细菌可溶性次级代谢产物通过间接接触共生系统增强藻类对吡啶胁迫的耐受性机制

针对藻-菌共生系统(ABSS)处理含氮杂环污染物时藻类敏感性高的问题，研究人员通过膜分离共培养体系，揭示了细菌分泌的N-酰基高丝氨酸内酯(AHLs)、吲哚-3-乙酸(IAA)等可溶性次级代谢物通过激活SOD-谷胱甘肽解毒通路、促进光系统修复，使小球藻生物量提升2.2倍，为优化工业废水处理提供了新型模块化策略。

　　

在化工、制药等行业中，吡啶作为典型含氮杂环污染物，不仅具有强致癌性，其工业废水浓度可达500 mg L^?1。传统处理方法如臭氧氧化存在矿化不完全的缺陷，而藻-菌共生系统(ABSS)虽具有低能耗优势，却因藻类对毒性物质高度敏感导致系统稳定性差。以往研究多关注胞外聚合物(EPS)的物理屏障作用，但EPS响应迟缓且非特异性。相比之下，细菌分泌的分子量小于1 kDa的可溶性次级代谢产物——如群体感应信号分子(QS)、植物激素等——展现出更快速的精准调控能力，但这些物质在真实废水处理体系中的原位作用机制尚属空白。

针对这一科学问题，中国的研究团队在《Bioresource Technology》发表研究，创新性地采用0.22 μm膜分离的间接共培养系统，将小球藻(Chlorella sorokiniana)与功能菌群物理隔离，仅允许代谢物自由扩散。通过整合生理指标测定、转录组分析和代谢物检测等技术，首次系统解析了细菌代谢物增强藻类吡啶耐受性的分子机制。关键技术包括：1) 构建AM(藻单独培养)、BM(菌单独培养)和S-Co(膜分离共培养)三组对照体系；2) 采用UPLC-MS/MS检测N-酰基高丝氨酸内酯(AHLs)等代谢物浓度；3) 通过叶绿素荧光参数评估光系统损伤；4) RNA-seq分析差异表达基因。

生理特性分析揭示，共培养96小时后S-Co组藻细胞密度达441×10⁶ cells mL^?1，较AM组提升2.2倍，比生长速率提高4.8倍。光合作用吉布斯能耗降低5.4倍，表明细菌代谢物显著修复了吡啶导致的光系统II损伤。

代谢调控机制显示，细菌通过降解23.1%的吡啶并释放5.24 mg L^?1 NH₄⁺-N，既降低毒性又提供氮源。扩散至藻区的AHLs浓度增加1.2倍，IAA提升1.1倍，同时检测到腐殖酸类物质。这些代谢物协同激活超氧化物歧化酶(SOD)-谷胱甘肽通路，使碳水化合物含量增加21.9%，将能量分配从EPS合成转向生长。

转录组证据表明，共培养藻体中光合作用相关基因(psbA、psbD)、DNA修复基因(rad51)及蛋白质折叠基因(hsp90)显著上调，印证了代谢物对细胞损伤修复的促进作用。

该研究突破性地揭示了间接接触模式下细菌代谢物的生态调控功能，提出将功能菌群与空间模块化设计结合的ABSS优化策略。相较于传统直接共培养，膜分离系统既能避免菌藻竞争，又通过代谢物递送实现精准调控，为高毒性工业废水的生物处理提供了新思路。特别是发现AHLs与IAA的协同效应可替代部分机械曝气功能，对降低污水处理能耗具有重要实践价值。研究首次证实腐殖酸类物质在藻-菌互作中的信号传导作用，为环境生物技术领域开辟了新的研究方向。