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MBR膜生物污染的生物控制方法
发布时间：2017-09-14 点击次数：次
随着水资源再利用需求的日益增加，膜生物反应器（MBR）因其具有出水水质优质稳定、剩余污泥少、占地面积小、运行控制灵活等优点，被广泛应用于国内外的水处理领域。但是，膜生物污染是MBR 使用过程中面临的瓶颈问题，制约其进一步的广泛应用。
膜生物污染是由于细菌、原生动物、藻类等微生物附着在膜表面进行生长繁殖，分泌胞外聚合物（EPS），形成生物膜而造成的。生物膜的形成是一个复杂的过程，在整个过程中不断发生着微生物与膜、微生物之间的物理化学反应。生物膜的形成主要经历以下5 个过程[1]：1）微生物在膜表面的可逆粘附；2）微生物在膜表面的不可逆粘附；3）膜表面逐渐形成微生物群落；4） 微生物群落逐渐成熟；5）附着的部分微生物重新脱离生物膜回到溶液中，生物的附着与脱附达到动态平衡。
生物膜主要由微生物和它们分泌的EPS 构成。在大多数生物膜中，EPS 所占的比重一般高于生物膜总干重的90%，其余为微生物。形成生物膜的微生物可以是单种，也可以是多种。而EPS 则主要由多糖、蛋白质、核酸和脂质等构成。EPS 对生物膜的形成、发展和成熟发挥了非常重要的作用。EPS 能够使微生物紧密结合在膜的表面，并为微生物提供营养物质。同时，EPS 也能够抵御水流冲刷和抗生物试剂，起到保护微生物的作用。因此，只有破坏EPS才能更好地控制膜的生物污染。
膜生物污染的危害主要表现在：减小膜的有效孔径，减少膜的透水通量，增加膜装置的运行能耗。此外，膜的生物污染还会造成膜的生物降解，一旦膜污染达到一定程度以后，膜将难以再次使用，需要对膜进行更换，最终导致膜装置运行成本的提高。基于膜生物污染的危害性，如何有效地控制膜的生物污染受到了国内外研究学者的广泛关注。目前，已有一些方法被广泛应用于生产实际。这些方法包括膜前预处理、化学清洗和膜改性。它们都是通过物理化学的手段控制膜生物污染。虽然这些方法都已经得到普遍应用，但都还存在一定的缺陷。如形成对人体有毒的副产物（三卤甲烷(THMs)、卤乙酸(HAAs)），只能短时间内抑制生物膜形成，破坏膜材料表面结构，工艺复杂、价格昂贵等。
1、膜生物污染生物控制方法研究现状
膜生物污染物理化学控制方法虽然已经被广泛用于生产实际，但是这些方法都存在着一些缺陷，这促使研究者们寻找更好的方法来解决膜的生物污染问题。膜的生物污染主要是微生物粘附在膜表面而引发的。因此，生物控制策略得到人们的关注。生物控制方法主要包括酶降解、群体感应抑制法、能量解耦法、一氧化氮诱导法、噬菌体法和D-氨基酸法。
这些方法都是利用了微生物自身的生长代谢特性，通过人为添加某种物质来控制膜生物污染的新型方法。下面对这些方法进行分别介绍。
1.1 酶降解法
酶是由活细胞产生的生物催化剂。不同的酶能够催化不同的化学反应。正如前面所说，生物膜主要由微生物和EPS组成，而EPS和微生物细胞壁能够被特定的酶所降解。因此，运用酶来控制膜的生物污染成为可能。
EPS主要由蛋白质、多糖和DNA构成。蛋白酶、多糖酶和脱氧核糖核酸酶分别能够降解此三种物质。因此，酶降解EPS是通过破坏蛋白质、多糖、脂质分子间的化学键，从而削弱EPS的物理强度来实现的。例如，枯草孢芽杆菌蛋白酶能够引发肽链上丝氨酸残基活性位置的亲核取代反应，从而使肽链发生断裂，EPS 解体。将枯草孢芽杆菌蛋白酶用于控制生物膜的形成。将枯草杆菌蛋白酶加入基质时，细菌的附着率降低了99.5%，将其加入至已形成的生物膜中时，87%的生物膜得到降解。同时，实验还发现，抑制生物膜形成所需的枯草杆菌蛋白酶的量是破坏已形成生物膜的1/38。由此可见，蛋白酶能够控制生物膜的形成和降解。微生物是生物膜的制造者。细胞壁水解酶，如溶菌酶，能够破坏细菌的细胞壁结构，从而使细菌溶解，可以被用来抑制微生物附着在固体表面和生物膜的形成。将60～240 μg/mL 的溶菌酶添至已形成的念珠菌生物膜中，培养24 h 后发现，添加不同浓度溶菌酶后生物膜的活性从69.6%降至28.2%。酶降解方法已经被应用于控制膜的生物污染。将酶蛋白与碱相结合，设计了一套新的酶清洗流程。实验发现，在20～30 ℃的环境下，与只用碱清洗相比，新的酶清洗方法能够使水的渗透通量完全恢复到污染前的值。将3 种不同的酶清洗剂对膜的清洗效果与含200 mg/L 游离性有效余氯的次氯酸钠做比较。研究发现，这种含有多种混合酶的清洗剂，清洗效果最佳。此外，如果对酶清洗后的膜进一步消毒，则清洗效果更佳。
酶降解方法与其他化学清洗方法相比，具有无毒、环境友好的优点。但是，它的一些缺陷限制了酶降解方法大规模的应用。首先，酶对环境非常敏感，只有当环境因素满足相应酶的最佳条件时，才能达到较高的清洗效果。其次，酶在循环利用的过程中，活性将不断降低。最后，由于酶也是蛋白质的一种，它能够附着在膜的表面，形成有机污染，降低清洗效果。因此，为了获得最佳的酶清洗效果，需要在清洗过程中控制酶的剂量和装置的运行环境。
1.2 群体感应抑制法
群体感应现象是指细菌自发产生、释放一些特定的信号分子，并感知其浓度变化，调节微生物的群体行为现象。当细菌数量低的时候，自身诱导物质（AI）被合成出来，释放至细菌细胞外的环境中。随着细菌数量的不断增加，环境中的自身诱导物质浓度不断增加。当浓度达到阈值时，菌体中相关基因的表达将被激发来适应环境的变化。
到目前为止，根据细菌合成的信号分子和感应机制不同，群体感应（QS）系统基本可分为三个代表性的类型：酰基高丝氨酸内酯（AHL）类分子、寡肽类分子（AIP）、AI-2 信号因子。革兰氏阴性细菌一般利用酰基高丝氨酸内酯（AHL） 类分子作为AI；革兰氏阳性细菌一般利用寡肽类分子（AIP）作为信号因子；许多革兰氏阴性和阳性细菌都可以产生一种AI-2 的信号因子，一般认为AI-2 是一种间细胞交流的通用信号分子。
已有研究表明，群体感应系统能够控制细菌的附着，生物膜的形成和解体。因此通过破坏群体感应系统来控制膜生物污染成为一种可能。目前破坏群体感应系统的方法有3 种：1）阻止酰基高丝氨酸内酯（AHL）信号分子的合成；2）通过阻断剂来替代同源的信号分子，与信号分子受体相结合；3）降低AHL 的活性。
呋喃类物质，作为AHL 信号分子合成的阻断剂，能够抑制AHL 的合成。最近研究表明，2 (5-H)furanones（非全卤化物）能够抑制AHL 的生成，减少RO 膜表面生物膜的形成。天然植物中的某些成分，也能通过抑制AHL 的生成，减少膜的生物污染。香草醛便是其中一种。香草醛是香草豆的提取物，通过代替长链AHL 和短链的AHL，如C4-HSL 和3-Oxo-C8-HSL，与AHL 受体相结合，影响群体感应系统。将香草醛成功应用于抑制嗜水气单胞菌在膜表面生物膜的形成，抑制率达到46.3%。研究了香草醛对固体表面生物膜的降解效果。研究表明，香草醛对已形成24 小时的生物膜几乎没有去除效果。最近的研究表明，MBR 中加入香草醛能够有效控制膜污染，且不影响MBR 中的微生物量和污染物去除效果。
除了减少AHL 的产生，AHL 同系物取代AHL与蛋白质结合，破坏基因正常表达，也可以抑制膜生物污染。自然界的很多生物均能分泌此类物质，如棒曲霉素、青霉素酸 、蒺藜苜蓿、木兰属植物、大蒜、盐盐芽孢杆菌属、链霉菌属等。许多人工合成的AHL 衍生物、大环内酯类抗生素、硝基吡啶也能够与AHL 的蛋白质受体相结合，破坏基因的正常表达。
目前能够降解AHL 的酶主要有酰基高丝氨酸内酯酶和酰基高丝氨酸内酯酰基转移酶。它们分别通过切断AHL 的内酯键和酰胺键来破坏AHL 分子。猪肾酰基转移酶是酰基高丝氨酸内酯酰基转移酶中的一种，已经被许多研究者用来进行控制膜生物污染的研究。发现猪肾酰基转移酶能够有效降解嗜水气单胞菌和恶臭假单胞菌在反渗透膜表面形成生物膜。将猪肾酰基转移酶用于MBR 中膜生物污染的控制。在MBR 中添加此种酶，与未添加的相比，装置的膜渗透压升高速率减慢，膜生物污染得到有效控制。同时，还发现，添加酶并未影响MBR 中微生物的活性。然而，为了维持装置长期有效的抑制效果，通过直接添加酶的方法并非可行。这是由于在装置运行过程中，添加的酶可能会发生失活、附着在膜表面、从渗透液中流失、酶的含量无法满足新增长的微生物量等情况，很难保证此方法长期有效。因此，将猪肾酰基转移酶固定在磁性酶载体上，有效解决了如何保持酶活性和如何回收利用酶的问题，并且达到了很好的抑制膜生物污染和获得良好处理水质的效果。
由于群体感应能够有效影响微生物的行为，因此了解群体感应对污泥特性的影响（沉降性、粘度、疏水性），能够为MBR 膜污染控制提供参考与借鉴。将酰基转移酶固定在海藻酸钠上，用于MBR 膜污染控制。研究发现，酰基转移酶的加入，可以有效减小膜的生物污染，提高膜的渗透通量。研究还发现，酶的加入不仅减小了EPS 的产生，同时增加了污泥的沉降性，降低了污泥的粘度和疏水性。自然界中很多细菌能够分泌降解AHL 的酶，将此类细菌固定在膜上，成为一种控制膜生物污染的策略。将提纯的Rhodococcus sp. BH4加入浸没式MBR 中。研究发现，加入能够有效抑制膜的生物污染。对其进行了进一步的研究。实验显示，MBR 中膜污染程度与微生物距离膜的远近、混合液的循环速度有关。由于微生物的不断繁殖，酶的不断产生，膜的生物污染能够持续得到有效控制。研究的基础上，将Rhodococcussp. BH4 固定在由藻酸盐制成的玻璃珠上（CEBs），投入MBR 中，获得了比前者更好的膜污染控制效果。此方法与Oh、Yeon 的方法相比，更具有可行性，菌种与污水能够进行更充分的接触，同时QSI 酶的活性、量也能得到有效的保证，为后面进一步的研究提供了方法和借鉴。
群体感应抑制法虽然能够在一定程度上控制膜的生物污染，但是它也有其自身的缺陷。降解AHL的酰基高丝氨酸内酯酶和酰基高丝氨酸内酯酰基转移酶的活性受环境影响大，应用过程中需要控制好所需的环境条件。香草醛是一种具有浓烈芳香气味的物质，因此无法应用于水处理领域。除了以上两类物质外，呋喃酮类物质和一些常见的抗生素也能抑制群体感应现象。但是由于这些对人体往往具有毒害作用，且部分化学稳定性不佳，因此也无法应用于水处理领域。
1.3 能量解耦法
能量代谢是微生物新陈代谢中的重要组成部分。能量代谢对维持生命机体的正常运转有着至关重要的作用。根据米切尔的化学渗透假说，在电子传递过程中，伴随着质子从线粒体内膜的里层向外层转移，跨膜的氢离子梯度形成，产生势能驱动力，引发氧化磷酸化反应，合成ATP。然而，能量解耦剂能够通过使氢离子直接绕过转移质子的ATP 酶回到线粒体基质中，降低质子驱动力，从而抑制ATP的合成。目前已发现多种ATP 解耦剂，其中，弱酸是典型的氧化磷酸化解耦剂。
EPS 作为生物膜的重要组成部分，其合成需要ATP 的参与。EPS 主要是由蛋白质、多糖和DNA 构成。3 种物质合成所需消耗能量（ATP 含量）：蛋白质，36.4mmol/g；DNA，18.8mmol/g；多糖，12.6mmol/g。结果表明，在EPS 构成的主要物质中，蛋白质合成所需要的ATP 最多，且是多糖的三倍。对能量解耦剂对胞外多糖和胞外蛋白的影响进行了研究。研究指出，在好氧颗粒污泥中添加能量解耦剂3,3',4',5- 四氯水杨酰苯胺，可以使生物中的胞外蛋白和胞外多糖的含量大大减小，污泥表面的生物膜无法形成。
因此，通过添加能量解耦剂破坏微生物ATP 的合成，控制生物膜的形成成为可能。
目前，能量解耦的方法已经被应用于膜生物污染的抑制和去除。研究了化学解耦剂2,4-二硝基酚对于微生物在尼龙膜和玻璃表面附着的影响。研究结果指出，在微生物培养液中添加了DNP 后，发现尼龙膜表面附着的微生物的数量明显减少。例如，微生物在10 mg/LDNP 中培养1 小时后，尼龙膜表面的附着量与未作任何处理的微生物相比，减少了44.1%。Xu 等人也对DNP 促使膜表面生物膜降解的效果进行了研究。在尼龙膜表面形成生物膜24 小时后，J/J0 为2.6%。如果将此膜浸入磷酸缓冲溶液（PBS）中浸泡2 小时后，J/J0 增加至6.2%，如果浸入DNP-PBS 混合溶液中2 小时，J/J0 值进一步提高至24.3%。由以上实验可知，DNP 不仅可以抑制膜的生物污染，而且可以使形成的生物膜降解。
综上，通过添加能量解耦剂，抑制微生物ATP的合成，能够达到控制膜生物污染的目的。但是，大多数ATP 解耦剂，如DNP、羰基氰化物间氯苯腙、TCS、2,4- 二氯酚、五氯酚、2,4,5- 三氯苯酚、羰氰对三氟甲氧苯腙等，都是芳香族化合物。这些物质具有潜在的毒性，因此限制了此方法的工业大规模应用。
1.4 一氧化氮诱导法
一氧化氮（NO）作为一种生物界普遍存在的气体分子，可以抑制无效细胞的增殖。不仅如此，一氧化氮作为重要的信使分子，也能使生物膜解体。例如，向铜绿假单胞菌的培养液中加入不产生毒性、低浓度的一氧化氮，已形成的生物膜逐渐解体。与群体感应抑制剂相似，NO是通过信号机理抑制细菌的感染。在一氧化氮促使生物膜解体的过程中，环化双鸟苷酸（c-di-GMP）可能扮演着一定的作用。因为环化双鸟苷酸的调控基因及响应系统在微生物中广泛存在，所以NO 能够对大多数微生物造成影响。例如，分别向金黄色葡萄球菌（S.aureus）、表皮葡萄球菌和大肠杆菌的培养液中通入流量为30 pmol/(cm2·s)的NO。实验结果表明，NO 的通入使微生物的附着分别减少96%、48%和88%。此实验说明NO 能够同时有效地对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌造成影响。
目前已有将NO 用于去除膜生物污染的研究。将NO 分别用于降解单种和多种混合菌形成的生物膜。研究表明，在向水中加入多种皮摩尔和纳摩尔数量级的NO 供体后，生物膜平均减
少63%。更重要的是，当低剂量的NO 与抗微生物抑制剂结合起来使用时，生物膜的数量得到最大程度的降低。与单独添加氯相比，将NO 与氯气结合起来添加，其去除生物膜的效率提高了20 倍。另外，如果将100 nM 硝普钠（NO 供体）应用于反渗透膜的预处理中，其对生物膜的抑制效果是采用相同剂量的膜降解效果的两倍。
由此可见，一氧化氮在控制微生物的附着和膜生物污染方面具有潜在的应用价值。然而，由于NO在水中的溶解性低易被氧化的特点，向溶液中直接添加NO 会使控制生物污染的效果不佳。为了克服这个困难，目前已经有很多NO 供体可供选择，如硝普酸钠、林西多明、亚硝酸钠，N- 乙酰基-3- (硫代亚硝基)-DL-缬氨酸等。这意味着运用NO 供体可以有效地替代直接添加NO，达到控制生物污染的目的。例如，用NO 供体，即diazeniumdiolate对干凝胶进行改性。实验发现，改性后的干凝胶能够有效抑制细菌的附着。对三种NO 供体，SNP、6--N-methyl-1-hexanamine、1-L-proline 的抗膜生物污染效果进行了对比研究。MAHMA NONOate 是最佳的NO 变体。低浓度的MAHMA NONOate 不仅能够抑制单种微生物的膜生物污染，还能够抑制多种混合微生物的膜生物污染。将PROLI NONOate应用至MBR，考察其对不同程度的膜生物污染的控制效果。结果表明：NO 供体的添加，能够有效抑制细菌群落形成生物膜。NO 供体添加后，膜表面微生物量是未添加的66.7%，蛋白质是未添加的37.7%，但主要污染物成分并未改变。值得注意的是，通过NO 或者NO 供体控制MBR 膜生物污染的方法目前还只是停留在实验室中试阶段，将其进一步应用于工业生产中还需要对此方法进行深入的研究。
1.5 噬菌体法
噬菌体是自然界中种类最丰富、数量最多的生物群体。噬菌体在各个领域都有着广泛的应用，如农业中植物的保护等。同样，噬菌体也被用于控制膜生物污染。可能是将噬菌体用于超滤膜膜生物污染控制的先驱者。他们的研究表明，噬菌体的加入使膜表面附着的微生物平均减少了40%，同时，MBR 中膜的渗透通量减少、速度减缓、膜污染速度降低。研究还发现，噬菌体在渗透液中的含量仅为1～10 PFU/100 mL，这可能是由于噬菌体透过膜孔或者取样时渗透液被噬菌体污染造成。在反应器中添加噬菌体是一种有效的控制膜生物污染的方法。在溶液中只要存在宿主，噬菌体就能不断发生侵染和复制。当溶液中存在多种污染微生物时，只需将多种混合噬菌体添加入溶液中，便能抑制大量细菌的附着以及生物膜的形成。人向已经污染的MBR 中加入噬菌体，膜通量从原来的15 L/(h·m2)恢复至33 L/(h·m2)，研究为运用噬菌体在减轻膜生物污染方面提供了一种借鉴。但是，由于噬菌体的宿主专一性和待处理水中微生物的丰富性，将此种技术投入大型的废水处理，很难保证噬菌体与处理水中细菌种类相匹配。因此，对于此方法如何能够真正投入广泛应用阶段，还有待在未来进行进一步的探讨和研究。
1.6 D- 氨基酸
正如前面所说，微生物在膜表面的粘附对于生物膜的形成扮演了重要的角色。而细胞的生物特性对微生物的粘附数量有显著影响，如EPS、生长期、细胞壁结构等。其中，细菌的细胞壁构成复杂，蛋白质是其重要组成部分。而氨基酸又是蛋白质的基本组成单位。由于构成微生物的大多数氨基酸都是L 型氨基酸，因此D 型氨基酸的存在以及其在微生物中的作用还没有被人们充分了解，很多研究理论都还在探索发现阶段。目前，D 型氨基酸已经在多种食物、细菌、哺乳动物中被发现。已有研究表明，多种细菌能够产生不同种类的D 型氨基酸。例如，发现霍乱弧菌能够产生毫摩尔浓度的D- 蛋氨酸和D- 亮氨酸，枯草杆菌能够产生D- 酪氨酸和D- 苯丙氨酸。而且，这些D 型氨基酸都主要在细菌的静止期产生。D 型氨基酸能够改变细胞壁肽聚糖的组成，最终减少肽链的合成。的研究进一步指出，D- 酪氨酸、D- 亮氨酸、D- 蛋氨酸及D- 色氨酸这四种氨基酸的单体或者混合物分别在微摩尔和钠摩尔浓度水平下就能够通过取代铜绿假单胞菌和金黄色酿脓葡萄球菌细胞壁中的D- 丙氨酸，达到控制其生物膜形成的目的。而与上面四种D 型氨基酸相对应的L型氨基酸则无法达到抑制生物膜形成和降解生物膜的效果。在以上四种D- 氨基酸中，抑制生物膜的形成所需要的量最小的是D- 酪氨酸，约为3 微摩尔。
如果将四种D- 氨基酸混合，则只需要约10 纳摩尔就能达到相同的效果。对此进行了更进一步的研究，首次将D- 酪氨酸用于控制活性污泥在亲水尼龙膜表面生物膜的形。实验结果表明，D-酪氨酸不仅能够有效抑制活性污泥在亲水尼龙膜表面生物膜的形成，而且能够降解膜表面已经形成的生物膜。同时研究还发现，D- 酪氨酸的添加不会对微生物的生长繁殖、能量代谢以及底物的利用造成影响。
D- 氨基酸作为短链氨基酸的一种，能够被微生物自身利用代谢，具有两性结构，对生物无毒无害的特点。因此，将D- 氨基酸应用于MBR 膜生物污染
的控制，具有潜在的应用前景。
膜生物反应器因其技术自身的优势，越来越受到重视。生物控制方法，是利用微生物在生物膜形成过程中的生物特性，通过人为方式，控制膜表面生物膜的形成。
上述提及的六种方法，具有各自缺陷：1）某些膜降解抑制剂对人体或环境具有毒害作用，难以大规模应用。如群体感应抑制法中呋喃酮类物质和能量解耦剂中的芳香族化合物；2）某些膜降解抑制剂对周围环境条件要求较高，使用范围较小。如酶对环境非常敏感，只有当环境因素满足相应酶的最佳条件时，才能达到较高的降解效果；3）某些膜降解抑制剂成本较高，且回收利用困难，目前难以大规模应用，如一氧化氮、噬菌体等。
探索、优化控制膜生物污染的方法是未来研究的重点。膜生物污染抑制剂的发现，与人类对微生物的认识水平有着密切的联系。将最新的微生物研究成果，应用至膜生物污染的控制，是未来研究的重点之一。
目前的研究主要集中在单种膜生物污染控制剂，因此，总结各种方法控制膜生物污染的机理，探索多种控制剂之间的协同作用，优化改进反应条件，提高膜生物污染控制效果，是下一步的研究方向之一。
目前发现的膜生物污染控制剂，多为自然界存在的天然物质。总结此类物质不同官能团对控制膜生物污染所起的作用，筛选出相应的分子结构，对多种有效官能团进行组合，人工合成具有无毒、稳定性高、经济性好的新膜生物污染抑制剂，也将是未来研究工作的方向之一。
膜生物污染是由于细菌、原生动物、藻类等微生物附着在膜表面进行生长繁殖，分泌胞外聚合物（EPS），形成生物膜而造成的。生物膜的形成是一个复杂的过程，在整个过程中不断发生着微生物与膜、微生物之间的物理化学反应。生物膜的形成主要经历以下5 个过程[1]：1）微生物在膜表面的可逆粘附；2）微生物在膜表面的不可逆粘附；3）膜表面逐渐形成微生物群落；4） 微生物群落逐渐成熟；5）附着的部分微生物重新脱离生物膜回到溶液中，生物的附着与脱附达到动态平衡。
生物膜主要由微生物和它们分泌的EPS 构成。在大多数生物膜中，EPS 所占的比重一般高于生物膜总干重的90%，其余为微生物。形成生物膜的微生物可以是单种，也可以是多种。而EPS 则主要由多糖、蛋白质、核酸和脂质等构成。EPS 对生物膜的形成、发展和成熟发挥了非常重要的作用。EPS 能够使微生物紧密结合在膜的表面，并为微生物提供营养物质。同时，EPS 也能够抵御水流冲刷和抗生物试剂，起到保护微生物的作用。因此，只有破坏EPS才能更好地控制膜的生物污染。
膜生物污染的危害主要表现在：减小膜的有效孔径，减少膜的透水通量，增加膜装置的运行能耗。此外，膜的生物污染还会造成膜的生物降解，一旦膜污染达到一定程度以后，膜将难以再次使用，需要对膜进行更换，最终导致膜装置运行成本的提高。基于膜生物污染的危害性，如何有效地控制膜的生物污染受到了国内外研究学者的广泛关注。目前，已有一些方法被广泛应用于生产实际。这些方法包括膜前预处理、化学清洗和膜改性。它们都是通过物理化学的手段控制膜生物污染。虽然这些方法都已经得到普遍应用，但都还存在一定的缺陷。如形成对人体有毒的副产物（三卤甲烷(THMs)、卤乙酸(HAAs)），只能短时间内抑制生物膜形成，破坏膜材料表面结构，工艺复杂、价格昂贵等。
1、膜生物污染生物控制方法研究现状
膜生物污染物理化学控制方法虽然已经被广泛用于生产实际，但是这些方法都存在着一些缺陷，这促使研究者们寻找更好的方法来解决膜的生物污染问题。膜的生物污染主要是微生物粘附在膜表面而引发的。因此，生物控制策略得到人们的关注。生物控制方法主要包括酶降解、群体感应抑制法、能量解耦法、一氧化氮诱导法、噬菌体法和D-氨基酸法。
这些方法都是利用了微生物自身的生长代谢特性，通过人为添加某种物质来控制膜生物污染的新型方法。下面对这些方法进行分别介绍。
1.1 酶降解法
酶是由活细胞产生的生物催化剂。不同的酶能够催化不同的化学反应。正如前面所说，生物膜主要由微生物和EPS组成，而EPS和微生物细胞壁能够被特定的酶所降解。因此，运用酶来控制膜的生物污染成为可能。
EPS主要由蛋白质、多糖和DNA构成。蛋白酶、多糖酶和脱氧核糖核酸酶分别能够降解此三种物质。因此，酶降解EPS是通过破坏蛋白质、多糖、脂质分子间的化学键，从而削弱EPS的物理强度来实现的。例如，枯草孢芽杆菌蛋白酶能够引发肽链上丝氨酸残基活性位置的亲核取代反应，从而使肽链发生断裂，EPS 解体。将枯草孢芽杆菌蛋白酶用于控制生物膜的形成。将枯草杆菌蛋白酶加入基质时，细菌的附着率降低了99.5%，将其加入至已形成的生物膜中时，87%的生物膜得到降解。同时，实验还发现，抑制生物膜形成所需的枯草杆菌蛋白酶的量是破坏已形成生物膜的1/38。由此可见，蛋白酶能够控制生物膜的形成和降解。微生物是生物膜的制造者。细胞壁水解酶，如溶菌酶，能够破坏细菌的细胞壁结构，从而使细菌溶解，可以被用来抑制微生物附着在固体表面和生物膜的形成。将60～240 μg/mL 的溶菌酶添至已形成的念珠菌生物膜中，培养24 h 后发现，添加不同浓度溶菌酶后生物膜的活性从69.6%降至28.2%。酶降解方法已经被应用于控制膜的生物污染。将酶蛋白与碱相结合，设计了一套新的酶清洗流程。实验发现，在20～30 ℃的环境下，与只用碱清洗相比，新的酶清洗方法能够使水的渗透通量完全恢复到污染前的值。将3 种不同的酶清洗剂对膜的清洗效果与含200 mg/L 游离性有效余氯的次氯酸钠做比较。研究发现，这种含有多种混合酶的清洗剂，清洗效果最佳。此外，如果对酶清洗后的膜进一步消毒，则清洗效果更佳。
酶降解方法与其他化学清洗方法相比，具有无毒、环境友好的优点。但是，它的一些缺陷限制了酶降解方法大规模的应用。首先，酶对环境非常敏感，只有当环境因素满足相应酶的最佳条件时，才能达到较高的清洗效果。其次，酶在循环利用的过程中，活性将不断降低。最后，由于酶也是蛋白质的一种，它能够附着在膜的表面，形成有机污染，降低清洗效果。因此，为了获得最佳的酶清洗效果，需要在清洗过程中控制酶的剂量和装置的运行环境。
1.2 群体感应抑制法
群体感应现象是指细菌自发产生、释放一些特定的信号分子，并感知其浓度变化，调节微生物的群体行为现象。当细菌数量低的时候，自身诱导物质（AI）被合成出来，释放至细菌细胞外的环境中。随着细菌数量的不断增加，环境中的自身诱导物质浓度不断增加。当浓度达到阈值时，菌体中相关基因的表达将被激发来适应环境的变化。
到目前为止，根据细菌合成的信号分子和感应机制不同，群体感应（QS）系统基本可分为三个代表性的类型：酰基高丝氨酸内酯（AHL）类分子、寡肽类分子（AIP）、AI-2 信号因子。革兰氏阴性细菌一般利用酰基高丝氨酸内酯（AHL） 类分子作为AI；革兰氏阳性细菌一般利用寡肽类分子（AIP）作为信号因子；许多革兰氏阴性和阳性细菌都可以产生一种AI-2 的信号因子，一般认为AI-2 是一种间细胞交流的通用信号分子。
已有研究表明，群体感应系统能够控制细菌的附着，生物膜的形成和解体。因此通过破坏群体感应系统来控制膜生物污染成为一种可能。目前破坏群体感应系统的方法有3 种：1）阻止酰基高丝氨酸内酯（AHL）信号分子的合成；2）通过阻断剂来替代同源的信号分子，与信号分子受体相结合；3）降低AHL 的活性。
呋喃类物质，作为AHL 信号分子合成的阻断剂，能够抑制AHL 的合成。最近研究表明，2 (5-H)furanones（非全卤化物）能够抑制AHL 的生成，减少RO 膜表面生物膜的形成。天然植物中的某些成分，也能通过抑制AHL 的生成，减少膜的生物污染。香草醛便是其中一种。香草醛是香草豆的提取物，通过代替长链AHL 和短链的AHL，如C4-HSL 和3-Oxo-C8-HSL，与AHL 受体相结合，影响群体感应系统。将香草醛成功应用于抑制嗜水气单胞菌在膜表面生物膜的形成，抑制率达到46.3%。研究了香草醛对固体表面生物膜的降解效果。研究表明，香草醛对已形成24 小时的生物膜几乎没有去除效果。最近的研究表明，MBR 中加入香草醛能够有效控制膜污染，且不影响MBR 中的微生物量和污染物去除效果。
除了减少AHL 的产生，AHL 同系物取代AHL与蛋白质结合，破坏基因正常表达，也可以抑制膜生物污染。自然界的很多生物均能分泌此类物质，如棒曲霉素、青霉素酸 、蒺藜苜蓿、木兰属植物、大蒜、盐盐芽孢杆菌属、链霉菌属等。许多人工合成的AHL 衍生物、大环内酯类抗生素、硝基吡啶也能够与AHL 的蛋白质受体相结合，破坏基因的正常表达。
目前能够降解AHL 的酶主要有酰基高丝氨酸内酯酶和酰基高丝氨酸内酯酰基转移酶。它们分别通过切断AHL 的内酯键和酰胺键来破坏AHL 分子。猪肾酰基转移酶是酰基高丝氨酸内酯酰基转移酶中的一种，已经被许多研究者用来进行控制膜生物污染的研究。发现猪肾酰基转移酶能够有效降解嗜水气单胞菌和恶臭假单胞菌在反渗透膜表面形成生物膜。将猪肾酰基转移酶用于MBR 中膜生物污染的控制。在MBR 中添加此种酶，与未添加的相比，装置的膜渗透压升高速率减慢，膜生物污染得到有效控制。同时，还发现，添加酶并未影响MBR 中微生物的活性。然而，为了维持装置长期有效的抑制效果，通过直接添加酶的方法并非可行。这是由于在装置运行过程中，添加的酶可能会发生失活、附着在膜表面、从渗透液中流失、酶的含量无法满足新增长的微生物量等情况，很难保证此方法长期有效。因此，将猪肾酰基转移酶固定在磁性酶载体上，有效解决了如何保持酶活性和如何回收利用酶的问题，并且达到了很好的抑制膜生物污染和获得良好处理水质的效果。
由于群体感应能够有效影响微生物的行为，因此了解群体感应对污泥特性的影响（沉降性、粘度、疏水性），能够为MBR 膜污染控制提供参考与借鉴。将酰基转移酶固定在海藻酸钠上，用于MBR 膜污染控制。研究发现，酰基转移酶的加入，可以有效减小膜的生物污染，提高膜的渗透通量。研究还发现，酶的加入不仅减小了EPS 的产生，同时增加了污泥的沉降性，降低了污泥的粘度和疏水性。自然界中很多细菌能够分泌降解AHL 的酶，将此类细菌固定在膜上，成为一种控制膜生物污染的策略。将提纯的Rhodococcus sp. BH4加入浸没式MBR 中。研究发现，加入能够有效抑制膜的生物污染。对其进行了进一步的研究。实验显示，MBR 中膜污染程度与微生物距离膜的远近、混合液的循环速度有关。由于微生物的不断繁殖，酶的不断产生，膜的生物污染能够持续得到有效控制。研究的基础上，将Rhodococcussp. BH4 固定在由藻酸盐制成的玻璃珠上（CEBs），投入MBR 中，获得了比前者更好的膜污染控制效果。此方法与Oh、Yeon 的方法相比，更具有可行性，菌种与污水能够进行更充分的接触，同时QSI 酶的活性、量也能得到有效的保证，为后面进一步的研究提供了方法和借鉴。
群体感应抑制法虽然能够在一定程度上控制膜的生物污染，但是它也有其自身的缺陷。降解AHL的酰基高丝氨酸内酯酶和酰基高丝氨酸内酯酰基转移酶的活性受环境影响大，应用过程中需要控制好所需的环境条件。香草醛是一种具有浓烈芳香气味的物质，因此无法应用于水处理领域。除了以上两类物质外，呋喃酮类物质和一些常见的抗生素也能抑制群体感应现象。但是由于这些对人体往往具有毒害作用，且部分化学稳定性不佳，因此也无法应用于水处理领域。
1.3 能量解耦法
能量代谢是微生物新陈代谢中的重要组成部分。能量代谢对维持生命机体的正常运转有着至关重要的作用。根据米切尔的化学渗透假说，在电子传递过程中，伴随着质子从线粒体内膜的里层向外层转移，跨膜的氢离子梯度形成，产生势能驱动力，引发氧化磷酸化反应，合成ATP。然而，能量解耦剂能够通过使氢离子直接绕过转移质子的ATP 酶回到线粒体基质中，降低质子驱动力，从而抑制ATP的合成。目前已发现多种ATP 解耦剂，其中，弱酸是典型的氧化磷酸化解耦剂。
EPS 作为生物膜的重要组成部分，其合成需要ATP 的参与。EPS 主要是由蛋白质、多糖和DNA 构成。3 种物质合成所需消耗能量（ATP 含量）：蛋白质，36.4mmol/g；DNA，18.8mmol/g；多糖，12.6mmol/g。结果表明，在EPS 构成的主要物质中，蛋白质合成所需要的ATP 最多，且是多糖的三倍。对能量解耦剂对胞外多糖和胞外蛋白的影响进行了研究。研究指出，在好氧颗粒污泥中添加能量解耦剂3,3',4',5- 四氯水杨酰苯胺，可以使生物中的胞外蛋白和胞外多糖的含量大大减小，污泥表面的生物膜无法形成。
因此，通过添加能量解耦剂破坏微生物ATP 的合成，控制生物膜的形成成为可能。
目前，能量解耦的方法已经被应用于膜生物污染的抑制和去除。研究了化学解耦剂2,4-二硝基酚对于微生物在尼龙膜和玻璃表面附着的影响。研究结果指出，在微生物培养液中添加了DNP 后，发现尼龙膜表面附着的微生物的数量明显减少。例如，微生物在10 mg/LDNP 中培养1 小时后，尼龙膜表面的附着量与未作任何处理的微生物相比，减少了44.1%。Xu 等人也对DNP 促使膜表面生物膜降解的效果进行了研究。在尼龙膜表面形成生物膜24 小时后，J/J0 为2.6%。如果将此膜浸入磷酸缓冲溶液（PBS）中浸泡2 小时后，J/J0 增加至6.2%，如果浸入DNP-PBS 混合溶液中2 小时，J/J0 值进一步提高至24.3%。由以上实验可知，DNP 不仅可以抑制膜的生物污染，而且可以使形成的生物膜降解。
综上，通过添加能量解耦剂，抑制微生物ATP的合成，能够达到控制膜生物污染的目的。但是，大多数ATP 解耦剂，如DNP、羰基氰化物间氯苯腙、TCS、2,4- 二氯酚、五氯酚、2,4,5- 三氯苯酚、羰氰对三氟甲氧苯腙等，都是芳香族化合物。这些物质具有潜在的毒性，因此限制了此方法的工业大规模应用。
1.4 一氧化氮诱导法
一氧化氮（NO）作为一种生物界普遍存在的气体分子，可以抑制无效细胞的增殖。不仅如此，一氧化氮作为重要的信使分子，也能使生物膜解体。例如，向铜绿假单胞菌的培养液中加入不产生毒性、低浓度的一氧化氮，已形成的生物膜逐渐解体。与群体感应抑制剂相似，NO是通过信号机理抑制细菌的感染。在一氧化氮促使生物膜解体的过程中，环化双鸟苷酸（c-di-GMP）可能扮演着一定的作用。因为环化双鸟苷酸的调控基因及响应系统在微生物中广泛存在，所以NO 能够对大多数微生物造成影响。例如，分别向金黄色葡萄球菌（S.aureus）、表皮葡萄球菌和大肠杆菌的培养液中通入流量为30 pmol/(cm2·s)的NO。实验结果表明，NO 的通入使微生物的附着分别减少96%、48%和88%。此实验说明NO 能够同时有效地对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌造成影响。
目前已有将NO 用于去除膜生物污染的研究。将NO 分别用于降解单种和多种混合菌形成的生物膜。研究表明，在向水中加入多种皮摩尔和纳摩尔数量级的NO 供体后，生物膜平均减
少63%。更重要的是，当低剂量的NO 与抗微生物抑制剂结合起来使用时，生物膜的数量得到最大程度的降低。与单独添加氯相比，将NO 与氯气结合起来添加，其去除生物膜的效率提高了20 倍。另外，如果将100 nM 硝普钠（NO 供体）应用于反渗透膜的预处理中，其对生物膜的抑制效果是采用相同剂量的膜降解效果的两倍。
由此可见，一氧化氮在控制微生物的附着和膜生物污染方面具有潜在的应用价值。然而，由于NO在水中的溶解性低易被氧化的特点，向溶液中直接添加NO 会使控制生物污染的效果不佳。为了克服这个困难，目前已经有很多NO 供体可供选择，如硝普酸钠、林西多明、亚硝酸钠，N- 乙酰基-3- (硫代亚硝基)-DL-缬氨酸等。这意味着运用NO 供体可以有效地替代直接添加NO，达到控制生物污染的目的。例如，用NO 供体，即diazeniumdiolate对干凝胶进行改性。实验发现，改性后的干凝胶能够有效抑制细菌的附着。对三种NO 供体，SNP、6--N-methyl-1-hexanamine、1-L-proline 的抗膜生物污染效果进行了对比研究。MAHMA NONOate 是最佳的NO 变体。低浓度的MAHMA NONOate 不仅能够抑制单种微生物的膜生物污染，还能够抑制多种混合微生物的膜生物污染。将PROLI NONOate应用至MBR，考察其对不同程度的膜生物污染的控制效果。结果表明：NO 供体的添加，能够有效抑制细菌群落形成生物膜。NO 供体添加后，膜表面微生物量是未添加的66.7%，蛋白质是未添加的37.7%，但主要污染物成分并未改变。值得注意的是，通过NO 或者NO 供体控制MBR 膜生物污染的方法目前还只是停留在实验室中试阶段，将其进一步应用于工业生产中还需要对此方法进行深入的研究。
1.5 噬菌体法
噬菌体是自然界中种类最丰富、数量最多的生物群体。噬菌体在各个领域都有着广泛的应用，如农业中植物的保护等。同样，噬菌体也被用于控制膜生物污染。可能是将噬菌体用于超滤膜膜生物污染控制的先驱者。他们的研究表明，噬菌体的加入使膜表面附着的微生物平均减少了40%，同时，MBR 中膜的渗透通量减少、速度减缓、膜污染速度降低。研究还发现，噬菌体在渗透液中的含量仅为1～10 PFU/100 mL，这可能是由于噬菌体透过膜孔或者取样时渗透液被噬菌体污染造成。在反应器中添加噬菌体是一种有效的控制膜生物污染的方法。在溶液中只要存在宿主，噬菌体就能不断发生侵染和复制。当溶液中存在多种污染微生物时，只需将多种混合噬菌体添加入溶液中，便能抑制大量细菌的附着以及生物膜的形成。人向已经污染的MBR 中加入噬菌体，膜通量从原来的15 L/(h·m2)恢复至33 L/(h·m2)，研究为运用噬菌体在减轻膜生物污染方面提供了一种借鉴。但是，由于噬菌体的宿主专一性和待处理水中微生物的丰富性，将此种技术投入大型的废水处理，很难保证噬菌体与处理水中细菌种类相匹配。因此，对于此方法如何能够真正投入广泛应用阶段，还有待在未来进行进一步的探讨和研究。
1.6 D- 氨基酸
正如前面所说，微生物在膜表面的粘附对于生物膜的形成扮演了重要的角色。而细胞的生物特性对微生物的粘附数量有显著影响，如EPS、生长期、细胞壁结构等。其中，细菌的细胞壁构成复杂，蛋白质是其重要组成部分。而氨基酸又是蛋白质的基本组成单位。由于构成微生物的大多数氨基酸都是L 型氨基酸，因此D 型氨基酸的存在以及其在微生物中的作用还没有被人们充分了解，很多研究理论都还在探索发现阶段。目前，D 型氨基酸已经在多种食物、细菌、哺乳动物中被发现。已有研究表明，多种细菌能够产生不同种类的D 型氨基酸。例如，发现霍乱弧菌能够产生毫摩尔浓度的D- 蛋氨酸和D- 亮氨酸，枯草杆菌能够产生D- 酪氨酸和D- 苯丙氨酸。而且，这些D 型氨基酸都主要在细菌的静止期产生。D 型氨基酸能够改变细胞壁肽聚糖的组成，最终减少肽链的合成。的研究进一步指出，D- 酪氨酸、D- 亮氨酸、D- 蛋氨酸及D- 色氨酸这四种氨基酸的单体或者混合物分别在微摩尔和钠摩尔浓度水平下就能够通过取代铜绿假单胞菌和金黄色酿脓葡萄球菌细胞壁中的D- 丙氨酸，达到控制其生物膜形成的目的。而与上面四种D 型氨基酸相对应的L型氨基酸则无法达到抑制生物膜形成和降解生物膜的效果。在以上四种D- 氨基酸中，抑制生物膜的形成所需要的量最小的是D- 酪氨酸，约为3 微摩尔。
如果将四种D- 氨基酸混合，则只需要约10 纳摩尔就能达到相同的效果。对此进行了更进一步的研究，首次将D- 酪氨酸用于控制活性污泥在亲水尼龙膜表面生物膜的形。实验结果表明，D-酪氨酸不仅能够有效抑制活性污泥在亲水尼龙膜表面生物膜的形成，而且能够降解膜表面已经形成的生物膜。同时研究还发现，D- 酪氨酸的添加不会对微生物的生长繁殖、能量代谢以及底物的利用造成影响。
D- 氨基酸作为短链氨基酸的一种，能够被微生物自身利用代谢，具有两性结构，对生物无毒无害的特点。因此，将D- 氨基酸应用于MBR 膜生物污染
的控制，具有潜在的应用前景。
膜生物反应器因其技术自身的优势，越来越受到重视。生物控制方法，是利用微生物在生物膜形成过程中的生物特性，通过人为方式，控制膜表面生物膜的形成。
上述提及的六种方法，具有各自缺陷：1）某些膜降解抑制剂对人体或环境具有毒害作用，难以大规模应用。如群体感应抑制法中呋喃酮类物质和能量解耦剂中的芳香族化合物；2）某些膜降解抑制剂对周围环境条件要求较高，使用范围较小。如酶对环境非常敏感，只有当环境因素满足相应酶的最佳条件时，才能达到较高的降解效果；3）某些膜降解抑制剂成本较高，且回收利用困难，目前难以大规模应用，如一氧化氮、噬菌体等。
探索、优化控制膜生物污染的方法是未来研究的重点。膜生物污染抑制剂的发现，与人类对微生物的认识水平有着密切的联系。将最新的微生物研究成果，应用至膜生物污染的控制，是未来研究的重点之一。
目前的研究主要集中在单种膜生物污染控制剂，因此，总结各种方法控制膜生物污染的机理，探索多种控制剂之间的协同作用，优化改进反应条件，提高膜生物污染控制效果，是下一步的研究方向之一。
目前发现的膜生物污染控制剂，多为自然界存在的天然物质。总结此类物质不同官能团对控制膜生物污染所起的作用，筛选出相应的分子结构，对多种有效官能团进行组合，人工合成具有无毒、稳定性高、经济性好的新膜生物污染抑制剂，也将是未来研究工作的方向之一。
