有机废物处理 本发明涉及通过加入至少一种细胞信号化学剂在细胞水平改变污水中微生物群活性的方法。
污水的分解是一个有全球重要意义的问题。逐渐增长的都市化趋势是造成局部地区污水集中的一个因素。
污水处理工厂通常位于远离人口聚集区。随着逐渐扩张的城市化，污水在到达污水处理厂进行加工处理前的距离和在污水集水系统中滞留的时间增加了。长时间滞留和高温随着污水变腐在污水集水系统中产生主要问题。腐败的污水是恶臭的并且在污水处理厂(STP)很难加工处理。这部分地是由于高水平的硫化物抑制了与污水分解有关的正常微生物活性所致。这导致了未被充分消化因而含有较高的有机组分的废水。这样的废水是潜在的健康和环境污染公害。
腐败的污水产生讨厌的臭气，例如与硫化氢气体(臭鸡蛋气)及其它恶臭的气体物质相关的臭气。这些臭气不仅是令人讨厌，而且在特定的浓度时是有毒的。到达STP的污水中的高水平溶解地硫化物(例如HS或H2S)必须被氧化成硫酸盐(例如SO4或H2SO4)，增加了氧化所需的能量。高水平溶解的硫化物也抑制好氧和厌氧的甲烷形成细菌的污水消化，因此可能抑制了污水分解过程的重要成分，而这可能导致大量的污泥。
在例如污水集水系统的环境中，硫还原细菌微生物活性形成硫化氢气体(反应式1和2)。
(2)
另一组细菌可能接着将硫化物转化成硫酸盐，因此产生硫酸(反应式3)
在污水集水系统网络和污水处理厂中，硫酸的形成导致主要的腐蚀问题(例如反应式4)。由硫酸导致的腐蚀是这些网络和工厂中基础结构故障和退化的主要原因。
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化学剂可以用来抑制污水系统中的臭气和腐蚀。其它的化学剂也可用来改善污水的处理。这些化学剂的例子包括用于调控pH的酸或碱、消毒剂、杀虫剂、抗生素、表面活性剂、除臭剂、香味剂、鳌合剂、氧化物和氧气。
一些化学处理有赖于发生化学反应减少臭气、腐蚀或者微生物的活性，而其它化学制品可用来杀死细菌或特定细菌群。作为选择地可以添加营养物来改善特定细菌群的环境，以便它们能够竞争过不太期望的细菌。化学缓冲剂用来改善污水处理，而除臭剂遮盖、吸收或者与臭气反应。
总的来说，抑制臭气和/或腐蚀需要加入大量的化学剂，许多制剂提高了污水中的盐水平。氧或氧化物可用来刺激好氧细菌、兼性厌氧菌和其它好氧微生物，因而竞争超过使用相同食物来源的硫还原细菌。
需要简单和有效的污水处理方法来减少或防止上文概括的困难。
已知许多自然存在的化学剂调节特别的微生物的行为或它们与群体中其它微生物的通讯。这些化学剂被称为细胞信号化学剂(CellSignalling Chemical)(CSC)。CSC是可扩散的信号分子，通过微生物细胞表面或胞内受体调节基因表达而起作用。CSC不是杀菌剂或抗生素，并且不导致细菌的细胞溶解。类似地，CSC不是可被添加用以克服可调节微生物数量的营养缺陷的营养添加物。
已知特定浓度的CSC在原核细胞中产生一系列反应，例如自身调节、缓慢生长或休眠微生物的刺激、阈值敏感(quorum sensing)、毒力、游动、生物膜形成、繁殖的增加或降低以及代谢活性的增加或降低。CSC和用于微生物控制的其它化学剂的根本区别在于CSC在细胞水平上通过通讯信号操纵微生物的反应。这些CSC是在特定信号强度时负责开放或关闭特定基因表达。CSC既不杀死细菌，它们也不提供必需营养物来提高或减少特定微生物的反应。CSC上调(加快)或下调(减慢)，减少或破坏细菌之间的通讯信号。这种下调甚至可能迫使细菌从生物膜状态恢复到浮游生物(单细胞或自由浮动表型)的状态。相反，CSC可能上调(加强)微生物的通讯信号。这种增强的信号强度能够用于使浮游的细菌增加它们的繁殖和代谢速率，因而开发可用的食物资源。增强的信号强度(CSC)也可以使浮游的细菌增殖、附到表面、形成小菌落、阈值敏感以及形成成熟的生物膜。
如果特定信号及其强度不能被维持，那么特定种类的细菌对特定CSC的反应及其信号强度是短暂的。在特定基因表达的维持中，信号强度和信号类型都是重要的。如果特定信号和信号强度不能被维持，被刺激的基因通常在数分钟到数小时不等的时间内将恢复到非刺激状态。CSC在环境中快速分解，因而必须持续产生特定信号浓度来引起特定微生物的反应。
不同微生物在不同化学细胞信号强度时对不同细胞信号化学剂反应。例如，革兰氏阴性细菌对N-酰基高丝氨酸内酯反应，而革兰氏阳性细菌对特定肽信息素，通常是通过双组分信号转导系统对组氨酸激酶反应。以前在一系列实验室试验中已经观察到了CSC的作用，并且已经在海洋环境中将它们用于抑制生物膜的形成。这些试验和使用已经被描述在Keleerebezem M，Quandri LEN，Kuipers OP abd deVos WM.“Quorumsensing by peptide pheromones and two-componentsignal-transduction system in Gram-positive bacteria”MolecularMicrobiology，1997，Vol 24 No.5，pp 895-904；deNys R，Rice S，Manefield M，Kjelleberg S，等“Cross talk in bacterialextracellular signals”Microbial Biosystems：New Frontiers.Proceedings of the 8th International Symposium on MicrobialEcology.Bell CR，Brylinsky，Johnson-Green P(ed).，AtlanticCanada Society for Microbial Ecology，Halifax，Canada 1999；Lazazzera BA，Grossman AD “The ins and outs of peptidessignalling”Trends Microbiol.，1998 Jul：6(7)：288-94；Salmond GP，Bycroft BW，Stewart GS，Williams P “The bacterial‘enigma’：cracking the code of cell to cell communication”MolMicrobiol.，1996 Feb；19(3)：649；Buchenauer H.“Biologicalcontrol of soil-bourne diseases by rhizobacteria”Zeitschrift-fuer-Pfanzenkrankheiten und Pflanzenschultz，July，1998；105(4)329-384；Kazlauskas R，Murphy P T，Quinn R J.WellsR J “A new class of halogenated lactones from the red algaeDelisea fimbriata(Bonnemaisoniaceae)”(1977)Tet.Lett.1：37-40；Antifouling Compositions，Steinberg等美国专利号6060046，2000年5月9日。
本发明涉及使用CSC操纵、介导或调节污水、污水集水环境或STP中细菌种或群之间的通讯信号。这增强或破坏细菌彼此之间的正常通讯途径。使用这种技术，使游动、阈值敏感和生物膜形成的细胞信号可能被破坏。这种破坏可能使细菌恢复浮游状态并且大量下调它们的活性。作为选择地，可使用其它信号或信号强度引发或加强导致复苏、游动、增加的代谢活性和繁殖速率、阈值敏感和生物膜形成的细胞信号。有利的是，可以使用非常少量的CSC引起预期的反应。
在一个实施方案中，本发明提供污水处理的方法，包括：向污水底物中加入至少一种细胞信号化学剂，其中至少一种细胞信号化学剂调节污水底物中至少一种微生物群的活性。
微生物群的活性可以通过控制细胞内或细胞间的信号化学剂水平操纵群体中单一微生物而被改变或被调节。或者，微生物群的活性可以通过控制培养基中细胞间信号化学剂的水平操纵微生物菌落或群体而被改变或者被调节。可以通过CSC操纵的特定微生物活性包括细胞到细胞的通讯、阈值敏感、游动、细菌的游动性、与多细胞生物体的共生关系、细胞代谢速率、代谢物的生产、细胞分裂和结合、细胞复苏、生物膜群落的形成、进入静止或休眠期、与细胞密度一致的不连续的和多样的代谢过程、生物发光以及抗生素、表面活性剂和酶的生产。
术语“细胞信号化学剂”(CSC)指能够通过原核细胞内或细胞之间的细胞内或细胞外信号操纵特定微生物群行为的化学剂。在特定CSC强度，特定种类的微生物通过基因表达在细胞内水平对信号反应。这些信号通常用于帮助特定种类的微生物最大限度地利用资源。不同的CSC也可能模拟、阻断、抑制或干扰特定微生物或微生物群之间的通讯信号。例如，细胞信号化学剂可能通过结合到细胞表面受体，并抑制或阻断其它CSC，从而改变群体中微生物之间的通讯而发生作用。这种CSC通常减少特定微生物或群体的反应并降低它们利用资源的能力。CSC也通过介导微生物之间的通讯(cross talk)负责调节微生物的活性。通讯似乎在减轻饥饿和稳定期反应中以及在休眠或静止细菌的复苏中很重要。
如本文所用的术语“上调”指以足够的信号强度使用至少一种CSC，使至少一种微生物的微生物活性增加(细菌的代谢速率和繁殖速率之一或两者都增加)，特别微生物功能的协同导致在表面可能形成附着层、可能形成小菌落、可能的阈值敏感和成熟生物膜的形成。
如本文所用的术语“下调”指以足够的信号强度使用至少一种CSC，使微生物活性降低(细菌的代谢速率和繁殖率之一或两者都减少)，可能破坏和分散细菌在表面形成的微生物附着层、可能至少破坏和分散一些种类细菌形成的小菌落、至少一些种类细菌阈值敏感降低以及至少一些种类细菌形成生物膜的降低。在许多情况中，下调将意味着生物膜复合物的破坏，特别细菌或细菌种类回到浮游状态，然而仍然存活和可培养。下调可能由于信号强度降低、受到信号或原有信号的干扰、或细菌上信号受体位点的竞争所致。
如本文所用的术语“通讯(cross talk)”指被一系列CSC信号和/或信号强度诱导的微生物的反应。不同的信息素和呋喃酮(furanone)信号和/或信号强度被用来在菌群(同种)或群落(不同种)的特别成员之间传导信号或破坏信号。通讯在加强或干扰竞争细菌的通讯网络中是非常重要的。通讯增强或减少细菌的上调或下调，因而加强或减少微生物群或群落利用资源的能力。通讯在防止细菌进入饥饿或稳定期和在细菌的复苏中也很重要。
它特别可在污水处理中，用于改变微生物群的活性，刺激分解有机废物的微生物，抑制或下调产生有毒和恶臭气，例如硫化物、温室气体例如沼气或腐蚀性副产品例如硫酸的微生物的活性。它也可在特定场所，例如在污水集水管道中，用于抑制形成支持硫还原细菌生物膜的微生物群。
特定的CSC，控制信息素，例如呋喃酮和抗微生物肽，当以特定浓度应用到污水集水时，可以用于下调细菌游动并在不引进诸如使细菌细胞裂解的杀虫剂产品的情况下防止随后的生物膜形成。呋喃酮和抗微生物肽可以用于使细菌分离、脱落或仍处于浮游生物的(单细胞)状态。这在控制与硫还原细菌和其它臭气形成细菌有关的臭气中特别重要。在浮游生物的状态中，硫还原细菌产生的硫化物将仅仅是它们在生物膜状态中能够产生硫化物水平的大约千分之一。
到达STP工作端(the head of work)的高水平溶解的硫化物干扰了污水处理。通过使用CSC使污水集水中产生的硫化物减到最少，意味着仅仅非常低水平的硫化物将到达STP并且这些硫化物将不会对污水处理过程有显著不利的影响。集水中的低水平硫化物将使通常与恶臭污水相关的高水平腐蚀最小化。
特定的CSC，刺激信息素，例如N-酰基高丝氨酸内酯肽和特定的组氨酸蛋白激酶信息素在污水的处理中特别有用。在特定的剂量比率，它们与其它物质一起被用于上调或刺激好氧细菌和厌氧细菌之一或两者的代谢速率和繁殖速率，因而促进污水的分解。通过控制微生物群，诸如好氧和厌氧分解的水平甚至沼气(一种温室气体)产生的水平等因素能够被控制。
CSC典型地包括细菌的信息素、真核生物激素和可扩散的通讯分子或它们的衍生物。CSC可以是自然存在的或者可能是合成的。细菌信息素包括诸如N-酰基高丝氨酸内酯(AHL)、信息素肽包括组氨酸蛋白激酶、N-乙酰化、C-酰胺化的D-氨基酸六肽、包括D-异亮氨酸、D-酪氨酸和D-异亮氨酸的D-氨基肽、环状二肽、疏水性酪胺(tryamines)、脂肽生物表面活性剂、脂肪酸衍生物、抗微生物肽和呋喃酮，例如卤代、羟基化或烷基呋喃酮的化合物。CSC也可以是真核生物激素，包括生长素，例如吲哚-3乙酸、细胞分裂素、或具有细胞分裂素活性的细胞因子例如6(γγ-二甲基烯丙基胺)嘌呤、玉米素(zeatin)和6-苄氨基-嘌呤、乙烯气、赤霉素和脱落酸。可扩散的通讯分子是从植物、动物、藻类或微生物来源获得的并且具有细胞信号功能，或这些化合物的合成衍生物。其它有用的CSC化合物是罗丹明123和3-羟基棕榈酸甲酯。在本发明中有用的呋喃酮包括4-乙酸基-2，5-二甲基-3(2H)-呋喃酮、4-羟基-5-甲基-3(2H)-呋喃酮、4-羟基-2，5，-二甲基-3(2H)-呋喃酮、4-羟基-2-乙基-5-甲基-3(2H)-呋喃酮、4-羟基-5-乙基-2-甲基-3(2H)-呋喃酮、4-羟基-5-甲基-3(2H)-呋喃酮、4-甲氧基-2，5-二甲基-3(2H)-呋喃酮、4-乙氧基-2，5，-二甲基-3(2H)-呋喃酮、4-丁酰氧基-2，5，-二甲基-2(3H)-呋喃酮、4-羟基-2，5-二甲基-3(2H)-呋喃酮、(S)-(+)-5-羟甲基-2(5H)-呋喃酮、(R)-二氢-3-羟基-2(3H)-呋喃酮、(S)-二氢-3-羟基-2(3H)-呋喃酮、(R)-二氢-4-羟基-2(3H)-呋喃酮、(R)-二氢-5-(羟甲基)-2(3H)-呋喃酮、3-氯-4(溴氯甲基)-5-羟基-2(5H)-呋喃酮、3-氯-4-(二溴甲基)-5-羟基-2(5H)-呋喃酮、3-溴-4-(二溴甲基)5-羟基-2(5H)-呋喃酮、3-氯-4-(二氯甲基)-5-羟-2(5H)-呋喃酮和3-氯-4-(二氯甲基)-2(5H)-呋喃酮。乙酰高丝氨酸内酯(AHL)包括N-(3-氧代己酰基)-L-高丝氨酸内酯(OHHL)、N-丁酰基-L-高丝氨酸内酯(BHL)、N-己酰基-L-高丝氨酸内酯(HHL)、丁酰高丝氨酸内酯、羟基丁酰基高丝氨酸内酯、辛酰基高丝氨酸内酯、3-氧代辛酰基高丝氨酸内酯、3R-羟基-7-顺-十四烯酰基-高丝氨酸内酯和3-氧化癸烷酰基(3-oxododecanoyl)高丝氨酸内酯。适宜的组氨酸蛋白激酶包括HPK 1a、HPK 1ai、HPK 1b、HPK 1c、HPK 2a、HPK 2b、HPK 2c、HPK3a、HPK 3b、HPK 3c、HPK 3d、HPK 3e、HPK 3f、HPK 3g、HPK 3h、HPK3i、HPK 4、HPK 5、HPK 6、HPK 7、HPK 8、HPK 9、HPK 10和HPK 11族。
信息素是由一种特定的原核生物分泌的小分子并且被它们在其中传导特定行为信号的相同物种的另一个体接受。在特定的信号强度(化学浓度)时，细菌可能游动、阈值敏感以及形成生物膜。相反地，如果信号强度减小，细菌可能分离、脱落并且恢复它们的浮游生物的状态。信息素是上调或下调微生物反应的正信号。
对比之下呋喃酮是信号阻断剂。即，与信息素竞争同一个信号位点或以其它方式阻断信息素信号的物质。在特定的信号强度时，呋喃酮能够防止至少一种细菌形成菌落或者它能通过中断细菌之间正常的信息素通讯使菌落死亡。
有许多信息素和呋喃酮信号而且细菌之间的通讯似乎是普遍的。信息素在领域标志中很重要，用特定的信息素信号以特定的强度在细菌种类中引起特定的反应，从而使一个物种为了环境生态位(niche)而竞争过另一个物种。低信号强度时的呋喃酮在缓和饥饿和稳定期有作用，可能通过阻断传递细菌进入饥饿或稳定期的信息素信号。
可以通过本发明的方法操纵的微生物群包括革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌、蓝细菌、自养细菌(光合的和化能自养的)、异养细菌和固氮细菌。本发明也可用于操纵好氧菌、兼性厌氧和厌氧菌群；而且特别可用于操纵产生包括硫化氢(通过硫和硫酸盐还原细菌产生)恶臭气体的细菌群以及将硫化物转变成硫酸的细菌群。本发明还可用于操纵氨形成、亚硝酸盐形成、硝酸盐形成、反硝化和甲烷形成细菌群。
在本发明的一个实施方案中，通过加入至少一种CSC，革兰氏阴性细菌的活性被增强或被抑制。以特定的剂量比率向污水底物中加入至少一种CSC，例如N-乙酰高丝氨酸内酯，调节、增强、抑制和/或维持包括阈值敏感、游动和生物膜产生的特定微生物活性的功能水平。相反，可以以特定剂量比率向污水底物中加入至少一种其它CSC，例如卤代呋喃酮，下调诸如游动和生物膜附着的功能。特定剂量比率的特定呋喃酮用于干扰种间的通讯，这样导致生物膜的散布、脱落和维持细菌在其浮游生物状态。
在本发明的另一个实施方案中，通过加入至少一种CSC，革兰氏阳性细菌的活性被增强或被抑制。在这个实施方案中，至少一种特定的CSC是活化双组分信号转导系统的组氨酸蛋白激酶受体的肽信息素。至少一种CSC的特定剂量比率用于上调或下调、增强或减少、引发和/或维持微生物活性的特定功能水平，例如游动、阈值敏感和生物膜产生。其它的CSC，例如抑制双组分信号转导途径组氨酸蛋白激酶反应调节剂的抗微生物肽和呋喃酮，以特定的剂量比率用于破坏信息素肽信号因而下调游动和生物膜附着的效果。这样的肽包括N-乙酰化的D-氨基酸六肽。特定的呋喃酮以特定的剂量比率干扰种间的通讯因而使导致生物膜的散布、脱落和维持细菌在它们浮游生物状态。
在本发明的另一个方面。至少一种CSC可能影响组氨酸激酶蛋白受体(信号接受者)或反应调节蛋白的结构域，控制调节结构域的磷酸化或去磷酸化。磷酸化反应刺激或抑制特定基因的转录。然而，磷酸化反应是短暂的，反应调节蛋白在例如几秒和几小时之间不等的时间内恢复到非刺激状态。为了维持所需的状态，重要的是维持至少一种CSC在足够信号强度以获得所需的信号反应。
在本发明的另一个方面，至少一种CSC可能下调swrA基因并且由此减少游动所需的脂蛋白生物表面活性剂的产生。
在本发明的另一个方面，至少一种CSC可以是可能通过与AHL竞争细菌的结合位点干扰酰基高丝氨酸内酯(AHL)的环二肽。
在另一个方面，至少一种CSC可能是以非生长抑制浓度应用的呋喃酮，它将使胁迫抗性、衰老或由碳饥饿引起的可培养能力缺乏的影响最小化或消除。至少一种CSC也可能含有与呋喃酮结合使用以避免由碳饥饿或其它胁迫引发的可培养能力的丧失的上清液。
在另一个方面，可以在混合培养物的游动期间加入至少一种呋喃酮(CSC)干扰种间的通讯。这将减少分化型游动细胞的表面转运所必需的serrawettin W2的生产。
在另一个方面，至少一种CSC能够用于控制胞外酶产生和/或Harpin Ecc产生，或者控制负责转录后调控的基因，因此控制表型或表型表达的变化。
而在本发明的另一个方面，至少一种CSC用于控制特定微生物的基因表达。有一批不同的基因表达，可以通过使用特定的CSC和或信号强度而被增强或减少。这些包括但不限于发光、毒素、抗生素、酶和表面活性剂的产生。微生物生产的酶和微生物生产的表面活性剂，或这些产品的缺乏在污水运输或消化中起重要的作用。毒素和抗生素是更多的区域标志，因而也在特定种类微生物的优势中起作用。因此通过使用至少一种CSC控制基因表达，微生物优势以及通过这种优势生产的产品被改变并且由此改变污水消化率。
在另一个方面，至少一种CSC能够用于干扰负责3-氧化癸酰基HSL和/或丁酰HSL的形成和/或信号强度的基因。至少一些微生物生产的3-氧十二烷酰基HSL(一种CSC)在调节使生物膜粘附到至少一些表面所需多糖的生产中非常重要。丁酰HSL在至少一些微生物中导致在生物膜形成中所需多糖的生产。由此3-氧化癸酰基HSL和/或丁酰HSL对于至少一些微生物在生物膜的形成和/或附着中起重要的作用。干扰这些信号或信号强度在使生物膜附着和/或生物膜的形成最小化中非常重要。
在另一个方面，至少一种CSC可以是细菌信息素的模拟物或者它可能引发由细菌信息素引起的基因反应。即，当以特定浓度应用到培养基中时，该模拟物将提供引起与细菌信息素相同反应的细胞外信号。
在另一个方面，至少一种CSC可以是细菌呋喃酮的模拟物。当以特定浓度应用到污水中时，该模拟物将提供引起与污水中细菌呋喃酮相同反应的细胞外信号。
在另一个方面，至少一种CSC的浓度(信号强度)在引起特定基因表达的特定受体蛋白的激活中将是关键性的因素。
污水包括碳质的和含氮的废物。碳质的废物包括含有碳和氢原子的化合物和可能包括其它原子，例如氧、氮、硫和磷的化合物。含氨的废物包括含有氮原子和其它原子，如氢、碳和氧的化合物。含氮的废物包括尿素、尿酸、氨、硝酸盐和亚硝酸盐。污水包括多种不同微生物群，包括好氧菌、兼性厌氧菌和厌氧菌。
污水的组成依赖被排放到污水集水网络中物质而变化。此外，在污水集水网络中污水的流速是变化的，而这决定污水集水网络中污水停留的时间。例如，在夜晚，进入污水集水网络的污水量低，流速趋于缓慢。在白天，更多的污水进入污水集水网络，并且其成分可能有变化，因为工业废物同人类废物一样可能被排放到网络中。而且，因为更大量的废物被排放到污水集水网络中，污水的流速也提高。
所需CSC的剂量水平将依赖于污水底物的量、流速、生化需氧量(BOD)/化学需氧量(COD)负荷和细菌成分。污水底物的细菌成分可以使用标准平板计数测定细菌种类或类型。所需CSC的剂量水平可以通过评估细菌成分、量和流速来测定，因此剂量水平可能在例如一个24小时的处理期间发生变化。
典型地，CSC可以以1纳克/升或千克污水至1克/升或千克污水的剂量水平加入到污水底物中。呋喃酮在2.5μg/m2到25g/m2的范围内能有效地防止污水集水管道中生物膜的形成或粘附。
可以向污水底物中加入一种或多种CSC。特定信号强度或浓度的单一CSC可能改变污水底物中单一微生物群(表型表达)的行为，或者它可能独立地改变污水底物中一种以上微生物群(表型表达)的行为。作为选择地，可以向污水底物中加入可能共同改变单一微生物群，或可能独立地改变污水底物中一种以上微生物群行为的CSC混合物。可以加入一种CSC混合物，使得第二种CSC增补或补充第一种CSC的活性。例如，通过增强反应或防止可能使微生物细胞对第一种CSC活性脱敏的反馈抑制。
作为选择地，可以向集水中的污水中加入呋喃酮和抗微生物肽(CSC)防止游动和通过生物膜的表面菌落形成。在将它们应用于维持细菌处于浮游生物状态时，这些CSC可能是特定的或者是通用的。特定浓度(信号强度)的另外的特定CSC可以被加到污水中用于介导饥饿和稳定期反应。污水在污水集水管道中运输期间，这种不同细菌信号(CSC)和CSC信号强度之间的通讯能够被维持。当污水到达STP的工作端，依在STP的设计要求，可用不同的信号或信号强度改变微生物群，以致迅速加速好氧菌或厌氧菌的污水消化(分解)。
有利地是，至少一种CSC可以以包括支持或增强污水底物中所需微生物生长的生长促进介质的组合物加入到污水底物中导致分解率提高。这些生长促进介质可能含有碳水化合物、蛋白质物质、氨基酸、脂肪和油、维生素和矿物质。然而必须承认CSC是微生物活性的主要调节剂。生长介质补充物仅仅消除了生长限制因子的不足。
含有CSC的组合物也可以含有与分解过程中有毒的或不期望的副产品反应，从而使它们成为无毒或更期望产品的化学剂，用于增补或补充CSC的效果。例如，可以加入将调解脂肪酸或其它有害化合物效应，或调整pH和使介质多少适合特定细菌菌落或种类的化合物。作为选择地，CSC可以与氧或氧化物一起加入到污水底物中。CSC刺激好氧细菌的生长和代谢速率，而提供的氧消除了作为生长限制因子的氧的不足。
可以向分离的污水底物中加入至少一种CSC或含有至少一种CSC的组合物。作为选择地，可以将它们在沿污水集水网络中特定点、在污水处理厂加入，或可以加入到污水流出水中。至少一种CSC或含有至少一种CSC的组合物可以一团(bolus)的形式加入，或者可以通过简单的滴注或者泵系统连续地或间断地加入。至少一种CSC或含有至少一种CSC的组合物可以是喷雾或滴剂形式并且可以通过喷射或滴注到污水的表面添加到污水中。在加入至少一种CSC或含有至少一种CSC组合物的时候，可以是通过将CSC与底物混合的方法帮助至少一种CSC分散到整个污水底物中。也可以是检测加到有机废物底物中CSC浓度用于保证维持预期浓度的方法，如果浓度下降低于所需水平时可以加入更多的CSC，或者如果浓度升高超过所需水平可以暂停添加CSC。本领域技术人员将能够确定向底物中加入CSC或含有它们的组合物的适当的方法和量。
至少一种CSC或含有至少一种CSC的组合物可以是液体、溶液、粉末、颗粒、小球或气体的形式。含有至少一种CSC的组合物也可以含有其它合适的载体或助剂。该组合物也可以含有诸如分散剂、粘合剂、润湿剂和其它表面活性剂、填料这样的组分或者其它补充和增补CSC活性的组分。有利的是，CSC通常通过蠕动泵加到网络集水的污水中，然而，CSC也可以以能使CSC在一定时间内释放进入底物的缓慢释放的小球或颗粒的形式加入。作为选择地它们可以以气体或溶解成液体状态的形式加到系统中。
在本发明一个优选的方面，提供了污水底物的处理方法，包括：向污水底物中加入至少一种细胞信号化学剂(CSC)，其中至少一种CSC增强污水底物中好氧、厌氧或兼性厌氧微生物群的活性。
本发明的这个方面在上调微生物活性和由此提高污水处理厂中污水分解率中特别有用。这也可用于促进休眠的、非生长的或缓慢生长的帮助污水分解的微生物的复苏。这些过程可以通过加入以含有生长促进介质组合物形式的细胞信号化学剂被进一步增强，其中生长促进介质矫正通过限制CSC的效应影响特定微生物群的可能的营养失衡。
而在本发明另一个优选的方面，提供一种减少污水集水网络中微生物活性的方法，包括：向污水集水网络中加入至少一种细胞信号化学剂(CSC)，其中向污水集水网络中加入至少一种CSC以下调污水底物中好氧、兼性厌氧和厌氧微生物的活性。
本发明的这个方面在减少污水集水网络中污水的分解和在向污水处理厂提供更新鲜的污水中特别有用。到达污水处理厂的新鲜污水，允许按照污水处理厂的工程设计标准使污水需氧分解最优化。
在本发明另一个优选的方面，提供一种减少污水处理系统中臭气的方法，包括：向污水处理系统中加入至少一种细胞信号化学剂(CSC)，其中至少一种细胞信号化学剂抑制(下调)产臭气微生物的活性或提高(上调)污水处理系统中其它微生物群的活性，以致其它微生物群竞争超过使用相同食物来源的产臭气微生物。
如本文所用的术语“污水处理系统”指污水集水网络和污水处理厂。
本发明的这个方面在减少分解污水中恶臭硫化物气体，特别是通过硫或硫酸盐还原细菌的活性产生的硫化氢气体中特别有用。这些气体可能在污水集水网络中或在污水处理厂中产生。其它微生物群的活性可能被提高，因而允许这些微生物竞争超过使用相同食物来源的硫还原细菌。
向污水集水网络中加入至少一种CSC可以下调硫还原微生物群的行为，使它们从生物膜中分离或者可能使生物膜的分离导致细菌恢复它们的浮游生物状态、防止游动或阈值敏感、抑制它们的繁殖和/或减少它们的代谢速率。以浮游生物形式的硫或硫酸盐还原细菌产生的硫化物仅仅约是它们以生物膜形式时所产量的千分之一。作为选择地，至少一种CSC可能通过刺激游动、阈值敏感、提高它们的繁殖和/或代谢速率上调所需微生物的行为，使它们竞争超过使用相同食物来源的硫还原细菌。
在本发明另一个优选的方面，提供一种减少或防止污水处理系统腐蚀的方法，包括：向污水处理系统中加入至少一种细胞信号化学剂，其中至少一种细胞信号化学剂抑制将硫化氢转化成硫酸氢(硫酸)的微生物的活性。
CSC可能抑制溶解的硫化物和硫化氢气体的产生，从而消除了微生物的食物来源，或者可能破坏硫酸产生细菌之间的通讯信号由此下调这些细菌，从而减少硫酸的产生量。
本发明的这个方面在防止污水集水网络和污水处理厂的腐蚀中特别有用。
而在本发明进一步的优选方面，提供一种抑制在污水集水网络中形成或维持生物膜的方法，包括：向污水集水网络中加入至少一种细胞信号化学剂，其中至少一种细胞信号化学剂抑制微生物群中的游动和阈值敏感。
如本文所用的术语“阈值敏感(quorum sensing)”指通讯水平，即细菌之间决定细菌是否仍然处于浮游生物状态、游动、形成菌落或形成生物膜的信号类型和信号强度。更具体地，当达到阈值时，细菌的表型表达将随它们从单个细胞状态变成菌落或多细胞状态而发生改变。当大量细菌进行细胞间通讯，调节多个靶基因的转录与细胞密度一致时发生阈值敏感。在自然条件下，阈值敏感是通过一个或多个信息素的产生而被介导的，并且信号强度是决定是否存在阈值的关键性因素，并且通过介导菌落的基因表达改变浮游细菌的行为。
如本文所用的术语“生物膜”指当细菌形成集落时通常在物体表面形成的粘液。特别关心的是：
-在污泥中导致膨胀的生物膜
-在污水集水管道壁上形成的生物膜和在污水集水管道中沉积物上形成的生物膜
在污泥中形成丝状膨胀的生物膜复合物，降低了活性污泥的处理能力和沉降能力。本发明的这个方面在降低/防止污泥的丝状膨胀以及提高污水处理和污泥消化中有用。CSC可以用于控制在污泥中导致膨胀的丝状细菌群的形成和/或维持。
由于CSC破坏细菌形成粘附到底物上的粘附层和形成生物膜的能力，或者CSC防止形成生物膜所必需的多糖的形成，因而CSC可以加到污水底物中防止生物膜的产生和/或附着到表面。由于它防止粘附和/或生物膜形成必需多糖的产生，因此使用呋喃酮阻断N-酰基高丝氨酸内酯，如3-氧代-癸酰基高丝氨酸内酯和丁酰高丝氨酸内酯或其混合物是本发明特别有用的方面。
在表面形成的生物膜可能含有硫还原细菌作为生物膜复合物结构的一部分。由于CSC防止恶臭气、硫化氢和其它恶臭气体在污水集水网络中的形成，因此使用CSC消除生物膜或从生物膜中消除硫还原细菌是本发明的一个重要方面。
当形成生物膜时，微生物使用一种很复杂的细胞内通讯信号(CSC)系统。由于通讯信号或信号强度没有被维持，破坏细胞内通讯信号(CSC)能够防止生物膜的形成或分散生物膜。在有机废物污水集水中防止或分散含有厌氧硫还原细菌的特定生物膜，有助于控制硫还原微生物，因而控制在污水集水和污水处理厂中的臭气。在到达污水处理厂的流入的污水中，溶解的硫化物水平的降低也提高了污水处理厂的污水处理。
而在本发明另一个优选的方面，提供一种提高污水处理厂中污水微生物消化的方法，包括：向污水处理厂或在污水集水网络中的污水加入至少一种细胞信号化学剂(CSC)，其中至少一种细胞信号化学剂(CSC)提高好氧和兼性厌氧细菌的活性。
当污水到达污水处理厂时，本发明的这个方面在处理污水中特别有用。有利地是，好氧和兼性厌氧细菌的活性、繁殖和/或代谢速率的增加有助于污水的微生物消化，改善污水流出水的质量以及减少污泥量。在本发明的这个方面中特别有用的是AHL、信息素肽、N-乙酰化，C-酰胺化的D-氨基酸六肽、包括D-异亮氨基和或/D-酪氨酸的D-氨基酸、环状二肽、疏水性的酪胺，脂肽生物表面活性剂、脂肪酸衍生物、抗微生物肽以及呋喃酮。特别优选的CSC是AHL。
而在本发明另一个优选的方面，提供一种在污水处理厂控制沼气产生的方法，包括：向在污水集水网络或污水处理厂中的污水底物加入至少一种细胞信号化学剂(CSC)，其中至少一种细胞信号化学剂(CSC)提高或抑制厌氧菌和甲烷形成细菌的活性。
本发明的这个方面在控制沼气产生中特别有用。由于沼气是一种“温室气”，因此这是合乎需要的。更好的控制沼气的产生可以便于沼气的收集以及通过这种气体的燃烧将其转化成二氧化碳和水。
而在本发明另一个优选的方面，提供一种控制导致污水底物中含氮化合物的氧化或还原作用的细菌的方法，包括：向污水底物中加入至少一种细胞信号化学剂(CSC)，其中至少一种CSC调节氨产生细菌、亚硝酸盐产生细菌、硝酸盐产生细菌或反硝化细菌的活性。
特定的CSC或CSC的组合物和/或特定的CSC信号强度能够用于上调或下调导致污水的氨化作用、硝化作用和反硝化作用的细菌。本发明的这个方面在控制一系列空气和水的环境污染物中特别有用。N-酰基高丝氨酸内酯，如3-氧代-癸酰基高丝氨酸内酯和丁酰高丝氨酸内酯或其混合物在本发明这个方面的上调中特别有用，而卤化的呋喃酮、羟基化的呋喃酮以及烷基呋喃酮在本发明这个方面的下调中特别有用。
而在本发明另一个优选的方面，提供一种提高污水污泥消化的方法，包括：向污水底物中加入至少一种细胞信号化学剂(CSC)，其中至少一种细胞信号化学剂提高好氧或厌氧细菌的活性。
本发明的这个方面在提高污水污泥的好氧或厌氧非硫还原细菌的消化率，由此减少污泥量和臭气中特别有用。
在本发明的另一个方面提供一种复苏污水底物中休眠微生物或者处于饥饿或稳定期微生物的方法，包括：向污水底物中加入至少一种细胞信号化学剂(CSC)，其中至少一种细胞信号化学剂(CSC)刺激处于休眠、饥饿或静止微生物的活性。
本发明的这个方面使存在于污水中但是无活性的所需微生物复苏。污水对于微生物经常是有毒的和危险的环境。大量有毒的家庭的和工业的化学制品倒入污水管。这些有毒的化学制品经常对微生物具有不利的影响，使它们成为芽孢形式或单纯地下调到休眠或稳定期。使用CSC能够上调和复苏有益微生物这在改善污水处理中通常是非常重要的。
污水的长距离运输能够导致污水中碳饥饿，再次使细菌下调到休眠或稳定期，或芽孢形式。在一个阶段使用CSC，通过下调细菌缓和碳饥饿，接着在另一个阶段使用CSC上调和/或复苏在污水集水或污水处理厂中的细菌是非常重要的。本发明的这个方面在缓和碳饥饿胁迫的效应和差的污水处理中是非常重要的。在本发明的这个方面特别优选的有用的CSC是呋喃酮。
在整个本说明书中，除非是上下文需要，用语“包含”或该用语的变形“包括”和“含”应理解为指包含所阐述的整体或步骤或整体或步骤构成的组，但不排除其它整体或步骤或整体或步骤构成的组。
附图描述
图1图解表示污水样品中好氧微生物对CSC的混合物biosol 1的反应，其中微生物数通过标准平板计数测定。
图2图解表示污水样品中厌氧微生物对CSC的混合物biosol 1的反应，其中微生物数通过标准平板计数测定。
图3图解表示污水样品中硫还原微生物对CSC的混合物biosol 2的反应，其中微生物数通过标准平板计数测定。
图4图解表示污水样品中好氧微生物对表1中所列不同CSC的反应，其中样品已经通过气。
图5图解表示污水样品中厌氧微生物对表1中所列不同CSC的反应，其中样品已经通过气。
图6图解表示污水样品中硫还原微生物对表1中所列不同CSC的反应，其中样品已经通过气。
图7图解表示污水样品中好氧微生物对表1中所列不同CSC的反应，其中样品没有通过气。
图8图解表示污水样品中厌氧微生物对表1中所列不同CSC的反应，其中样品没有通过气。
图9图解表示污水样品中硫还原微生物对表1中所列不同CSC的反应，其中样品没有通过气。
图10图解表示在观察到生物膜脱落和减少的期间，污水样品中溶解的硫化物的平均量。
实施例
实施例1
用于检验各种CSC剂量比率效果的方法学
该方法学依赖于完全确定的用于标准平板(异养的)微生物计数的NATA标准步骤(澳大利亚，英国或美国标准)。进行平板计数的是：
○好氧菌
○包括兼性厌氧菌的厌氧菌和
○硫还原细菌
取样步骤依赖采取预先确定的污水样品。污水样品接着被分成800毫升的小例样(Sub-sample)。这些小例样中的一个保持原样作为对照，用于检验的CSC以特定的量(一般是纳克到毫克/升)加到其它相同的小例样中。
每个800毫升的污水小例样接着被彻底振荡保证污水与加入的CSC混合。对照的小例样也以相同的方式振荡相同的时间保证小例样之间的一致性。
每个小例样接着被倒出分成称为A、B、C和D的4个相同的200毫升样品。
来自每个重复的A样品接着进行用于标准平板计数的NATA标准步骤。
如果检验好氧微生物的反应，那么通过空气泵将一小股但稳定的气流注入样品的底部并且使空气通过污水混合物冒出来给B、C和D样品通气，每四小时两分钟。
如果检验厌氧的反应，每个200毫升的B、C和D样品用密封帽密封防止进一步的空气进入样品。
24小时后，来自每个重复的B样品接着以与A样品相同的方式进行用于标准平板计数的NATA标准步骤。
48小时后，来自每个重复的C样品接着以与A样品相同的方式进行用于标准平板计数的NATA标准步骤。
72小时后，来自每个重复的D样品接着以与A样品相同的方式进行用于标准平板计数的NATA标准步骤。
实施例2
使用实施例1中概括的步骤，将CSC混合物(Biosol 1或2)加入到污水样品中。称为Biosol 1和Biosol 2的混合物指示用从小污水处理厂工作端采集的相对新鲜的污水样品能够获得什么。结果显示在图1到3中。
Biosol 1组成是：
0.05mg/L N-(3-氧代己酰)-L-高丝氨酸内酯
0.05mg/L 3-氧化癸酰基高丝氨酸内酯
0.005mg/L N-丁酰基-L-高丝氨酸内酯
0.01mg/L玉米素(Zeatin)
0.08mg/L 6(γγ-二甲基烯丙基氨基)嘌呤
0.08mg/L 6-苄氨基-嘌呤
0.1mg/L 3-羟基棕榈酸甲酯
0.1g/L Delisea pulchra提取物(一种已知的呋喃酮的来源)
半个1000毫克多种维生素胶囊的内容物
1g酵母提取物
0.1g海藻粉(作为矿物质)(Durvillea potatorun)
用去离子水将混合物配成1升。这种混合物以4mg/L污水比率加入。
Biosol 2组成是：
0.005mg罗丹明
2g/L Delisea pulchra提取物(一种已知的呋喃酮的来源)
0.005mg/L N-丁酰基-L-高丝氨酸内酯
半个1000毫克多种维生素胶囊的内容物
1g酵母提取物
0.1g海藻粉(作为矿物质)(Durvillea potatorun)
用去离子水将混合物配成1升。这种混合物以4mg/L污水比率加入。
图1显示CSC混合物(Biosol 1)开始抑制好氧微生物的活性，然后微生物数量的大量增加，用菌落形成单位数表示。对照显示微生物活性开始迅速反应，但是接着不能对可用食物来源发生反应。
图2显示CSC混合物(Biosol 1)导致原始污水中厌氧微生物群迅速增加。
图3显示在Biosol 2中的CSC混合物使硫还原细菌菌落形成单位减少。尽管对照开始显示硫还原细菌减少，但是硫还原细菌在培养28小时后数量增加。
实施例3
使用实施例1中概括的步骤，体外以特定剂量比率向污水样品中加入特定CSC。每个样品含有下面表1中所列不同的CSC，并且每个样品被分成3个小例样。第一个小例样在4小时内铺平板，通过标准平板计数分析好氧、厌氧和硫还原细菌。第二个和第三个小例样每4小时通一次气并且分别在24小时和76小时如小例样1一样进行分析。通过从每个分析的污水样品中计数菌落形成单位测定好氧、厌氧和硫还原细菌的菌群密度。
结果显示在图4-6中。结果显示与对照相比，以不同剂量比率应用到污水样品中的不同的CSC能够显著地改变微生物群生长率。
表1组加入的CSC加入的量1无CSC-对照-2酰基高丝氨酸内酯0.5mg/L3玉米素6(γγ-二甲基烯丙基氨基)嘌呤6-苄氨基-嘌呤吲哚-3-乙酸配成1升0.1mg/L0.1mg/L0.1mg/L0.1mg/L4细胞分裂素1mg/L5罗丹明12350ng/L
实施例4
重复实施例3的试验，但是样品不通气。结果显示在图7到9中。
实施例5
将Biosol 2形式的CSC以4ppm比率加入到污水集水的组分中。24小时内硫化氢气体的读数减半而且污水中溶解的硫化物的水平同期降低48％。
实施例6
将Biosol 1以4ppm的比率加入到处理腐败的高有机负荷的小污水处理厂的集水中。它使好氧室内溶解氧的水平从不到1ppm增加到大约7ppm。它减少污泥量52％，而且污水中悬浮的固体减少80％。
实施例5和6的结果与从体外试验中预测的结果一致。
实施例7
使用蠕动泵将蒸馏水中的卤代呋喃酮混合物(1g/L)以大约0.5mg/L的比率加到在含有已建立生物膜基质的小重力污水管中流动的污水中。一个月之后管道壁上的生物膜显著减少并且管道的光秃块很明显。卤代呋喃酮混合物使生物膜从污水管道壁上脱落并且影响生物膜的形成。
实施例8
卤代呋喃酮、羟基化呋喃酮和烷基呋喃酮(1g/L)和AHL(1g/L)等量混合物在蒸馏水中混合，并且使用蠕动泵以大约每升在含有已建立生物膜基质的小重力污水管中流动的污水4ml混合物的比率加入到污水中。一个月之后管道壁上的生物膜显著减少并且管道的光秃决也很明显。呋喃酮混合物破坏AHL信号，使生物膜从污水管道壁上脱落并且影响生物膜的形成。
实施例9
Delicia pulchra提取物(从Cape Banks NSW收集，在24小时内冷却和冷冻干燥)是通过维生素化(vitamising)和使用二氯甲烷从Delicia pulchra提取CSC制备。提取物和粗纤维预先在真空中还原。每升水中10g纤维和提取物，接着维生素化保持20分钟，用足够的抗坏血酸降低混合物的pH到3.5。使液体沉淀2小时，收集上清使用。这种已知呋喃酮来源的提取物以大约每升在管道中流动的污水4ml的比率加到污水管中持续4周。4周之后提取物使生物膜从污水管上脱落并且影响生物膜的形成。
实施例7、8和9也被用于测量对溶解的硫化物产量的影响。开始污水中的溶解的硫化物升高随后溶解的硫化物的水平下降。溶解的硫化物开始升高归因于脱落的生物膜中高水平的溶解的硫化物。溶解的硫化物产量减少归因于生物膜的减少和生物膜微生物基质的改变。见表2和图10。
表2天试验7、8和9的平均结果％ 1 18 2 21 3 17 4 22 5 23 6 19 7 14 8 16 9 11 10 13 11 9 12 10 13 10 14 7 15 4 16 6 17 4 18 5 19 4 20 3 21 1 22 3 23 1 24 2 25 2 26 1 27 1 28 1
实施例10
将卤代呋喃酮混合物(1g/L)加入到每升提取物Delicia pulchra中。通过泵站将这种混合物以大约4mg/升的比率加入到在小压力污水总管道中流动的泵抽污水中。这种压力总管道含有已建立的生物膜基质。当从压力总管道离开时污水是厌氧的，当流进重力总管道时变得非常臭。气体据信主要由硫化氢组成，但是存在其它恶臭气体如硫醇、吲哚和粪臭素。在加入上面的混合物之前，在压力总管的末端硫化氢气体的水平平均180ppm左右。在加入上面混合物后一周，硫化氢气体的水平已经减少到平均47ppm。加入混合物一个月后，硫化氢水平已经减少到平均4ppm。尽管不是特别地检验，硫醇、吲哚和粪臭素类臭气显著缺乏。
将一种“OdaLog”(0-1000ppm硫化氢)气体记录仪悬挂在压力总管末端的进人孔中2小时，24小时测量硫化氢气体水平。从这些数据中计算硫化氢气体水平的平均减少量。
实施例11
将卤代呋喃酮混合物(1g/L)加入到每升Delicia pulchra提取物中。将这种混合物以大约4mg/升的比率加入到在含有已建立生物膜基质的污水管中流动的污水中。管道含有的污水是腐败的，但是当污水顷入湿泵井时被通气。用二氧化氮气体数据记录仪从上午5点40分到上午9点持续4天测量在管道末端被释放进泵井室内的NO2。尽管二氧化氮的水平与向污水样品中加入上面混合物的预期不同，但是平均减少大约70％。
表3
时间(上午) 没加混合物的 加混合物的 NO2产生的百分
NO2ppm(对照) NO2ppm 率变化
5.40 19.69 7.50 38％
6.00 11.79 3.75 32％
6.20 17.50 10.63 61％
6.40 32.77 16.88 51％
7.00 30.89 17.77 58％
7.20 14.29 9.82 69％
7.40 11.96 0.00 100％
8.00 16.96 0.89 95％
8.20 20.45 1.79 91％
8.40 25.89 0.00 100％
9.00 17.41 0.00 100％
实施例12
将在实施例11中使用的相同的混合物喷到有臭味的男士小便池上或周围。在一小时内臭味被消除。这表明尿素不能被转化成陈旧小便池周围主要臭味源的氨。