环二鸟苷酸（c-di-GMP）在膜污染过程中的介导作用机制以及基于c-di-GMP分子调控的膜污染控制方法

Membrane fouling is a key factor hindering the wider application of the membrane bioreactor (MBR) technology, in which bacteria attachment and the resultant biofilm formation is a major cause. The biofilm formation behaviors of bacteria are mediated by the second messager signaling system, where bis-(3’-5’)-cyclic dimeric guanosine monophosphate (c-di-GMP) is found as a universal second messager molecule. By using environmental engineering tools combining with modern biomolecular techniques, the aim of this project is to investigate the mediating role of c-di-GMP in the membrane fouling process, and to developed novel membrane fouling control strategies based on external signal molecule regulating of intercellular c-di-GMP levels. The mechanism of c-di-GMP in mediating membrane fouling through the regulation of extracellular polymeric substances (EPS) production will be investigated and uncovered. The key functional diguanylate cyclases (DGCs) and phosphodiesterases (PDEs) genes involved in c-di-GMP level regulation will be identified, with their expression patterns being characterized during the membrane fouling process using metagenomic and metatranscriptomic analysis, to elucidate the metabolic and biomelcular basis of the mediating role of c-di-GMP. Novel membrane control strategies will in turn be developed based on external regulation of the intercellular c-di-GMP levels, using nitric oxide (NO) or L-glutamate as an external regulating signal molecule. The DGCs and PDEs genes and the corresponding bacteria community targeted by NO- or L-glutamate will be identified with their responses to NO or L-glutamate exposure being characterized to reveal the molecular mechanism of NO and L-glutamate in regulating c-di-GMP levels for membrane fouling control. This project is expected to provide new insights in the membrane fouling process from the perspective of bacterial metabolic regulation. And it would inspire and promote new developments in novel membrane fouling control strategies based on c-di-GMP regulation.

膜污染是膜生物反应器技术发展的重要限制因素，生物膜形成是膜污染发生的主要形式。细菌的成膜行为受控于其胞内的第二信使分子信号系统，而环二鸟苷酸（c-di-GMP）作为通用第二信使分子在细菌中普遍存在。本项目拟采用环境工程学手段，全面研究细菌胞内c-di-GMP控制细菌胞外多聚物分泌进而影响膜污染发生的关键介导作用，并通过宏基因组、宏转录组学等分子生物学方法从关键基因表达特征及对应细菌类群分布等方面，揭示c-di-GMP影响膜污染形成的微生物学及分子生物学机制。在此基础上，利用一氧化氮(NO)和L-谷氨酸作为外部控制信号分子，构建基于c-di-GMP分子调控的膜污染控制方法。并从关键基因系及相应菌群对NO和L-谷氨酸的响应特征等方面，阐明NO和L-谷氨酸调控c-di-GMP水平进而控制膜污染的分子机制。研究成果将为从细菌代谢调控层面认识膜污染的深层次发生机制以及为相应控制方法的开发提供基础。

MBR工艺在城市污水和工业废水处理及水回用方面的应用得到了越来越广泛的应用，然而，膜污染一直是萦绕MBR工艺的关键问题。其中，以生物膜形成引起的生物污染尤为顽固。微生物形成生物膜的过程受胞内第二信使分子信号系统的调控，环二鸟苷酸是微生物胞内通用的第二信使信号分子。本项目系统研究了第二信使——环二鸟苷酸（c-di-GMP）——在膜污染中的关键介导作用，并以此为基础开展了以c-di-GMP调控为手段的膜污染控制方法的研究与构建。获得以下研究结果：（1）构建了活性污泥与生物膜中微生物胞内c-di-GMP的提取方法及其基于UPLC-MS/MS的定量分析方法；（2）系统解析了c-di-GMP在膜污染过程中的关键介导作用及其分子机制，结果显示，相较于高SRT的MBR反应器，采用低SRT的MBR反应器，其活性污泥微生物胞内具有更高的c-di-GMP水平和EPS产生量，同时也呈现出更高的膜污染速率；而相较于活性污泥，膜污染物中微生物具有更高的胞内c-di-GMP水平和EPS产生量；细菌胞内-c-di-GMP水平与污泥EPS含量以及膜污染速率呈现显著的正相关关系；富集在膜污染物中的微生物具有更高的与c-di-GMP合成分解相关的基因丰度，及c-di-GMP代谢潜能，显示了c-di-GMP调节EPS分泌从而影响膜污染的关键介导作用；（3）基于此，开展调控c-di-GMP控制膜污染的方法研究，系统考察了4种NO前驱体以及香豆素在不同浓度条件下调控c-di-GMP及EPS分泌的能力，结果显示，硝普纳与香豆素具有最优的c-di-GMP调控能力，经1.0 mM香豆素和0.5 mM硝普纳处理的污泥微生物胞内c-di-GMP水平分别下降了56.7%和48.4%，EPS水平也同步下调；进一步采用硝普纳作为c-di-GMP调控分子开展长期试验研究，硝普纳呈现出对膜污染的缓解作用。本项目系统解析了c-di-GMP作为第二信使在膜污染过程种的关键介导作用，为基于c-di-GMP调控的膜污染控制方法的构建提供了基础与依据。