Biofouling, a formation of biofilm on the membrane surface, is an inevitable obstacle in membrane processes including forward osmosis (FO) process. After the initial attachment and early stage of growth of bacteria on the membrane surface, quorum sensing (QS) molecules are secreted and promote group behaviours for the formation of thick and matured biofilm. In this study, we investigated the potential application of QS degrading molecules (quorum quencher, QQ) acylase and lysate from bacteria Rhodococcus sp. BH4 for the mitigation of biofouling on FO membrane surfaces for the first time. In a batch experiment, QQ molecules with the concentration of 10mg/L successfully degraded more than 70% of QS molecules such as N-acyl homoserine lactones. From the continuous lab-scale FO tests, with the presence of acylase and BH4 lysate, FO system was operated 30 and 15 % longer with same number of physical cleaning compared to the absence of QQ molecules. This result was contributed by the difference in the structure and adhesion force of the biofilm with the presence and absence of QQ molecules. The amount of exocellular polymeric substances (EPS) per unit biomass was reduced more than 70% in the existence of 10 mg/L of acylase and BH4 lysate. This further correlated with the CLSM images that formation of looser biofilm in the presence of QQ molecules. In addition, surface force apparatus (SFA) revealed that the adhesion force of EPS with the existence of QQ molecules was 70 % weaker than the non-existence of it. In conclusion, the application of QQ molecules makes the adhesion force of EPS weaker and structure of biofilm looser and finally lead to reversible fouling.
바이오파울링은 정삼투 공정(FO)에서 비가역성 오염을 야기한다. 바이오파울링 성장과정에서 미생물은 신호전달물질(AHL)의 분비를 통해 의사소통하며, 이를 쿼럼 센싱(QS)이라 한다. 본 연구에서는 순수한 효소인 acylase와 Rhodococcus sp. BH4의 용해액에 있는 AHL 분해효소(quorum quencher; QQ)를 이용하여 FO에서의 바이오파울링을 저감하였다. QQ 물질의 AHL 분해능을 확인하기 위한 회분식 실험에서 10mg/L의 QQ 물질이 AHL을 70% 이상 분해함을 확인했다. 실험실 규모의 FO 연속 실험에서 P.aeruginosa 종을 사용하여 실험을 진행한 결과 acylase와 BH4 lysate 존재 시에 대조군과 비교하여 각각 30%, 15% 오래 운전가능 함을 확인하였다. 막 표면의 바이오필름의 부착량을 비교한 결과 10mg/L의 QQ 물질 존재 시 체외 고분자물질(EPS)이 대조군에 비해 80% 이상 감소함을 확인했다. 또한 공초점현미경 분석을 통해 바이오 필름의 구조가 QQ 물질 존재 시에 대조군에 비해 더 헐거운 것을 확인할 수 있었다. 더 나아가 EPS 물질의 결합력을 surface force apparatus 기기로 측정한 결과 QQ 물질 존재 시에 EPS 간의 결합력이 대조군과 비교하여 70% 이상 감소함을 확인하였다. 위 연구를 통해 QQ 물질이 EPS 물질의 결합력을 약화시키고, 바이오필름의 구조를 연약하게 만들며, 이는 결과적으로 reversible 한 파울링을 야기한 것을 확인하였다.
