，改变zeta电位，减弱生物膜的黏附强度。通过QQ成功降低了生物膜的黏附强度，为生物反应器中生物膜黏附的管理和调控提供了一种新的策略。

2. 采用了一种基于水流剪切力的方法定量测量生物膜的黏附强度。结果表明，在QQ酶的作用下，生物膜的黏附强度比对照降低至少37%。在添加和不添加QQ酶的情况下，生物膜的积累速率分别为0.05673和0.08762 h⁻¹，说明QQ酶抑制了生物膜的形成和积累。

图1 黏附强度实验结果 

A. 黏附强度实验示意图

 B.生物膜分离效率随时间变化

 C. 生物膜剥离30%和60%时的黏附强度

随着时间的推移，QQ组生物膜在55.4 s时显著脱落，而对照组生物膜黏附更加牢固，在106.8 s时显著脱落。说明添加QQ酶降低了生物膜的黏附强度。生物膜黏附强度试验开始时(0-2 min)， QQ组生物膜剥离效率达到39%。与此同时，对照组只有14%。在生物膜黏附强度试验结束时，QQ组和对照组的生物膜剥离效率分别为84%和66%。定量分析了30%生物膜剥离(A30)和60%生物膜剥离(A60)条件下生物膜黏附强度的差异。QQ组和对照组30%生物膜剥离效率黏附强度分别为318和969 Pa·s。同时，A60生物膜的黏附强度分别提高到844和1344 Pa·s。添加QQ酶后，A30和A60试验中生物膜的黏附强度分别下降67%和37%。证实了QQ组的生物膜比对照组更容易脱落。

图2 对照组和QQ组中AHL浓度和生物膜厚度的测试

A. 对照组和QQ组的AHL浓度 

B. 生物膜形成率拟合结果 

C.对照组和D.QQ组的生物膜厚度分布

每12 h检测对照组和QQ组的生物膜形成情况，发现QQ组的生物量在实验各阶段均低于对照组。说明添加QQ酶对生物膜的形成有明显的抑制作用。此外，生物膜的形成可以用logistic曲线拟合。计算发现，对照组和QQ组生物膜形成率差异显著，分别为0.08762和0.05673 h−1。QQ组的生物膜形成率比对照组低35%。在第36小时测量对照组和QQ组的生物膜厚度发现QQ组各部位生物膜厚度均低于对照组。

图3 生物膜特性变化测试 

A.EPS分泌减少示意图

 B. 基于DLVO理论的生物膜稳定性 

C. 生物膜黏附强度变化示意图 

D. 对照组和QQ组的EPS含量

E. 对照组和QQ组的PN/PS比率

F. 对照组和QQ组的相对疏水性

G. 对照组和QQ组的生物膜zeta电位

随着AHL浓度的降低，EPS的分泌减少。QQ组和对照组的EPS含量分别为29 mg/g和54 mg/g。这一结果表明，与对照组相比，QQ组的EPS含量降低了42%。PN和PS是EPS的主要组成部分，PN/PS比值影响生物膜的稳定性。随着QQ酶的加入，PN/PS比值从1.24下降到1.07，说明QQ群生物膜具有较高的亲水性。QQ组生物膜的相对疏水性低于对照组，且QQ组PN分泌减少、PN/PS比值降低。此外， QQ组生物膜的zeta电位也显著低于对照组。随着QQ组生物膜负电位的增加，库仑相互作用增强，生物膜稳定性降低。

随着酰化酶（QQ酶）的添加，生物膜的黏附强度和厚度显著降低(p < 0.05)。QQ组和对照组的最高生物膜厚度分别为1562和1765 μm。此外，酰化酶的添加抑制了生物量积累，生物量积累速率降低了35%。进一步分析生物膜特性发现， QQ改变了EPS分泌量、生物膜相对疏水性、zeta电位，PN/PS由1.27降低至1.06。这些结果有助于更好地了解QQ在生物膜形成和黏附过程中的作用。QQ降低生物膜黏附强度的发现，可作为控制生物反应器中生物量积累和调节生物膜特性的重要指导。