《Bioresource Technology》：Quorum quenching driven enzymatic activity and metabolic pathway modulation in anaerobic reactor for enhanced methane production
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本研究通过投加产甲烷阻遏菌Proteus sp. ZJ5，探究其在厌氧处理中提升甲烷产量的机制。结果表明，140 mg/L剂量下甲烷产量提升17%，关键酶（α-葡萄糖苷酶178%↑）活性增强，菌群结构向高效产甲烷古菌（Methanosarcina等）富集，代谢通路优化证实群体感应阻遏（QQ）策略有效提升厌氧处理效能。
Zijing An|Yibin Bao|Yuwei Yang|Xiaomei Su|Feng Dong|Xiao Xiao|Chongjun Chen|Hailu Fu|Hongjun Lin|Faqian Sun
中国浙江省师范大学地理与环境科学学院，数字智能监测与流域环境修复重点实验室，金华321004
摘要
研究了群体感应抑制菌Proteus sp. ZJ5在厌氧过程中对甲烷产生的影响，其添加剂量范围为0–280?mg·L?1。当Proteus sp. ZJ5的浓度为140?mg·L?1时，甲烷产量达到最大值，比对照组增加了17％。甲烷产量的提高与关键酶活性的增强相关，包括蛋白酶、α-葡萄糖苷酶、乙酸激酶和电子传递系统，尤其是α-葡萄糖苷酶的活性增加了178％。改进的Gompertz模型证实了更高的甲烷潜力、更短的延迟时间以及更好的COD去除效果。宏基因组分析显示微生物群落结构发生了显著变化，以氢营养型甲烷菌（如Methanosarcina和Methanoculleus）的相对丰度增加为特征，同时涉及糖酵解、氨基酸代谢和甲烷生成途径的基因也得到了富集。这些结果表明Proteus sp. ZJ5通过调节酶活性和微生物代谢途径来增强甲烷回收，为提高厌氧处理性能提供了新的见解。
引言
厌氧过程是一种重要的生物技术，它有助于将有机物微生物降解为富含甲烷的沼气，从而促进可再生能源生产和资源回收（Zhang等人，2023年）。由于其优势（如高有机负荷能力、低生物质产率和碳中和潜力），该过程被广泛用于高浓度废水和高固体含量的处理（An等人，2023年）。厌氧处理包括四个连续阶段——水解、酸生成、乙酸生成和甲烷生成，每个阶段都由不同的功能性微生物群落介导。厌氧过程的稳定性和效率依赖于这些微生物群体之间的协同作用，其中甲烷生成古菌在甲烷生产中起着关键作用（Gao等人，2021年；Wang等人，2022年）。然而，甲烷生成菌的生长速率较慢，且对环境变化非常敏感，这使得厌氧过程容易受到不稳定性的影响，启动周期延长，并在冲击负荷下性能下降（Gao等人，2021年）。因此，深入理解微生物调控机制对于优化厌氧过程性能至关重要。
微生物相互作用控制着多种生态和生物技术过程，群体感应（QS）作为细菌间的一种关键通信系统而备受关注（Jiang等人，2013年）。QS依赖于小信号分子的产生和感知，使细菌群体能够协调群体行为，如生物膜形成、胞外聚合物（EPS）分泌和毒力表达（Kim等人，2013年）。在厌氧环境中，QS通过调节基因表达和群体行为来影响微生物代谢途径。QS分子，如酰基-高丝氨酸内酯（AHLs）、自诱导剂-2、自诱导肽和可扩散信号因子，介导种内和种间通信（Park等人，2024年；Tang等人，2024年；Tomy和Yasarla，2025年）。其中，AHLs是最常见的QS分子，主要调节污泥系统中的革兰氏阴性细菌（Zhu等人，2025年）。多项研究探讨了QS在厌氧处理中的作用。Ma等人（2019年）发现外源的< />-癸酰-dl-高丝氨酸内酯可以促进甲烷生成菌的富集和厌氧颗粒的形成，而Cui等人（2024年）报告称，如< />-丁酰-高丝氨酸内酯和< />-十二酰高丝氨酸内酯等AHLs在最佳浓度下可以增强甲烷产量。这些发现表明适度的AHLs浓度可以促进微生物合作并提高甲烷产量。
群体感应抑制（QQ）通过酶促降解主要调节革兰氏阴性细菌的AHLs来破坏QS，已被证明是抑制厌氧膜生物反应器（AnMBRs）中生物污染的有效策略（An等人，2023年）。最近的研究进一步表明，在AnMBRs中应用QQ不仅可以减轻膜污染，还可以促进甲烷生成。Liu等人（2020年）报告称，引入QQ菌株Microbacterium sp.后，甲烷产量显著增加了12.8％至23.4％，这主要归因于甲烷生成活性的增强和乙酸利用的加速。在此基础上，Liu等人（2023年）进一步阐明QQ诱导了乙酸的积累，特别是在酸生成阶段富集了水解发酵的革兰氏阳性细菌，从而显著提高了厌氧系统的甲烷产量。同样，Xu等人（2022年）证明，应用一种针对AI-2 QS信号的可兼性厌氧QQ细菌联合体显著减少了EPS的产生，同时将甲烷产量提高了62.5％。此外，Waheed等人（2023年）强调了编码多种QQ酶的QQ细菌有效调节EPS动态的能力，从而改善了污泥特性并提高了沼气中的甲烷含量。然而，Shah等人（2023年）表明，QQ细菌（Rhodococcus sp. BH4）在减轻AnMBRs中的生物污染的同时，没有对有机物去除或甲烷产生产生不利影响。尽管有这些积极的结果，关于QQ细菌在甲烷生成过程中的作用仍存在争议。为了解决这些不确定性，需要进一步深入研究以阐明QQ通过何种机制影响厌氧系统中的微生物代谢和甲烷生成。
在这项研究中，选择了先前因其高QQ效率而被鉴定为兼性厌氧细菌的Proteus sp. ZJ5作为研究代表菌株。本研究的目标是：1）评估在不同浓度QQ细菌下的厌氧性能，包括COD降解、甲烷产量、挥发性脂肪酸（VFAs）积累和关键酶活性；2）识别可能受到QQ细菌影响的微生物群体；3）阐明QQ介导的代谢途径调节机制。这些发现为优化厌氧过程的QQ策略整合提供了见解。
研究片段
QQ细菌悬浮液
先前从活性污泥中分离出的兼性厌氧QQ细菌Proteus sp. ZJ5（An等人，2024年）被用来评估其在不同剂量下对甲烷产生的影响。Proteus sp. ZJ5的干细胞重量对应于光密度（OD600）为1.9时约为1.4?g·L?1600达到约1.9。随后，分别取0、17.5、35、52.5和70?mL的菌液
甲烷产生
图1a展示了不同浓度Proteus sp. ZJ5下的厌氧反应器累积甲烷产量。在最初的15天运行期间，QQ0组的甲烷产量最低，累积甲烷产量为152.5?mL·g?1 COD。相比之下，添加了70、140和280?mg·L?1浓度的Proteus sp. ZJ5的反应器（即QQ70、QQ140和QQ280组）表现出更好的厌氧性能，累积甲烷产量
结论
本研究证明，添加Proteus sp. ZJ5可以增强甲烷产量，在140?mg·L?1的浓度下达到最佳性能，产量增加了17％。改进的Gompertz模型证实，添加Proteus sp. ZJ5有效提高了甲烷生成潜力并减少了延迟时间。关键代谢酶活性的增强进一步证实了厌氧性能的提高，包括蛋白酶、α-葡萄糖苷酶、乙酸激酶和ETS
CRediT作者贡献声明
Zijing An：撰写——初稿、软件、方法学、概念化。Yibin Bao：验证、软件、正式分析。Yuwei Yang：验证、正式分析。Xiaomei Su：撰写——审稿与编辑、正式分析。Feng Dong：研究。Xiao Xiao：可视化。Chongjun Chen：监督。Hailu Fu：验证。Hongjun Lin：监督。Faqian Sun：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法学、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
