基于细菌接触损伤与应激诱导的QAC/PVDF膜抗生物污染机制与调控

In order to control membrane fouling and to optimize antifouling membrane materials in membrane bioreactor (MBR) applications, this project tends to study the antibiofouling mechanism and regulation of quaternary ammonium compounds (a kind of antibacterial agent) modified membrane (QAC/PVDF) through the bacterial contact damage and oxidation stress induced community behaviors. On the basis of analyzing the mechanism of bacterial damage caused by QAC direct contact on membrane surface, the nature of biofouling mitigation will be clarified, i.e., the bacterial individual damage leads to oxidation stress which maybe induces relative genes expression for regulation of bacterial community behaviors. The project is designed to establish control measures for improving antifouling property through developing enrichment efficiency of QAC and optimizing its architecture on membrane surface. It is expected to disclose the nature of using QAC to improve PVDF antifouling property, and to develop the technology for preparing antifouling membrane through blending antibacterial agents. The results obtained from this project will provide technical support for developing membrane materials with high-performance, and thus promoting application of MBRs in the field of wastewater treatment and reclamation.

针对MBR应用中膜污染控制及抗污染膜材料的制备与优化需求，以抗菌剂季铵盐（QAC）改性PVDF膜为研究对象，围绕基于细菌接触损伤与应激诱导的QAC/PVDF膜抗生物污染机制与调控进行研究，在解析膜面QAC通过直接接触造成细菌损伤机制的基础上，阐释细菌个体损伤所导致的应激诱导相关基因表达及其群体行为调控机制，明晰QAC/PVDF膜生物控制污染的本质，建立以提升抗污染性能为目标、以改善QAC富集效率和优化构筑方式为手段的QAC/PVDF膜制备的调控策略。项目预期能够解释QAC提升PVDF抗污染性能的本质，形成基于抗菌剂控制膜污染的抗污染膜制备技术，为高性能膜材料的开发提供理论与技术支撑，推动MBR技术在污水处理与资源化领域的推广应用。

本项目针对膜生物反应器（MBR）应用中膜污染控制及抗污染膜材料的制备与优化需求，围绕基于细菌接触损伤与应激诱导的QAC/PVDF膜抗生物污染机制与调控进行研究，在解析膜面QAC通过直接接触造成细菌损伤机制的基础上，阐释细菌个体损伤所导致的应激诱导相关基因表达及其群体行为调控机制，明晰了QAC/PVDF膜生物控制污染的本质，建立了以提升抗污染性能为目标、以改善QAC富集效率和优化构筑方式为手段的QAC/PVDF膜制备的调控策略，完成了项目计划书的各项研究内容，取得了以下研究成果：.（1）对膜面QAC直接接触导致的细菌损伤机制进行探索，确定细胞损伤条件下的临界QAC 暴露浓度。当复合膜中QAC浓度为0.2 wt.%时，复合膜的基本性能最优，且有显著的抗菌效果，染色结果证实细菌胞膜遭到破坏；当QAC浓度过高时膜面疏水性增加，对膜本征性能造成不利影响。根据以上结果，确定了QAC的适宜剂量为0.2 wt.%。.（2）阐释了细菌个体损伤所导致的应激诱导相关基因表达及其群体行为调控机制。以野生大肠杆菌W3110及敲除mazEF基因的Δ3110为研究对象，探索mazEF系统在QAC改性膜抗菌过程中的作用。结果表明，在QAC高暴露强度下，敲除基因后的细菌存活率较野生菌种显著提高；随着暴露强度的降低，差异逐渐缩小。根据ROS和细菌死亡形式的实验结果，推测细菌与QAC接触后造成细胞的氧化应激，产生的ROS可能诱导相关基因表达开启程序性死亡路径，导致部分细菌以凋亡形式死亡。同时，证实了QAC抗菌过程是与群体密度相关的群体感应现象，EDF等信号分子在mazEF系统介导的细菌程序性死亡过程及生物膜形成中发挥着重要的作用。.（3）建立了以提升抗污染性能为目标、以改善QAC富集效率和优化构筑方式为手段的QAC/PVDF膜制备的调控策略。通过ATRP法将QAC接枝于PVDF膜表面，并引入SiO2优化膜的本征性能，实现了膜抗生物污染性能和本征性能的同步提升。此外，根据对接触杀菌机制的探索，研究了基于膜面微观形貌调控的仿生花粉硅复合PVDF膜的制备和抗污染机制探索，拓展了接触杀菌抗污染膜的制备思路。