茶渣发酵液激活了N-酰基高丝氨酸内酯介导的群体感应机制，从而增强了Pantoea dispersa MSC14菌对苯并[a]芘的降解能力

《Environmental Research》：Tea residue fermentation liquid activates N-acyl homoserine lactone-mediated quorum sensing to enhance benzo[a]pyrene degradation by Pantoea dispersa MSC14

茶渣发酵液（TRF）通过调节群体感应（QS）系统显著提升苯并[a]芘降解菌Pantoea dispersa MSC14的降解效率达212.6%，促进细胞生长、降低氧化应激，并增强能量代谢及QS相关基因表达。

　　微生物修复多环芳烃（PAHs）是一种重要的环境治理手段，尤其在处理具有高度毒性和稳定性的高分子量PAHs（HMW-PAHs）方面表现出显著潜力。然而，由于污染环境中生存条件受限和营养物质缺乏，这种修复方式常常导致微生物代谢活性下降。因此，寻找能够有效提升微生物代谢能力的方法成为关键。本文研究了一种利用茶渣发酵液（TRF）作为生物刺激剂的方案，探讨了其对一种能够降解苯并[a]芘（BaP）的菌株Pantoea dispersa MSC14的生理影响，包括细胞形态、氧化应激和能量代谢等方面，并特别关注了N-酰基高丝氨酸内酯（AHL）介导的群体感应（QS）系统在BaP降解过程中的作用。

BaP是HMW-PAHs中最具毒性和致癌性的代表，被国际癌症研究机构（IARC）列为人类致癌物，并被美国环境保护署（USEPA）列为16种优先PAHs之一。在毒性等效（TEQ）评估体系中，BaP被作为PAHs的参考化合物，其毒性因子为1.0。由于BaP广泛存在于各种环境介质中，如中国沿海地区的海水（浓度为4.799 μg/L）和英国某地区的土壤（浓度为10 mg/kg），其污染治理成为环境科学中的重要课题。微生物修复因其环境友好性和经济性，在处理BaP污染方面展现出广阔的应用前景。然而，在实际污染环境中，由于不利的生存条件和营养缺乏，参与降解的基因表达常常受到抑制，从而影响微生物的代谢活性。

为了克服这一问题，生物刺激是一种有效的策略，它通过添加营养物质来改善微生物的生存环境。目前报道的生物刺激剂通常通过提供碳源和氮源（如葡萄糖、酵母提取物）、提高污染物的生物可利用性（如生物表面活性剂、糖蛋白）、提供电子供体或受体（如硫化物）、减少氧化应激（如维生素C）或调节信号分子来促进污染物的降解。其中，群体感应（QS）作为一种通过信号分子调控微生物行为的机制，被认为是增强微生物降解能力的重要策略。QS系统使得微生物能够通过分泌和感知信号分子来监测种群密度并协调集体行为。对于革兰氏阴性菌而言，AHL是其常用的信号分子，由LuxI型AHL合成酶合成，并被LuxR型转录因子识别。AHL介导的QS系统在废水处理系统中被广泛报道，其在调控生物膜、胞外聚合物（EPS）、生物表面活性剂分泌、细菌运动和趋化性以及有机污染物降解等方面发挥着重要作用。

尽管QS系统在微生物降解中具有显著效果，但AHL本身存在稳定性差、成本高的问题，直接添加到污染环境中可能会刺激原生微生物分泌AHL降解酶，从而导致群体感应淬灭（quorum quenching），降低其效果。因此，培养能够产生AHL的微生物成为一种替代方案。然而，引入具有AHL生产能力但缺乏降解能力的菌株可能会引发资源竞争、微生物群落结构破坏、生态位位移和基因干扰等问题。因此，开发一种低成本的生物刺激剂，能够促进BaP降解菌株自身产生AHL，成为一种更可行的策略。

当前，利用农业废弃物（如作物残渣、果皮）开发的生物刺激剂在促进植物生长和增强抗逆性方面展现出巨大潜力，其转化过程也被视为一种有效的废弃物处理策略。茶渣作为农业副产品，已被广泛利用。例如，研究发现将干燥的茶渣加入动物饲料中，能够提高其营养价值和抗氧化能力；另一项研究表明茶渣可以改善植物生长基质的理化性质。因此，将茶渣转化为生物刺激剂，不仅有助于减少农业废弃物的产生和积累，还能实现资源的高效利用。

基于此，本研究选用能够降解BaP的菌株Pantoea dispersa MSC14，并利用乌龙茶（半发酵茶）渣制备TRF。研究目标包括：（1）从细胞形态、氧化应激和能量代谢等角度，分析TRF对菌株的生理影响；（2）阐明TRF如何通过QS系统促进BaP的降解。本研究旨在开发一种环保且经济的生物刺激剂，通过调控信号分子促进PAH的降解，为生物刺激剂的进一步发展和工业应用提供理论依据。

在实验过程中，研究者首先制备了TRF，并对其进行了详细的分析。结果表明，当TRF的添加量为10%（体积比）时，其对MSC14降解BaP的刺激效率达到了212.6%。与使用葡萄糖或蛋白胨作为碳或氮源相比，TRF的刺激效率显著更高，分别仅为27.0%和53.0%。这表明TRF作为生物刺激剂在促进BaP降解方面具有明显优势。

TRF对MSC14的生理影响主要体现在以下几个方面：首先，TRF有助于维持细胞形态，促进细胞生长；其次，TRF能够减轻氧化应激，提高细胞的抗氧化能力；第三，TRF显著提升了电子传递系统活性（ETSA）达70.3%，表明其对能量代谢具有积极作用。此外，TRF还提高了Na?/K?-ATPase、Mg2?-ATPase和Ca2?-ATPase的活性，分别达到24.6%、103.2%和194.3%。这些酶的活性提升进一步表明TRF对微生物细胞功能的增强作用。

除了生理层面的影响，TRF还通过调控QS系统来促进BaP的降解。研究发现，在TRF刺激下，菌株的QS系统被激活，从而增强了其对BaP胁迫的响应能力。这种响应能力体现在生物膜、EPS和鼠李糖脂的协同增加上，进一步提升了BaP的降解效率。此外，通过基因组分析和RT-qPCR技术，研究者验证了AHL合成基因luxI的表达水平提高了98.9%。同时，与BaP降解相关的基因，如aaeA、phnP和nagA，其表达水平分别提高了215.0%、95.1%和49.5%。这些结果表明TRF不仅能够通过生理调节促进微生物代谢，还能通过调控QS系统增强其降解能力。

研究进一步指出，TRF的使用不仅有助于提升微生物的降解效率，还对环境具有显著的生态效益。通过将农业废弃物转化为生物刺激剂，可以实现资源的高效利用，同时减少环境污染。此外，TRF的低成本和易获取性，使其在实际应用中更具可行性。与传统的生物刺激剂相比，TRF的使用不仅能够避免对环境造成二次污染，还能促进微生物的自然生长和代谢能力，从而实现更可持续的环境修复。

本研究的成果为“废物-治理-再利用”策略在环境修复中的应用提供了理论支持。通过将茶渣转化为TRF，不仅实现了农业废弃物的资源化利用，还为微生物修复技术的发展提供了新的方向。未来的研究可以进一步探索TRF对不同微生物群落的影响，以及其在不同环境条件下的适用性。此外，还可以通过优化TRF的配方，提高其对多种PAHs的降解能力，从而扩大其应用范围。

本研究的结论表明，TRF能够显著促进Pantoea dispersa MSC14对BaP的降解。TRF通过维持细胞形态、减轻氧化应激和增强能量代谢，为微生物提供了良好的生存环境。同时，TRF通过激活QS系统，促进AHL信号分子的分泌，从而增强微生物对BaP胁迫的响应能力。这种响应能力体现在生物膜、EPS和鼠李糖脂的协同增加上，进一步提升了BaP的降解效率。通过基因组分析和RT-qPCR技术，研究者验证了TRF对AHL合成基因luxI和BaP降解相关基因的表达增强，表明TRF能够通过调控信号分子促进微生物的代谢和降解能力。

此外，本研究的成果不仅对环境修复具有重要意义，还对农业废弃物的资源化利用提供了新的思路。通过将茶渣转化为TRF，不仅可以减少农业废弃物的产生和积累，还能实现资源的高效利用。TRF的使用为微生物修复技术的发展提供了理论支持，同时也为“废物-治理-再利用”策略的推广提供了实践依据。未来的研究可以进一步探讨TRF在不同环境介质中的适用性，以及其对其他PAHs的降解能力，从而扩大其应用范围。

本研究的发现表明，TRF是一种具有广泛应用前景的生物刺激剂，能够有效促进微生物对PAHs的降解。通过调控信号 molecule，TRF不仅提高了微生物的代谢活性，还增强了其对环境污染物的响应能力。这为环境治理和生态修复提供了新的方法和思路。此外，TRF的使用还为农业废弃物的资源化利用提供了新的途径，有助于实现可持续发展。未来的研究可以进一步探索TRF在不同环境条件下的作用机制，以及其对其他污染物的降解能力，从而推动生物刺激剂在环境修复中的广泛应用。

本研究的成果不仅对微生物修复技术的发展具有重要意义，还对农业废弃物的资源化利用提供了新的思路。通过将茶渣转化为TRF，不仅可以减少农业废弃物的产生和积累，还能实现资源的高效利用。TRF的使用为微生物修复技术的发展提供了理论支持，同时也为“废物-治理-再利用”策略的推广提供了实践依据。未来的研究可以进一步探讨TRF在不同环境介质中的适用性，以及其对其他PAHs的降解能力，从而扩大其应用范围。

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