纖維束填料1米廠家有機污染物胞外作用機理及微生物群體感應調控特征

　　纖維束填料1米生產廠家有機污染物胞外作用機理及微生物群體感應調控特征。有機污染物(芳香烴、藥物、農藥等)存在于自然系統(湖泊、海洋、地下水、土壤等)和廢水處理系統中，其分子結構復雜、種類多變、溶解性差異大、毒性高并且難生物降解，如何有效將其去除是目前研究的難點。

　　微生物技術是處理有機污染物的主要手段之一，其中偶合功能材料、降解菌的微生物工藝(如厭氧-好氧法、電催化微生物法)是目前研究熱點，但其存在不能完全礦化、易形成復雜或有毒代謝副產物、無法有效控制代謝過程、多種污染物共存時降解效率低等問題。

　　微生物胞外聚合物(Extracellular polymer subst-ance，EPS)是多糖、蛋白質、腐殖酸、核酸、脂質等生物大分子組成的復雜高分子聚合物，也是微生物識別、吸附和去除有機污染物的重要屏障，其具有親疏水性、帶電性、吸附性、生物降解性及氧化還原性等特性。

　　目前，已有研究多集中在EPS提取測定方法的改進、官能團組成和性質，及其對有機污染物的去除和作用機理研究。其中作用機理主要涉及物理作用(吸附)、化學作用(還原)和生物降解(生物酶解)，而在分子水平的有機污染物去除調控機理方面仍缺少系統性研究報道。

　　EPS合成及有機物降解均受信號分子和群體感應調控，是強化污染物去除的重要環節。通過外界因素調控EPS去除有機污染物的關鍵是識別出EPS與有機污染物作用的關鍵組分。

　　EPS分子具有復雜多變的網絡狀空間結構，化合物受體蛋白(識別有機污染物)、跨膜蛋白(運輸有機污染物)及其群體感應識別系統貫穿其中，但微生物如何進行污染物識別、分子群體感應調控降解方面的系統性報道不多。

　　對此，筆者綜述了微生物聚集體中EPS對不同有機物的去除作用、群體感應調控機理及其與微生物群落結構的關系，以期對生物強化去除有機物提供指導。

　　01

　　胞外聚合物(EPS)的組成和性質

　　EPS由多糖(PS，40%~95%)、蛋白質(PN，1%~60%)、腐殖質(HS)、核酸(1%~10%)、脂質(1%~10%)等大分子物質組成(均以質量分數計)。

　　胞外PS由多種同聚糖(如葡聚糖、果聚糖等)和異聚糖(藻酸鹽、鞘氨醇膠等)組成。胞外PN含胞外酶和結構蛋白，其中結構蛋白包括細胞表面相關蛋白和碳水化合物-結合蛋白。

　　此外，EPS中的PN和PS還會以糖綴合物(糖肽、糖蛋白、糖脂等)的形式存在。HS由腐殖酸(HA)、富里酸(FA)和腐黑質組成。

　　EPS中含碳物質比含氮物質合成更新速度更快，如含氧烷基物質 > 含酰胺基物質 > 含α碳物質 > 含脂肪族碳物質，即多糖 > 蛋白質 > 腐殖質或脂質類。

　　根據EPS與細胞表面的連接程度及提取方法，其外層到內層可分為可溶型EPS(SOL-EPS)、松散結合型EPS(LB-EPS)及緊密結合型EPS(TB-EPS);根據是否形成水凝膠，EPS分為水凝膠EPS和非水凝膠EPS。

　　其中，水凝膠EPS又稱結構EPS(Structural EPS，SEPS)，其有機組成和離子特征決定了污泥性質。EPS具有親疏水性、帶電性、吸附性、生物降解性及氧化還原性等特性。該特性決定了污水處理出水質量、污染物降解程度、活性污泥的沉降和脫水性能等。

　　02

　　EPS是難降解有機物進入微生物細胞的重要屏障

　　胞外多聚物是外源有機物進入細胞和細胞間相互作用的重要通道，具有吸附有機物、持有降解底物的多種酶系、細胞間信號傳導、抵抗外源毒物、通過自身水解提供營養物質和有機質等重要功能。

　　2.1有機污染物的胞內外吸附降解作用

　　根據有機污染物在細胞吸附降解的位置，有機污染物去除可分為三種方式：

　　(1)胞外處理，即EPS攔截有機物，胞外酶在胞外直接吸附或降解有機污染物生成代謝物/副產品。如煙曲霉(Aspergillusfumigatus)在去除蒽時主要作用就是胞外酶(木質素過氧化物酶)代謝。

　　(2)沿程處理，即有機污染物在細胞膜EPS層吸附，同時在胞外酶、周質酶、胞質酶作用下沿程降解。如微生物去除石油烴過程中，其周質酶、胞質酶和胞外酶都參與生物降解，只是不同底物的酶活性不同。

　　(3)胞內處理，即污染物進入胞內，由胞內酶代謝后排出。如白腐真菌Trametes hirsuta可吸收布洛芬、吲哚美辛、酮洛芬和萘普生，由胞內酶(細胞色素c、P450等)將其代謝后排出細胞。

　　值得注意的是，毒性物質或生物大分子(如外源DNA抗性基因)可修飾后穿透EPS和細胞膜，比如環境系統中取代芳香族污染物可協助抗生素抗性基因(ARG)繞開細胞外核酸內切酶對于外源ARGs的降解，穿透EPS可滲透屏障進入細胞，促進ARG在細胞間傳播。即當EPS不能有效攔截有機污染物時，會存在細胞毒性風險。

　　此外，外界環境條件變化時，微生物可將胞內處理有機物模式調節為胞外處理。如Yanxia Zhu等發現環境中高濃度CO2可促進鈍頂節旋藻(Arthrospira platensis)胞外EPS含量提升，增強EPS吸附苯酚量，致使跨膜擴散(被動運輸)進入細胞的苯酚量下降，同時胞外酚羥化酶活性升高112.7%，最終苯酚降解由胞內轉移至胞外。

　　2.2有機污染物代謝的多重誘導調控作用

　　微生物細胞可感知化學物質、pH、滲透壓、溫度和氧化還原電勢等外界環境因素及其梯度變化。有機污染物通過結合胞外化合物受體蛋白、跨膜蛋白，誘導調控趨化、跨膜運輸和微生物胞外EPS合成(生物表面活性劑、胞外多糖)、有機物降解酶基因轉錄表達，促進有機污染物吸附降解。

　　(1)趨化。是指細菌適應化學物質濃度梯度做出運動改變，即化學效應分子與細胞膜表面的化學受體蛋白專一性結合，經趨化信號傳導，細菌呈現趨向高濃度的正向運動或低濃度的負向運動�；瘜W趨化受體蛋白在細菌和古菌中保守存在，具有特異性和膜拓撲結構。其趨化特征為：

　　a. 底物誘導。外源有機污染物、次級代謝產物和信號分子均可誘導化學趨化。很多細菌只對可降解底物具有趨化性，如假單胞菌Pseudomonas sp. JHN只對能代謝的4-氯-2-硝基酚具有趨化性，對不能代謝的底物沒有趨化性。多氯聯苯降解菌Pseudomonas sp. B4經中間代謝產物聯苯或苯甲酸誘導培養后，對苯甲酸和4-氯代苯甲酸具有趨化作用。

　　b. EPS合成或鞭毛控制。細菌趨化運動方向由鞭毛控制;相反，當其需要減少運動時，則強化合成EPS加速在載體表面的粘附。該趨化過程通常由不同的化學感應途徑(chemosensory path-way)完成，如粘球菌Myxococcus xanthus通過Dif途徑控制細胞外多糖的產生和脂質的趨化性。水稻細菌性谷枯病菌(Burkholderia glumae)的QS(群體感應)基因qsmR可調控鞭毛方向基因的表達�；魜y弧菌(Vibrio cholerae)的CAI-1群體感應系統受菌群趨化Ⅲ類蛋白簇表達控制，其不同生長期的細胞形態、EPS和運動受c-di-GMP(環二鳥苷酸)轉錄調控。

　　c. 促進生物利用和降解。細菌通過正向化學趨化過程促進對高疏水性和低底物利用性有機污染物的降解。比較惡臭假單胞菌G7的趨化性和非趨化性菌株發現，有機污染物在非水相液體(NAPL)中時，趨化會增加萘的降解和生物利用度。

　　d. 雙向性(Biphasic chemotaxis)。細菌隨外界環境中有機污染物濃度變化呈正向或負向運動。如吲哚濃度 < 1 mmol/L時大腸桿菌E. coli僅負向驅動(驅避劑反應)，吲哚濃度≥1 mmol/L時其由負向到正向驅動(吸引劑反應)的時間依賴性反轉。

　　(2)跨膜運輸。跨膜蛋白是貫穿整個磷脂雙層的內在膜蛋白，其兩端分別暴露于細胞膜的外部和內部，在細胞與環境之間交換物質、能量和信息。許多微生物在降解難溶性有機污染物時會由QS誘導產生不同的乳化劑和表面活性劑(如糖脂、脂肽、離子脂質、中性脂質和聚合生物表面活性劑)，其中表面活性劑也可降低乳液表面張力起乳化作用，改善細菌運動性和跨膜蛋白表達。

　　細胞跨膜蛋白在微生物對PAHs(多環芳烴)轉運過程中的作用至關重要，其原因在于典型的跨膜蛋白內部主要由疏水性β-折疊組成，兩親性α-螺旋主要分布在其外圍，α- 螺旋可促進表面活性劑聚集和細胞膜的磷脂雙層融合形成混合的膠束，改變細胞膜的三級結構和構象，而β-折疊促進了表面活性劑插入磷脂雙層，以加速PAHs向細胞內部轉運，增強細菌與生物膜對污染物的利用率與降解潛能。

　　(3)轉錄調控。轉錄調控是調控細菌基因表達以適應不斷變化環境條件的基本機制之一。在自然界中，變構轉錄因子aTF(allosteric transcription factor)可識別抗生素、一級或二級代謝產物、群體感應信號分子或外源有機污染物。與細菌的經典分解代謝操縱子相反，大多數控制外源有機物生物利用的蛋白以轉錄激活因子的形式出現(CatM除外，它是一種抑制因子)，如萘降解是受單一蛋白質NahR控制的。除了轉錄因子(TFs)介導，基因轉錄還受細胞生理狀況決定的全局調控因子調節。

　　03

　　EPS與有機污染物間的作用機理

　　EPS去除有機污染物機理包括物理作用(吸附及分配)、化學作用(還原及電化學還原)和生物作用(胞外酶降解)。已報道的有機污染物主要集中在芳香烴(芘、菲)、染料〔甲苯胺藍(TB)、堿性藍54(BB54)和抗生素(磺胺類抗生素、四環素)、三氯生等。

　　部分代表性污染物及其EPS去除機制及檢測手段見表 1。

　　表 1 EPS去除有機物機制及檢測手段

　　3.1EPS與有機污染物之間的物理作用(分配/吸附作用)

　　(1)分配作用。指水或廢水中有機污染物溶入EPS生物大分子中的分配過程。該吸附可逆，與表面吸附位無關，只與溫度或有機物溶解度有關。如EPS中糖脂(由無色菌PS1、芽孢桿菌SLDB1、銅綠假單胞菌S5產生)、脂肽(由蒼白桿菌產生)作為表面活性劑可以強化PAHs的增溶作用，促進PAHs向微生物細胞的傳質。由葡萄糖和半乳糖組成的胞外多糖具有生物乳化活性(由陰溝腸桿菌TU釋放)，可提高正十六烷生物利用度，促進其降解。

　　(2)吸附作用。微生物EPS帶有大量電荷、極性基團和疏水區域，為有機微污染物提供大量活性吸附位點，其涉及氫鍵、范德華力、靜電相互作用和疏水相互作用4種吸附作用力。

　　a. 疏水相互作用。疏水作用是疏水物質(疏水官能團)之間存在疏水引力，有報導稱其是由吸附在疏水物質表面的氣體(水蒸氣或溶解性氣體)相互聯通形成的納米氣泡橋引起。胞外PN中色氨酸和酪氨酸是具有強疏水側鏈的疏水氨基酸(含芳香環)，可提供疏水吸附位點，通過氫鍵(含氨基、羥基)和疏水作用吸附污染物;HS含帶負電的羧酸基、酚酸基和疏水區域的碳骨架，可通過疏水作用結合污染物。目標污染物的結構差異可導致污染物在EPS上具不同的親和力和吸附效率。如EPS中的色氨酸、酪氨酸與磺酰胺類可通過疏水相互作用結合形成EPS-磺酰胺復合物，磺胺甲惡唑(SMX)側基空間位阻小，易占據更多吸附位，EPS吸附效率高，而磺胺嘧啶(SDZ)疏水作用差，不易接近EPS吸附位點，因此吸附效率低。

　　b. 靜電作用。靜電作用是帶正電的有機污染物與帶負電的EPS之間發生反應的有效機制。靜電作用受pH和離子強度的影響，并與EPS離子化官能團(如羧基、磷酸基團、巰基和酚酸官能團)的含量和污染物帶電性有關。如甲苯胺藍(TB)可通過靜電作用吸附到EPS離子化官能團上，且pH為11.0時污泥EPS對TB的結合力大于pH為7.0時。這是因為當pH為7.0時，僅羧基和磷酸基團被電離;pH為11.0時，羧基、磷酸基、巰基、酚酸基團大部分都被電離，且EPS分子在此pH下可水解斷裂糖蛋白中二硫鍵，增加帶電官能團。

　　c. 氫鍵。氫鍵是電負性大、半徑小的原子(如O、N、F)之間以H原子為媒介形成類似價鍵的結構，具方向性、可逆性和加和性。污染物與EPS之間可通過氫鍵結合，如四環素與好氧顆粒污泥EPS的蛋白質和腐殖酸可通過氫鍵和范德華力形成復合物。

　　通常EPS與污染物之間多種相互作用同時存在，而且隨外界條件(pH、離子強度、官能團種類和結構)變化其作用機制也發生變化。EPS強疏水性、吸附位點多及吸附力強使其去除率更高。EPS與有機物之間的吸附結合機理具有相似性和差異性，如何找出這些差異的來源從而通過控制EPS與有機物作用的關鍵組分的生成來實現提升EPS去除有機物的效率是問題的關鍵。

　　3.2EPS與有機污染物之間的化學作用(還原及電化學還原)

　　EPS具有PS的半縮醛還原結構，還原蛋白(細胞色素c、鐵氧化蛋白)，HS的醌、氮和硫等具有氧化還原活性或電子傳導性的成分。多種細菌EPS可以還原硝基芳烴(NAC)、鹵代烴和偶氮染料等含強吸電子官能團(如硝基、鹵代基)的有機污染物。

　　(1)電化學活性菌EPS還原作用。電化學活性菌EPS具有電化學性質，其導電物質可通過電化學還原作用參與有機污染物的電子轉移。如典型電化學活性菌Shewanella oneidensis MR-1、Bacillus sp. WS-XY1和Pichia stipites的EPS具有電化學活性，具體表現為：

　　(a)細胞被EPS覆蓋時，直接胞外電子轉移(Extracellular electron transfer，EET)減弱;

　　(b)EPS中儲存的電化學活性物質(黃素和細胞色素c)可作為電子轉移介質維持細胞與電子供體/受體間隙中高濃度電子穿梭，因此間接EET電子傳遞加強;

　　(c)當EPS被提取后，會導致細胞表面蛋白失活而失去EET作用。Mtr呼吸通路是有機污染物胞外生物轉化的主要電子傳遞途徑，如希瓦氏菌MR-1可通過細胞色素c(MtrC/OmcA)直接還原或通過胞外電子介體(黃素)間接還原對萘酚綠染料脫色;腐殖酸HS除了可作為電子轉移瞬時介質，也可作為直接電子供體，參與偶氮染料、鹵代物、硝基芳香族化合物等污染物的還原過程，因此增加HS含量會增加電化學反應途徑，促進苯并芘利用度和降解速率;腐黑質可同時充當電子受體和電子供體，參與微生物還原五氯苯酚脫鹵過程和胞外電子轉移過程。

　　(2)非電化學活性菌EPS還原作用。非電化學活性的微生物在沒有外源電子供體的情況下，可利用EPS中還原性成分通過胞外電子轉移機制還原高氧化態污染物(如NAC、鉻酸鹽和高氯酸鹽)。

　　Fuxing Kang等發現，多種純培養微生物(大腸桿菌、黃孢原毛平革菌、釀酒酵母)和天然生物膜中提取的EPS能將1，3-二硝基苯(1，3-DNB)還原為3-羥氨基硝基苯和3-硝基苯胺。光譜分析1，3-二硝基苯反應前后的EPS，結合Tollen檢驗表明，EPS中鼠李糖的半縮醛基、脂多糖的不飽和脂肪鏈和酚基可作為還原劑，醌部分起電子穿梭作用。Xinwei Zhou等在研究非電活性細菌EPS還原NAC機制時發現，無外源電子供體時細菌消耗EPS中還原糖的半縮醛基團(主要電子供體)以產生電子，電子通過電子轉移介質(黃素和醌)傳遞到細胞外細胞色素，再傳遞到細胞內氧化還原活性蛋白還原NAC。

　　3.3EPS與有機污染物之間的生物作用(酶生物降解)

　　EPS中胞外酶主要包括胞外水解酶和氧化還原酶，其活性可影響有機污染物(染料、多環芳烴、多氯聯苯、有機磷類等)降解速率。

　　(1)胞外水解酶：主要包括碳水化合物水解酶(如淀粉酶、纖維素酶)、蛋白水解酶、酯酶、磷酸酶、植酸酶、脂肪酶等，可水解糖基、酰胺和酯官能團。如活性污泥EPS中提取的酶可催化水解β-酰胺和達普霉素;類產堿假單胞菌的角質酶(PpCutA)和海洋假單胞菌的酯酶(PpelaLip)可水解各種不同結構聚酯類污染物。

　　(2)胞外氧化還原酶：主要包括非特異性過氧化物酶，如P450、漆酶、過氧化氫酶、木質素過氧化物酶(LiP)、錳過氧化物酶(MnP)等。真菌產生的非特異性過氧化酶(P450單加氧酶、血紅素過氧化物酶)的催化活性與胞內單加氧酶功能相近，可氧化大部分EPA優先有機污染物。

　　Chunyun Jia等將菌膠團(Zoogloea sp.)提取的EPS用于降解土壤中芘，結果表明EPS中檢測出的漆酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶〔活性分別為(0.41±0.04)U/L、(59.67±3.51)U/L、(55.05±1.13)U/L在芘降解中起著重要的作用。姜春陽發現加入EPS后，分支桿菌對芘和苯并[a]芘降解率分別提升了9%和6%，毛霉菌對芘、苯并[a]芘的降解率分別提升了9%和5%，蛋白質譜發現EPS中存在PAHs關鍵降解酶。真菌可釋放胞外漆酶(活性達90~100 U/L)分解染料，不同染料分解機制不同，如漆酶可直接氧化蒽醌，而漆酶與偶氮和靛藍相互作用受小分子代謝物調節。木腐真菌胞外LiP可降解大于90%的酚類污染物。

　　EPS與有機物之間的物理、化學和生物作用各自貢獻比例報道較少。已有研究發現粘著劍菌En-sifer adhaeren去除多氯聯苯(PCB)時，最初生物吸附起主要作用，而隨著培養時間延長生物降解作用越來越重要，且生物降解與LB-EPS中多糖和酶活性成正相關。未來是否可采用模式化合物替代EPS中相關作用組分，考察其與污染物降解相關作用關系，并準確構建有機物代謝模型仍有待研究。

　　04

　　群體感應調控有機污染物去除機理

　　群體感應(QS)是細胞間的交流過程，即細菌可通過分泌和感應特定的化學物質(信號分子)并調節基因表達來調控群體密度。QS可以調節生物膜的形成、生物表面活性劑的產生、胞外多糖的合成、水平基因轉移、代謝基因表達、運動性和趨化性等相關的基因表達。

　　4.1調控有機污染物降解基因

　　許多細菌同時具有QS〔酰基高絲氨酸內酯/自誘導物(AHL/AI)合成酶基因系統和芳烴降解〔芳香環羥化雙加氧酶(RHD)基因系統。

　　如銅綠假單胞菌CGMCC1.860具有rhl QS系統，其產生的HHL(己酰基-L-高絲氨酸內酯)和BHL(丁�；�-L-高絲氨酸內酯)參與調控苯酚降解。進一步研究發現，CGMCC1.860 rhl QS系統正調控nahH〔編碼兒茶酚2，3-雙加氧酶(C23O)的基因和nahR(轉錄激活因子)，促進鄰二苯酚間位裂解途徑及芳香烴生物降解。銅綠假單胞菌PAO的LasI-和RhlI-控制3OC12-HSL和C4-HSL產生，其信號受體為LuxR-(LasR、RhlR、QscR)，LuxR同源依賴型AHLs(C10-HSL)控制ant操縱子的轉錄激活子，ant操縱子編碼鄰氨基苯甲酸鹽降解成三羧酸循環中間體的酶，AHLs影響污染物降解和能量代謝。

　　此外，新鞘氨醇桿菌ERW19含novR1/novI1和novR2/novI2 QS系統，其依賴這兩個QS系統激活微囊藻毒素(MC)降解基因(mlrA)轉錄從而正調控MC降解。

　　4.2調控EPS成分促進有機物降解

　　群體感應信號分子通過調控EPS產生間接促進有機污染物降解(見表 2)，即信號分子調控EPS的組分(胞外蛋白、胞外多糖、鼠李糖脂等)變化促進污染物降解。

　　表 2 調控有機污染物去除和EPS合成的AHLs基因情況

　　(1)促進生物膜形成和PS/PN合成。與懸浮細胞相比，生物膜中的微生物可抵抗外界有毒化學環境、pH波動等的不利影響，共享群體感應和代謝產物，因此加速了有機物降解。

　　Xi Tang等運用代謝組學發現厭氧氨氧化中AHLs主要通過增加Ala(丙氨酸)、Val(纈氨酸)、Glu(谷氨酸)、Asp(天冬氨酸)和Leu(亮氨酸)等氨基酸含量來促進細胞外蛋白的生成，從而促進生物膜/EPS的合成以強化十六烷、硝基苯、甲苯等有機物的去除。Yue Gu等向乳酸菌(Lactobacillus plantarum)中添加不同濃度的AI-2促進了EPS產生。這是因為lamC(編碼多糖水解酶基因)編碼的蛋白質可水解各種多糖，對β-(1，3)-和β-(1，6)-連接的葡聚糖底物表現出酶活性，而對β-(1，4)-連接的葡聚糖和木聚糖底物表現出內生酶活性，ftsH(編碼膜蛋白降解酶基因)相關的FtsH蛋白普遍存在于膜上，可降解膜蛋白;AI-2可抑制lamC和ftsH的基因表達以促進EPS產生與生物膜的形成。

　　(2)促進蛋白酶表達。水解酶在水解復雜有機質和營養物礦化方面起重要作用，如Pantoea ana-natis B9產生的6種AHLs(C4-HSL、3OC6-HSL、C6-HSL、C10-HSL、C12-HSL和C14-HSL)均可增強胞外水解酶(堿性磷酸酶)的活性;菊歐文氏菌(Erwinia chrysanthemi)具有ExpI/ExpR群感系統，其產生的3OC6-HSL可控制蛋白酶合成;嗜水氣單胞菌具有AhyI/AhyR系統，其產生的C4-HSL可控制絲氨酸蛋白酶和金屬蛋白酶生產。

　　(3)促進表面活性劑合成。表面活性劑是促進細菌吸附、吸收和跨膜運輸有機物的關鍵物質，而AHLs可通過影響細胞表面活性、疏水性和乳化活性提高生物吸附和降解性能。如銅綠假單胞菌可通過產生胞外鼠李糖脂(糖脂)增加疏水性化合物的利用率，強化制藥、食品、油污等行業的生物修復。

　　當外源C4-HSL存在時，銅綠假單胞菌N6P6細胞表面疏水性為51.33%(無AHLs的空白組比例為35.33%)，菲的降解率提升到93.3%(而空白組僅為85.6%)。銅綠假單胞菌調節該鼠李糖脂合成的主要QS系統是las、rhl和pqs系統，具體調控過程為：首先，RhlI合成酶產生信號分子C4-HSL;之后，C4-HSL與RhlR結合，激活rhlAB(鼠李糖脂合成酶)基因轉錄，從而在細菌穩定生長階段啟動鼠李糖脂的生物合成。

　　此外，QS調節有機物降解過程和機理具有菌種特異性和復雜性。如群體感應菌Novosphingobium pentaromativorans US6-1具有novI/novR-QS系統，novI/novR突變后，大多數PAH降解酶(初始酶RHD、4-羥基苯甲酸酯-3-單加氧酶和水楊醛脫氫酶)基因豐度上調，但EPS產量下調，菲去除率上升。

　　總體來講，AHLs調控EPS產生促進污染物降解的作用機理仍不完善，目前僅限于了解AHLs是通過促進鼠李糖脂、胞外酶的產生而促進了污染物降解，但EPS其他組分是否及如何參與污染物生物降解仍不清晰。未來有待采用分子生物學技術(基因組學、蛋白組學、糖組學、代謝組學)進一步揭示EPS的具體組分(氨基酸、單糖)及其功能，為廢水生物處理中AHL調控有機污染物降解提供理論指導。

　　4.3調控微生物運動與趨化

　　QS可調節細菌運動性，此功能為降解污染物或利用細菌進行生物修復提供了更快的方法。如rhlI可調節銅綠假單胞菌的集群運動，QS基因qsmR可調控Burkholderia glumae鞭毛方向基因的表達，E. coli K-12表現出趨向AI-2的趨化運動。張祥武在研究大腸桿菌密度感應調節子C(Quorum sen-sing E.coli regulator C，QseC)在生物材料植入感染中的作用時發現，大腸桿菌QseC可以通過調控細菌的運動性調節細菌生物膜形成。當細胞感覺到載體表面，QS基因rhl開始表達調控產生EPS和表面活性劑，以促進PAH溶解和進入細胞，并通過鞭毛控制微生物趨化，形成生物膜和加速PAH降解。

　　4.4調控微生物水平基因轉移

　　細菌群落間經常發生水平基因轉移(HGT)或細菌間遺傳物質橫向轉移，而群體感應可通過兩種方式HGT調控有機物降解：

　　(1)當質粒和轉座子上攜帶編碼降解外源污染物的分解代謝基因時，細胞通過QS調控DNA釋放和轉化以強化污染物降解。QS基因rhl對生物膜中基因轉移起重要作用，rhlR負責胞外DNA釋放，并和comX相互作用，comX則負責細胞對細胞外DNA的吸收和轉化。

　　(2)AHLs位于可移動遺傳元件(Mobile genetic elements，MGE)，如質粒、細胞外DNA、噬菌體等。其相關基因本身可在不同細菌間轉移、交流，加速HGT，增強生物膜群落中的生物降解，生物膜中細胞質粒染色體轉化效率比游離態細胞的轉化率高10~600倍。

　　4.5調控優化微生物生長及群落結構

　　4.5.1 純菌體系

　　純菌體系中QS系統受控于外界環境條件、外源有機物或其中間代謝產物，對污染物降解基因表達進行正調控或負調控。外源有機污染物脅迫時，細胞生存最大化策略優先于代謝策略，具體調控方式為：

　　(1)能量代謝調控。銅綠假單胞菌具有降解多種有機化合物(如聯苯、原油和多環芳烴)的能力，其具有lasI/lasR和rhlI/rhlR群感系統，其中，依賴Rhl的QS可控制許多芳香烴的分解代謝基因表達。

　　在銅綠假單胞菌中，色氨酸降解過程中生成鄰氨基苯甲酸，其可通過喹諾酮(PQS)生物合成途徑直接激活假單胞菌喹諾酮信號，或通過ant-cat途徑轉移至能量產生。另據報道，氧化應激誘導劑百草枯(農藥、有機污染物)暴露下，大腸桿菌可增加還原型輔酶Ⅱ(NADPH)產量，同時減少還原型輔酶Ⅰ(NADH)的產生。

　　(2)下調代謝基因轉錄。群感菌RshUS6-1的rsh基因雖然負調控多環芳烴降解相關的基因表達，但可促進細菌適應環境壓力和提升其生存能力，因此間接提高細菌降解多環芳烴的效率。

　　(3)猝滅信號分子。分解代謝途徑的某些酶或中間代謝物表現為群體猝滅劑，可猝滅信號分子及抑制群體感應。如芳烴降解過程中，Hod環裂解酶可以裂解PQS。

　　(4)全局調控。如BkdR為支鏈酮酸脫氫酶的轉錄激活劑，控制碳水化合物分解代謝酶，影響綠膿素合成，調節喹諾酮信號(PQS)QS系統，通過自溶作用釋放細胞外DNA，芳香化合物脅迫下，全局調節子crc可通過BkdR抑制細胞內碳水化合物分解。

　　4.5.2 復雜群落體系

　　復雜系統中往往涉及細胞間的相互作用。由于微生物群落結構和功能對AHLs很敏感，可以通過調控QS優化群落結構，共享新陳代謝途徑和優化能量產生和消耗，促進外源有機污染物的生物降解和礦化。

　　極少數情況下，單一細菌在外界環境壓力下可以進化獲得降解污染物的所有代謝途徑，如假單胞菌Pseudomonas ADP持有降解阿特拉津的所有基因。

　　混合種群中，QS可以使某個種群對其他種群更有優勢，即與帶有競爭關系和防御機制的細菌共存時，有QS的細菌可以使競爭性細菌停止或者緩慢生長。

　　如向好氧顆粒污泥中外源添加由多種QS純菌中提取的AHLs混合液可誘導更多AHLs釋放，促進氣單胞菌屬(Aeromonas)和假單胞菌屬(Pseudomonas)富集，提高污染物去除效果。

　　A. Valle等通過向活性污泥中外源添加AHLs(3O-C6-HSL和C6-HSL)加速了苯酚降解，且研究表明索氏菌屬(Thauera)的優勢功能(苯酚組)被卡瑪單胞菌屬(Comomonas)(苯酚+AHLs組)取代，即AHLs介導了微生物群落變化。

　　未來如何尋找或組裝更快礦化外源有機物的群體感應菌株組合，防止有毒中間產物的積累需要進一步研究。

　　05

　　展望

　　隨著現代組學等分析手段的應用，有機污染物胞外降解及調控機理研究得到進一步拓展。但由于EPS組成成分和空間結構復雜，且含有不可溶解物質，未來EPS分析方法及其生理學功能仍有待完善。

　　此外，有機物降解過程中的化學趨化、轉錄調控和群體感應調控機理仍有待深入研究。未來研究趨勢總結如下：

　　(1)識別EPS與有機污染物作用的關鍵組分，通過控制外界因素或生物作用來調節此類關鍵組分，提升EPS去除有機物的效率;采用模式化合物模擬EPS成分，構建有機物代謝模型，并采用真實的廢水處理系統驗證其有效性。

　　(2)關注QS對微生物去除污染物的調控機理，采用基因組學、轉錄組學、代謝組學等發掘QS調控EPS合成的基因及具體組分，同時結合光譜技術檢測調控后EPS與污染物之間的作用基團的變化，為精準QS調控廢水生物處理中有機污染物降解提供有效途徑。

　　(3)研究復雜系統中應用QS調控污染物降解的群落構建機理。復雜系統中群落組成的變化和質粒的水平轉移，QS菌、QQ菌和不產生不響應信號分子的菌互相交流，致使其污染物去除機制更復雜，如何尋找或組裝更快礦化外源有機物的群體感應菌株組合，防止有毒中間產物的積累仍有待進一步研究，其將對實際廢水處理中有機物的去除具有重要意義。

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