AHLs（活性羟基乳酸盐）和AI-2的联合强化对生物膜动态变化过程的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：The effect of combined reinforcement of AHLs and AI-2 on the dynamic changes process of biofilm

微生物电合成系统中AHLs与AI-2协同增强生物膜形成及中链脂肪酸产能机制研究。实验表明AHLs+AI-2组Caproate浓度较对照组提升91.83%，生物膜厚度活性在2-4天增幅显著高于4-7天，群落分析显示Clostridium和Desulfovibrio丰度在第七天达峰值52.95%，功能预测揭示调控反向β-氧化和脂肪酸合成途径的3/9个关键酶。

　　

Jing Li|Wei Chang|He Liu|Xuedong Zhang|Hao Tan|Chao Zhang|Xing Luo

四川食用菌研究所，四川省农业科学院，中国成都

摘要

随着全球经济的快速发展，对化石燃料和能源的需求持续增长。微生物电合成系统（MES）能够将短链脂肪酸（SCFAs，C2-C5）转化为中链脂肪酸（MCFAs），为化石燃料和能源问题提供了新的解决方案。其中，生物膜已成为MES系统中的关键研究焦点。本研究主要探讨了两种信号分子——酰基高丝氨酸内酯（AHLs）和自诱导物-2（AI-2）对生物膜动态变化的影响。与对照组相比，AHLs + AI-2组中的己酸浓度增加了91.83%。此外，在生物膜厚度和活性的变化过程中，AHLs + AI-2组从第2天到第4天的变化幅度大于从第4天到第7天的变化幅度。相反，对照组从第4天到第7天的生物膜厚度和活性增加幅度更大。随后，微生物群落分析表明，AHLs和AI-2的联合作用主要影响了Clostridium_sensu_stricto_12和Desulfovibrio，在第7天时这两种菌的相对丰度达到了最大值52.95%。微生物功能预测显示，AHLs + AI-2组显著调控了反向β氧化（RBO）途径中的3个关键酶（KO）和脂肪酸生物合成（FAB）途径中的9个关键酶（KO），表明AHLs和AI-2促进了脂肪酸链的延长。本研究分析了AHLs + AI-2增强下的生物膜动态变化，为己酸的合成提供了新的见解。

引言

在微生物电化学系统（MES）中，电活性生物膜（EABs）因其在固体材料（如电极）之间传递电子的独特能力而受到广泛关注[1]、[2]、[3]。具体而言，EABs由电活性微生物（EAMs）组成，这些微生物可以通过多种电子传递机制将电子传递给电极，从而具备电子传递能力[4]、[5]。EAMs主要由革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌构成。当前的研究重点是如何调节革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的行为，以促进EABs的形成[6]、[7]。群体感应（QS）是一种有效的细菌间通信方式，细菌通过化学信号进行交流，从而协调群体行为以应对环境变化。这种复杂的通信方式使细菌群体能够感知自身的密度并相应地调整生理活动。在QS过程中，细菌产生并释放称为自诱导物的信号分子。随着种群密度的增加，这些自诱导物的浓度也会升高。当浓度超过某个阈值时，细菌可以通过特定受体检测到这些信号，从而产生协调反应。这一过程对于调节多种增强生存能力和适应性的行为（如生物膜形成、生物发光和孢子形成）至关重要。通常，N-酰基高丝氨酸内酯（AHLs）主要调节革兰氏阴性细菌内的种内通信，而自诱导物-2（AI-2）主要调节革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌之间的种间通信[8]、[9]、[10]、[11]。基于以往的研究，AHLs和AI-2可以增强MES阴极生物膜的形成，从而促进己酸的产生[12]、[13]。

以往的研究主要集中在研究单个信号分子在反应器运行完成后对生物膜结构和群落变化的影响[14]、[15]、[16]。目前，关于AHLs和AI-2共同调控MES酸产生的动态研究还非常缺乏，尤其是关于EABs的动态变化。因此，本研究使用AHLs和AI-2作为测试材料，探讨了这两种物质共同存在下生物膜的动态变化。

主要研究内容如下：（1）探讨AHLs和AI-2共同作用对MES阴极生物膜动态变化的影响；（2）分析AHLs和AI-2共同作用对参与碳链延长的微生物群落结构变化的影响；（3）揭示AHLs和AI-2共同作用对碳链延长代谢途径的调控机制。

部分内容

反应器启动和运行过程

反应器的运行结构如图1所示。生物膜预先在含有碳链延长培养基的厌氧瓶中浸泡了一段时间，使一些碳链延长微生物最初附着在生物膜上。然后，将三块大小相同、浸泡时间相同的生物膜样本放置在MES反应器的阴极处，在不同的时间间隔（2天、4天和7天）进行采样，以检测生物膜的动态变化。

联合增强对己酸产生的影响

反应器成功启动后，本研究测试了不同时间点反应器中己酸、丁酸、乙酸和乙醇的含量（图2）。总体而言，在乙醇氧化过程中，乙酸的浓度先增加后下降，而丁酸的产生随后通过电子转移形成了己酸。到第7天时，乙醇已被完全消耗，导致己酸的产生量显著增加。

结论与应用前景

本研究考察了不同信号分子组合（包括C8-HSL、DPD和C8-HSL + DPD，浓度为10.00 μM）对己酸产生的影响，分析了阴极生物膜的动态变化，并通过微生物分析技术揭示了AHLs和AI-2的协同作用对生物膜动态变化和微生物群落动态的影响。主要结果如下：（1）AHLs和AI-2的协同作用增强了己酸的产生

CRediT作者贡献声明

Chao Zhang：研究工作。Hao Tan：研究工作。Xing Luo：撰写、审稿与编辑、监督、资金筹集。Wei Chang：撰写、审稿与编辑、监督、资金筹集。Jing Li：撰写、原始草稿的撰写与数据整理。Xuedong Zhang：数据验证。He Liu：数据验证。

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的研究结果。

致谢

本项工作得到了四川省科技厅（2025ZNSFSC1199）、中国自然科学基金（42407356）以及四川省农业科学院（NKYRCZX2024009和2022ZZCX011）的财政支持，特此表示感谢。