基于AHL群体感应的柠檬酸杆菌生物强化技术：5天内实现压干好氧颗粒污泥快速颗粒化及高蛋白回收

本刊推荐：为解决长期储存的好氧颗粒污泥(AGS)性能恶化及启动周期长的问题，研究人员开展了利用产AHL(酰基-高丝氨酸内酯)的Citrobacter菌生物强化恢复压干储存AGS的研究。研究表明该技术可通过微生物群落重构选择性富集蛋白(PN)产生菌属，实现5天内快速颗粒化，NH4+-N去除率达84.4%，PN增加57.9%，为AGS储存复苏技术提供了新思路。

　　

在污水处理领域，好氧颗粒污泥(Aerobic Granular Sludge, AGS)技术被誉为革命性的水处理工艺，但其工业化应用始终面临两大难题：漫长的颗粒化启动周期和长期储存导致的性能恶化。虽然研究表明储存后复苏的AGS可以大幅缩短启动时间，干燥储存的AGS甚至能恢复90%的处理性能，但其中的奥秘——特别是胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances, EPS)和微生物群落的具体作用机制——仍然笼罩在迷雾之中。

EPS作为关键的复苏生物标志物，通过其组成平衡维持颗粒完整性。其中蛋白质(Protein, PN)通过促进疏水性增强结构稳定性，而多糖(Polysaccharide, PS)则呈现亲水特性。因此，靶向富集PN成为优化AGS复苏的可行策略。群体感应(Quorum Sensing, QS)中的酰基-高丝氨酸内酯(Acyl-Homoserine Lactone, AHL)信号分子在EPS调控中起着关键作用，但过量AHL会破坏微生物群落平衡。群体淬灭(Quorum Quenching, QQ)通过酶降解AHL来维持系统稳定性。

虽然外源添加AHL能增强颗粒复苏，但其实际应用存在明显局限：停止添加后颗粒特性会退化，且长期使用成本高昂。作为可持续的替代方案，研究人员提出用功能菌株或富含AHL的AGS提取物替代合成AHLs。

在这项发表于《Environmental Technology》的研究中，山东师范大学的研究团队开展了一项创新性研究，探讨如何通过AHL调控菌株选择性增强PN含量，实现储存AGS的快速颗粒化和高效复苏。

研究人员采用了几项关键技术方法：使用序批式反应器(SBR)进行批量试验，操作温度控制在30±1℃，采用特定的废水组成配方；通过超声破碎制备破碎颗粒；利用报告菌株Agrobacterium tumefaciens KYC55进行AHL定性分析；采用超高效液相色谱串联质谱(UPLC-MS/MS)对AHL进行精确定量；通过热提取法提取EPS并分别用考马斯亮蓝法和酚硫酸法测定PN和PS含量；通过Illumina NovaSeq平台对16S rRNA基因V3-V4区进行高通量测序分析微生物群落。

研究结果揭示了重要发现：

3.1. 活性测试表明

通过菌株筛选鉴定出具有最高C8-HSL产量(2.12±0.02 nM/L)的QS菌株Citrobacter和能完全降解AHL的QQ菌株Comamonas。剂量实验发现1g QS接种量使PN和C8-HSL产量分别达到峰值5.85 mg/g和1.86 nM/L，表现出明显的阈值效应。

3.2. 复苏测试显示

不同储存方式的颗粒呈现截然不同的复苏效果。冷藏颗粒组(R)和破碎-冷藏组(C)的PN水平下降，而破碎-干燥组(D)的PN增加。特别是DS组(破碎-干燥颗粒+Citrobacter)表现最佳，PN增加57.9%，达到5.8±0.14 mg/g，NH₄⁺-N去除率达84.4%，疏水性显著提高(23.44-44.62%)，5天内完成颗粒结构恢复。

微生物群落分析表明

冷藏储存有利于脱氮菌(Arenimonas、Thauera和Thermomona)生长，而干燥储存能去除88.4%的脱氮菌，为PN产生菌属创造了生态位。Citrobacter衍生的QS差异性地调控冷藏和干燥颗粒的微生物活性：在破碎-冷藏颗粒中增强Arenimonas脱氮活性和Bdellovibrio的PS降解，导致PN和PS分别减少45.7%和43.2%；在破碎-干燥颗粒中则进一步抑制Arenimonas和Thauera，促进硝化作用和PN产生菌属的生长。

研究发现Leucobacter、Sphingobacterium、Brachymonas和Glutamicibacter与PN含量呈正相关，这些菌属被C8-HSL激活产生ATP，协同合成PN。代谢变化对应42.6%的比耗氧速率(SOUR)下降和10.5%的化学需氧量(COD)去除率降低，但增强的生物量和提高的疏水性最终驱动了颗粒化过程。

研究讨论部分提出了物理屏障假说：PN作为EPS中的关键结构元素，高PN含量形成致密疏水基质，强烈阻碍氧气从颗粒表面向内部扩散，导致内部形成厌氧微环境。兼性厌氧菌适应这种环境，从高效的好氧呼吸转向低效的厌氧途径，将代谢从好氧过程转向厌氧过程，最终降低乙酸-丙酸利用效率。

Citrobacter和Comamonas的相互作用在不同环境中充当关键的生态开关：Citrobacter产生和广播AHL信号，试图重构整个微生物群落以利于PN产生菌属；而Comamonas降解AHL信号，旨在维持替代稳定状态，促进COD去除菌实现高效营养物去除。它们的拮抗作用代表着对微生物群落结构控制权的争夺。

这项研究显著增强了对不同储存条件下好氧颗粒污泥中EPS和微生物群落的理解，强调了储存条件在决定QS生物强化效果中的重要作用。研究证明干燥储存结合Citrobacter生物强化能成功将压干储存的AGS转化为富含PN的AGS，为设计有效的AGS复苏方案提供了新见解，为工业化应用提供了实用途径。