废气生物滤塔填料层堵塞控制新策略：基于群体感应的生物量控制技术
第一作者：王永超 (wyc@tju.edu.cn)
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.cej.2021.134313
期刊名称：Chemical Engineering Journal
1 Paper story
微生物细胞之间存在着一些“风语者”，他们传递着一些重要的情报（信号分子），这些情报对于敌特组织（生物膜）的形成和发展具有重要的作用。因此，切断这些情报（降解信号分子），就可以实现对敌特组织的控制（减少生物量）。
2 研究背景
避免生物量的过量积累导致填料层的堵塞，对于维持废气生物过滤塔的长期稳定运行至关重要。然而，目前基于物理和化学技术的方法可能会降低去除效率。近年来，基于群体感应淬灭（Quorum Quenching，QQ）的微生物种群交流方式被广泛研究。在这些研究中，酰基酶由于能有效降解N-酰基高丝氨酸内酯(革兰氏阴性菌的信号分子)，减少EPS的分泌，被广泛用作QQ酶来抑制生物膜的形成。虽然酰化酶的加入可以降低生物反应器中生物膜的厚度，但其影响机理，特别是对形成生物膜特性(如生物膜与载体之间的粘附)的影响仍有待探索。基于QQ的生物过滤中生物膜形成和积累的控制仍然有限。因此，研究基于QQ的酰基酶在形成生物量中的作用及影响机理具有重要意义。
3 文章亮点
1. QQ酶能够调节生物膜厚度和粘附强度。
2. QQ酶通过降低AHLs浓度来控制废气生物滤塔堵塞。
3. 运行70天时，QQBF (75 Pa·m-1)的压降低于BF (156 Pa·m-1)。
4. QQBF的生物量积累量比BF低34%。
5. QQBF中微生物的平均代谢活性几乎是BF的2倍。
4 图文摘要
5 图文总结
图1
（a）70 d运行过程中BF中气态甲醇的去除效率和生物量的积累
（b）70 d运行过程中QQBF中气态甲醇的去除效率和生物量积累
（阴影部分表示添加了酰基酶）
从第30天开始将酰基酶加入QQBF。BF中目标污染物的去除效率从第55天开始迅速波动。然而，QQBF的去除率保持稳定。结果表明，在相同的运行条件下，QQBF比BF具有更高的运行稳定性。因此，添加酰基酶可以提高生物滤池的去除稳定性。在第31 ~ 39天，随着酰基化酶的添加，BF的生物量积累持续增加，而QQBF的生物量积累则保持稳定。这一结果表明，酰基酶具有控制生物量积累的潜力。从第42天开始，QQBF的生物量积累开始停滞，然后呈现下降趋势。同时，BF内的生物量继续增加。与BF相比，QQBF的生物量显著降低，表明添加酰基酶控制了生物量的积累。在整个过程中，BF与QQBF去除效果的差异可能是由于生物量过量积累引起的填料层堵塞所致。然而，酰基酶的添加有效地控制了QQBF的生物量，从而控制了堵塞，提高了运行稳定性。
图2 第50天时BF和QQBF填料层MRTD曲线
通过MRTD曲线表征填料层结构。BF中示踪剂分子的浓度缓慢达到顶峰,MRTD曲线呈现宽且矮的趋势。而在QQBF中，示踪剂浓度达到峰值后迅速下降，MRTD曲线呈窄且高的分布。这些结果表明，BF对示踪分子的堵塞作用大于QQBF。此外，出口示踪剂浓度变化缓慢，说明BF内的堵塞程度高于QQBF。酰基酶的加入缓解了填料层结构的劣化。
图3 70 d运行过程中BF和QQBF的填料层压降。
(插图为30 d、50 dBF压降曲线和QQBF压降曲线)
在前30天，两组生物过滤塔压降值均较低，上升缓慢，说明运行稳定。此后，两种生物滤池的压降略有不同。随着时间的推进，BF内压降不断升高，56 d后达到156 Pa·m-1，而QQBF内压降虽有波动但保持在75 Pa·m-1左右。这个差异说明QQBF压降损失低于BF。第50天，BF中的压降曲线比QQBF有更高的上升趋势，表明BF内存在明显的堵塞现象。因此，这些结果提供了酰基酶缓解生物过滤堵塞的证据。
图4 添加酰化酶对生物膜粘附强度的影响
（a）载体表面生物膜粘附强度测试示意图
（b）对照组和QQ组生物膜的粘附强度
（c）生物滤池中生物膜脱落示意图
（d）超声处理下BF和QQBF填料表面生物膜的剥离效率
（e）渗滤液中的生物量浓度
添加酰基酶后，生物膜脱落30%和60%时的粘附强度分别下降了67%和37%，说明酰基酶的加入降低了生物膜粘附的稳定性。在生物膜形成过程中测定了酰基化酶降解AHLs的能力。随着酰化酶的加入，QQ组AHLs浓度较对照组显著降低。说明随着AHLs的降解，QQ组中的生物膜更容易脱落。QQBF填料表面生物膜的脱落效率高于BF，说明由于酰化酶的添加，QQBF填料表面生物膜的粘附力较弱。在添加酰化酶的条件下，大量的生物膜被冲进了渗滤液中。这一结果证实了酰化酶降低了所形成生物膜的粘附强度，所积累的生物量被喷淋液冲走，从而延缓了堵塞。
图5 BF和QQBF中生物膜
（a）EPS浓度
（b）填料表面的生物膜厚度
（c）BF和QQBF填料表面微生物荧光强度
(d) 运行50 d后，BF填料表面形成生物膜的三维可视化图像
(e) 运行50 d后，QQBF填料表面形成生物膜的三维可视化图像
QQBF中蛋白质和多糖含量显著低于BF，这表明，QQ酶降低了EPS的分泌，对粘附稳定性产生了负面影响。根据滤床孔隙度测量生物滤池的厚度，第50天，BF和QQBF的生物膜厚度分别为574 μm和388 μm。结果表明，酰基酶降低了生物膜厚度。此外，QQBF中填料床的结构特性在长期运行期间变化较小，从而保持了稳定的气流通道并抑制了堵塞。BF的荧光强度明显高于QQBF，说明QQBF积累的生物量较少。此外，两种生物滤池表面的生物膜分布差异明显， BF填料表面显示出密集的生物膜堆积，覆盖在填料表面，在QQBF中生物膜的累积更薄、更稀疏，表明附着在填料表面的生物量较少。这一结果证实了QQ在抑制堵塞方面的作用。
图6
（a）QQ酶降低生物膜粘附强度的可能机制
（b）BF和QQBF(生物膜样本中与c-di-GMP相关的功能基因)功能基因的相对丰度
注:横坐标为指数刻度。
BF和QQBF微生物样品中功能基因的相对丰度存在显著差异(图6(b))。由于QS的机制是信号分子与受体蛋白结合调控基因表达，两组微生物样本中功能基因的差异可能是由QQ(即酰基化酶)引起的。
图7
（a）在30天和50天对BF和QQBF的微生物样品进行了AWCD试验
（b）BF和QQBF的荧光强度百分比
QQBF在第50天的微生物生长速度较快，AWCD值较高。QQBF第50天的平均代谢活性(0.020)显著高于BF(0.012)，表明添加QQ酶后，微生物的代谢活性得到了提高，这在之前的研究中未见报道。因此，QQ酶的应用也有利于提高微生物活性。BF生物膜中活菌和死菌的比例分别为43.8%和56.2%，QQBF中活菌和死菌的比例分别为51.2%和48.8%，这也说明QQ酶的应用减少了QQBF中死菌的比例。因此。添加酰基酶引起的生物量积累减少，降低了微生物的生物膜厚度和较高的入口负荷，从而提高了代谢活性。
6 研究结论
综上所述，酰基酶作为QQ酶成功应用于气体生物滤塔中实现过量生物量控制，为抑制生物过滤堵塞提供了一种新的策略。这种策略的优势在于保持高效稳定性能的同时控制气体生物过滤的堵塞。结果表明，随着酰基酶作用，填料表面生物膜的粘附强度降低，导致生物量随着喷淋液的喷淋而脱落。在70 天的运行过程中，BF的最终生物量累积量为218.50 kg·m-3，而QQBF仅为130.58 kg·m-3。与BF内156 Pa·m-1的压降相比，QQBF的压降仅为75 Pa·m-1，生物量积累量的减少和填料层压降的降低有效地解决了气体生物滤池堵塞的问题，显著提高了运行稳定性。此外，基于QQ的生物量控制策略还通过降低生物膜厚度和灭活微生物的比例来提高代谢活性。综上所述，QQ在控制气体生物滤池堵塞方面有较好的应用前景。