基于信号分子调控的细菌/真菌协同处理VOCs废气生物膜快速形成与定向构建方法研究

Bacteria and fungi can cooperate effectively in treating different kinds of VOCs. But the bacteria/fungi coexist biofilms formation is difficult, and the membrane-forming requires a long time. The study showed that the microorganisms in biofilms could secrete the autoinducter for their information communication. The quorum sensing was found in biofilms. In this study, the BTEX (methylbenzene, dimethylbenzene, etc.) will be taken as the target pollutant. The biological treatment system of bacteria/fungi coprocessing BTEX was established by screening the high efficient BTEX-degrading microorganisms. The characteristics of autoinducter of bacteria/fungi, biofilm properties and the interaction relationship between them were analyzed respectively to clarify quroum sensing mechanism of biofilms formation in the process of the bacteria/fungi coordination treatment. The inhibitors or isologue of the dominating autoinducter was screened. The VOCs removal efficiency was studied in different dosing concentration and method of the inhibitors or isologue. The biofilms quick formation and directional construction methods will be established based on autoinducter of quroum sensing. In sum, the theoretical basis for the research and development of bacteria/fungi efficient treatment of VOCs was provided due to this study.

细菌与真菌协同可有效处理含不同类型VOCs的废气，但细菌/真菌共存生物膜的形成较困难，在填料上挂膜所需时间长。已有研究发现，生物膜中微生物间可通过分泌信号分子进行信息交流，具有群体感应现象。本研究将以VOCs中的苯系物（甲苯、二甲苯等）为目标污染物，筛选可高效降解苯系物的细菌及真菌，建立细菌/真菌协同处理苯系物的生物体系。通过分析细菌/真菌生物膜形成过程中群体感应信号分子特征、成膜特性及二者之间关系，阐明细菌/真菌协同处理VOCs生物膜形成的群体感应机制，并通过筛选关键信号分子的抑制剂或结构类似物，研究其投加量及投加方式对VOCs去除效果的影响，建立基于群体感应信号分子调控的生物膜快速形成与定向构建方法。为细菌/真菌协同高效处理VOCs废气的复合生物技术的研究与开发奠定理论基础。

生物法在处理挥发性有机污染物（VOCs）的过程中具有操作简便、成本低以及无二次污染等优势，但其也存在挂膜慢、启动时间长等问题。已有研究表明，微生物信号分子与生物膜形成相关。基于此，本研究展开了基于群体感应信号分子调控的定向快速生物膜形成方法研究。. 本研究以苯系物（甲苯和邻二甲苯）为目标污染物，从不同生境中筛选获得包括Bacillus（芽孢杆菌属）、Alcaligenes（产碱杆菌属）、Eubacterium（真细菌属）、Lysobacter（溶杆菌属）细菌和Scytalidium lignicola（柱顶孢霉）真菌的功能微生物。并且通过比较12种填料的比表面积、表面粗糙度、持水率和经济效益等，筛选出适用于本研究的填料为聚氨酯海绵。将功能微生物负载于填料上，形成具有高效降解苯系物的细菌/真菌复合生物填料。. 通过纯培养获得具有降解苯系物的纯菌株3株Bacillus sp.（芽孢杆菌）、Bacillus cereus（蜡样芽孢杆菌）、Bacillus thuringiensis（苏云金芽孢杆菌）。以Bacillus sp.（芽孢杆菌）为例，采用平板划线法和LC/MS/MS分别检测了芽孢杆菌产生的信号分子。结果显示，芽孢杆菌具有产生多种信号分子的能力，检测到的信号分子C6-HSL和3-OXO-C8-HSL等。考虑到C链长度，后续试验中选择添加的关键信号分子为C6-HSL。. 同时，分析了功能微生物成膜特征与其信号分子之间的关系。对培养64h和128h空白组和实验组生物膜特征进行SEM观察，结果发现，添加信号分子可促进细菌细胞分裂，加快细菌细胞增殖速度，加速细胞聚集粘附，更快形成生物膜。. 构建小试装置对信号分子调控生物膜形成的方法进行连续运行研究。信号分子添加方式和添加量研究表明，装置构建好后，分批多次喷淋信号分子更有利于信号分子发生作用；而添加量研究结果表明，10μg/mL的C6-HSL添加量为最优添加量。对装置中微环境及微生物种群结构研究揭示，添加信号分子之后，装置内生物填料中功能微生物细胞分裂快，分布均匀。这有利于装置不同区域对污染物的去除，因而使整个装置对苯系物具有较好去除效率。. 本项目的研究结果初步在小试装置中实现了生物膜快速形成的主动调控，为废气生物膜快速形成与定向构建探索一种新的方法。