《Bioresource Technology》：Isolating a novel quorum quenching strain based on carbon source adaptability for bioaugmentation under different carbon source conditions
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高效多碳源利用的枯草芽孢杆菌YN06降解胞外聚合物的机制研究。通过UHPLC-MS和全基因组测序揭示YN06具备乳酸内酯酶和酰基酶双降解途径，分子对接证实其酶对长链和3-氧代AHLs活性显著。Monod方程分析显示该菌株对葡萄糖、醋酸钠和丙氨酸的竞争优势优于传统活性污泥。固定化处理后的YN06能持续抑制污泥膨胀，验证了碳源利用特性在QQ菌功能维持中的关键作用。
李军|崔亚楠|杨帆|裴彦雪|尹沐晨|谢朝帆|吴耀东
中国北京工业大学国家先进市政废水处理与回用技术工程实验室，北京100124
摘要
生物强化是一种有前景的技术，但其效果受到环境中碳源的显著影响。在本研究中，基于菌群感应（Quorum Sensing, QQ）活性和碳源利用能力，分离出一种新型且高效的菌株Bacillus sp. YN06，该菌株对多种碳源具有很强的竞争能力，可用于控制污泥膨胀。YN06能够在0.5小时内降解大多数N-酰基同型半胱氨酸内酯（AHLs），并在15小时内高效利用三种代表性碳源（葡萄糖、醋酸钠和丙氨酸）。超高性能液相色谱-质谱分析表明，YN06同时具有降解AHLs的内酯酶和酰化酶途径。全基因组测序发现KPHLOLIN_00687和KPHLOLIN_01283可能是内酯酶，而KPHLOLIN_01350可能是酰化酶。分子对接分析显示，这三种酶对各种AHLs具有很强的亲和力，尤其是长链和3-氧代AHLs，这与实验降解结果一致。结合13C标记实验的Monod方程分析表明，YN06在多种碳源上的竞争能力优于活性污泥。此外，葡萄糖能够显著增强QQ基因的表达。将固定的YN06加入含有不同碳源的反应器中，它可以稳定存活并保持高QQ活性，有效减少污泥中的胞外聚合物物质，从而控制污泥膨胀。本研究提出了一种基于碳源利用选择QQ细菌的新策略，实现了有效的生物强化，并为QQ细菌的研究提供了新的视角。
引言
活性污泥工艺依赖微生物絮体来去除污染物（Wilén等人，2000年）；然而，在不利条件下，污泥膨胀可能会影响系统的稳定运行（Bakos等人，2022年）。一种类型的膨胀——非丝状膨胀，通常与细菌菌群感应（QS）系统调控的胞外聚合物物质（EPS）的分泌有关（Salehiziri等人，2018年）。在活性污泥中，革兰氏阴性细菌占主导地位，它们分泌并感知如N-酰基同型半胱氨酸内酯（AHLs）等信号分子以协调集体行为，这被称为QS（Fetzner，2015年；Whiteley等人，2017年）。当这些信号的浓度达到阈值时，QS被激活，触发大规模的EPS合成，导致非丝状膨胀（Shi等人，2023年）。菌群感应抑制（Quorum Quenching, QQ）策略通过降解或失活信号分子来阻断信号传递，从而抑制非丝状膨胀并提高系统稳定性（Acet等人，2021年；Dong等人，2001年）。在QQ策略中，使用QQ细菌进行生物强化因其高经济可行性和运行稳定性而受到青睐。
利用QQ菌株进行生物强化依赖于QQ酶的持续分泌来降解AHLs（Noori等人，2022年；Oh等人，2017年）。然而，外源菌株的建立和功能持久性常常受到系统环境条件和与本土微生物群落的竞争限制（Yang等人，2023年）。由于不同碳源的利用效率存在显著差异（Thompson等人，2005年；Zhao等人，2022年），功能菌株的竞争优势往往取决于碳源条件。例如，在富含葡萄糖的环境中，Rhodococcus sp. BH4逐渐被本土群落取代，但在添加醋酸钠的反应器中成功建立（Wu等人，2024年）。另一项研究表明，Dehalobacter在乙醇、甲酸或乳酸存在下表现出明显的脱氯活性增强，这凸显了基于Dehalobacter的生物强化策略的广泛适用性（Meng等人，2023年）。此外，突变菌株Microbulbifer hydrolyticus IRE-31能够利用多种碳源，并表现出高水平的羧甲基纤维素酶活性，这有助于其环境适应性和功能维持（Liu等人，2019年）。然而，关于具有不同碳源利用能力的QQ菌株的研究仍然有限。
此外，由于QQ酶难以分离，关于QQ细菌降解机制的研究主要集中在降解性能和途径鉴定上，对蛋白质水平的理解有限。新兴的高精度测序技术和基于人工智能的预测方法通过获取准确的基因序列和构建高分辨率的三维模型来模拟蛋白质-底物相互作用，提供了新的机会（Bhatt等人，2023年；Xie等人，2025年）。这些进展有助于阐明不同类型QQ酶在底物识别、相互作用和催化机制方面的差异，从而为分离和优化QQ菌株提供重要的理论和技术支持。
本研究旨在分离一种能够利用多种碳源的高效QQ菌株。目标菌株是根据其QQ活性和碳源利用能力选定的。采用超高性能液相色谱-质谱（UHPLC-MS）、全基因组测序和分子对接模拟来阐明该菌株的QQ机制。结合13C标记实验的Monod方程分析用于定量表征其碳源利用效率。此外，还研究了该菌株在不同碳源反应器中的定殖能力和控制污泥膨胀的潜力。本研究为分离和应用QQ细菌提供了一种新方法。
部分摘录
菌株富集
为了分离目标QQ菌株，使用活性污泥作为接种物，并采用添加C8-HSL作为唯一碳源的M9培养基（见补充材料）。根据初步实验，初始C8-HSL浓度设定为1 mM，这为细菌生长提供了足够的碳源，同时在整个培养期间保持了信号分子的稳定性。C8-HSL是一种结构稳定的典型AHL分子，在环境中普遍存在，尤其是在活性污泥中
菌株的分离与鉴定
细菌对不同碳源的竞争会影响其在反应器中的生长和长期定殖（Gupta等人，2016年）。醋酸钠和葡萄糖分别代表典型的有机酸和糖类碳源，在废水处理和微生物培养中广泛使用（Akunna等人，1993年）。丙氨酸作为一种常见的氨基酸，可以通过脱氨生成丙酮酸，后者直接进入糖酵解途径
结论
分离出一种新型菌株Bacillus sp. YN06，它具有很强的多碳源利用能力和QQ能力。YN06通过内酯酶和酰化酶两种途径降解了高达90%的11种AHLs。分子对接分析表明，由于其较大的结构，其QQ酶对长链和3-氧代AHLs的降解效率更高，这得益于稳定的氢键和疏水相互作用。YN06在醋酸钠、葡萄糖和丙氨酸上生长迅速，基于Monod的分析也证实了这一点
CRediT作者贡献声明
李军：撰写——审稿与编辑，资金获取。崔亚楠：撰写——初稿，可视化，研究，概念化。杨帆：可视化，研究。裴彦雪：可视化，研究。尹沐晨：可视化，研究。谢朝帆：可视化，研究。吴耀东：。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了北京自然科学基金（编号8222039）的财政支持。
