草履虫分泌的氰尿酸作为群体感应高效诱导剂：跨营养级信息传递机制及其在厌氧氨氧化工艺强化中的应用

本研究针对微生物群体感应(QS)在复杂生态系统中的生态功能这一关键科学问题，以铜绿假单胞菌PAO1为模型，首次发现原生动物草履虫分泌的氰尿酸(CA)可作为LuxR型QS系统的非经典诱导剂。研究人员通过分子对接、荧光报告系统构建和动态模拟等技术，证实CA通过激活LasR/RhlR调控网络促进生物膜形成；进一步将CA应用于厌氧氨氧化(anammox)工艺启动，使AnAOB丰度提升76.3%，氮去除率达1.42 g N·L-1·d-1。该成果为跨营养级微生物互作提供了新见解，并为废水处理工艺优化提供了创新策略。

　　

在微生物世界的隐秘对话中，群体感应(Quorum Sensing, QS)一直是科学家破解细菌"社交密码"的关键。然而，当这些微观交流发生在捕食者与被捕食者之间时，其生态意义便显得尤为神秘。传统研究多聚焦于细菌间的自体诱导剂(Autoinducers)通讯，但对原生动物这类"顶级掠食者"如何影响细菌群体行为却知之甚少。更棘手的是，在废水处理领域，依赖N-酰基高丝氨酸内酯(HSLs)的QS调控成本高昂，亟需开发新型诱导剂来优化如厌氧氨氧化(anammox)等关键工艺的启动效率。

华南理工大学环境与能源学院的研究团队在《The ISME Journal》发表的研究，揭开了这一跨界对话的化学面纱。他们发现广泛分布的草履虫(Paramecium caudatum)分泌的氰尿酸(Cyanuric Acid, CA)，竟能巧妙"劫持"铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)PAO1的LuxR型QS系统。这种三嗪类化合物通过模拟HSLs的结构特征，激活LasR/RhlR调控网络，进而显著增强细菌的生物膜形成和应激防御能力。更有突破性的是，将CA应用于anammox工艺后，仅54天就实现了1.42 g N·L^-1·d^-1的卓越脱氮性能，为废水处理领域提供了革命性的调控策略。

研究团队运用了四项核心技术：1) 通过HPLC-MS鉴定草履虫分泌物中的活性成分；2) 构建QS缺陷型突变体(PAO1-△lasI/△rhlI)和荧光报告系统验证CA的诱导活性；3) 采用AutoDock Vina和GROMACS进行分子对接与动力学模拟；4) 建立四组序批式反应器(SBR)评估CA对anammox菌群的影响，接种污泥来自广州猎德污水处理厂。

3.1 草履虫分泌物中的QS诱导剂鉴定

研究首次发现草履虫分泌物可使PAO1的3OC12-HSL分泌量提升7.72倍，但其中不含传统HSLs。通过LC-MS锁定CA为关键成分(1.78 μg/L)，实验证实100 nM CA即能显著增强胞外聚合物(EPS)分泌，其中弹性蛋白酶活性提升117.8%，多糖产量增加43.5%。

3.2 CA对QS调控网络的激活机制

qPCR显示CA使lasR表达上调2.41倍，并级联激活lasB、rhlA等基因。在△lasI突变体中，1 μM CA可恢复73.9%的绿脓菌素产量，其EC50值(15.8 nM)接近天然诱导剂3OC12-HSL(1.46 nM)。分子动力学模拟揭示CA通过π-π堆积与LasR的TRP60、ASP73结合，结合自由能达-15.9 kcal/mol，虽低于HSLs(-32.4 kcal/mol)，但足以稳定蛋白构象。

3.4 CA加速anammox工艺启动

500 nM CA处理使anammox细菌(Candidatus Brocadia)丰度提升76.3%，污泥粒径增大30%，并促进hzsB基因表达2.76倍。关键的是，CA刺激下3OC12-HSL产量增加40.5%，形成正向调控循环。

3.6 高负荷下的工艺强化

在35天强化试验中，CA处理组氮去除率达1.41 g N·L^-1·d^-1，且Candidatus Brocadia sinica增殖速率是对照组的1.32倍。宏基因组分析显示CA还促进Chloroflexi(30.5%)与AnAOB的共生，可能通过异化硝酸盐还原(DNRA)途径提供额外氨氮。

这项研究开创性地揭示了跨营养级化学通讯的分子机制：CA作为"分子间谍"激活细菌QS系统，帮助PAO1预判捕食压力。从应用角度看，以CA替代昂贵HSLs调控anammox菌群，不仅将启动周期缩短50%，更破解了高硝态氮胁迫下菌群失活的行业难题。值得注意的是，CA在珠江水体中的本底浓度(2.87 μg/L)远低于实验剂量，且98.5%可在处理过程中降解，兼具生态安全性。该成果为理解微生物"社交网络"提供了新范式，也为废水处理工艺优化提供了可工业化的解决方案——毕竟在微观世界的生存博弈中，有时敌人的化学信号正是最强的生存密码。