不同环境条件下外源氨基酸补充对活性污泥生物膜形成及微生物群落调控的增强作用

《Environmental Research》：Enhancement of Activated Sludge Biofilm Formation and Microbial Community Modulation by Exogenous Amino Acid Supplementation Under Different Environmental Conditions

　　- 氨基酸在不同环境条件下显著促进了生物膜形成- 在测试条件下，精氨酸在所有选择的氨基酸中支持了最高的生物膜生物量生产- 环境条件影响了与氨基酸相关的生物膜发育- 氨基酸补充与微生物群落结构的转变相关- 补充氨基酸的生物膜之间存在不同的预测功能潜力## 引言生物膜是附着在生物或无生物表面的复杂微生物群落，广泛分布于自然和人工环境中（Jiang 等 2021；Klopper 等 2020；Song 等 2021）。与游离微生物相比，生物膜相关微生物表现出增强的存活能力、代谢合作以及对环境波动的抵抗力，使生物膜在废水处理、生物修复和工业生物技术等应用方面具有很高的价值（Sim?es 等 2009；Xiong 等 2020；Zhou 等 2025）。在生物处理系统中，稳定的生物膜发育对于维持微生物活性、提高污染物去除效率和确保长期工艺稳定性至关重要（Flemming 等 2016；Whiteley 等 2017）。然而，实现稳定和高效的生物膜建立仍然具有挑战性，因为生物膜的形成受到环境条件和营养物质可用性的强烈影响。微生物附着不足、生物膜成熟缓慢或生物膜结构不稳定可能会降低基于生物膜技术的性能。因此，开发有效的方法来调节微生物附着并促进稳定的生物膜形成，对于提高工程生物系统的可靠性和效率至关重要（Wang 等 2024；Wang 等 2022b）。温度、流体动力学剪切力和载体表面特性等环境因素强烈影响活性污泥系统中的生物膜形成（Dong 等 2026）。温度影响微生物生长速率、酶活性、胞外聚合物（EPS）粘弹性和生物膜基质中的底物扩散，而不合适的温度可能会降低微生物活性并使生物膜结构不稳定（Tang 和 Zhao 2025）。转速决定剪切力，影响微生物附着、EPS 保留、生物膜压实和脱落过程。此外，载体材料特性，包括表面粗糙度、疏水性、孔隙率和表面电荷，调节初始细菌粘附和随后的生物膜发育（Pratap 等 2024）。多孔和刚性表面通常比光滑和不利的表面提供更多的有利附着位点并促进生物膜积累。这些环境参数至关重要，因为它们直接影响废水处理系统中的物质传递、微生物粘附动力学和生物膜结构稳定性（Xu 等 2020）。然而，仅通过环境调节来控制生物膜形成往往是不够的，因为微生物群落还必须获得合适的营养物质以维持生长、适应和基质生产。营养条件对生物膜形成起着至关重要的调节作用，因为营养物质为微生物生长和胞外基质生产提供能量来源、代谢中间体和结构组分（Baquero 和 Negri 1997；Stewart 2003）。尽管已有几项研究调查了浮游微生物的营养需求，但很少有研究系统地检验特定营养物质如何在不同环境条件下调节生物膜建立、成熟和微生物群落组织（Calicioglu 等 2018；?ovljanski 等 2020；Uribe-Lorío 等 2019）。在不同营养物质中，氨基酸引起了越来越多的关注，因为它们不仅作为代谢底物，还作为参与细菌粘附、EPS 合成、压力适应和信号通路的调节分子。氨基酸可以通过氮代谢、pH 稳态以及环二鸟苷酸（c-di-GMP）等第二信使系统的调节来影响生物膜发育（Barrientos-Moreno 等 2020；Scribani Rossi 等 2022）。在本研究中，选择精氨酸、鸟氨酸和赖氨酸是因为这三种阳离子氨基酸在结构上相关，并且直接与多胺生物合成相关，多胺在生物膜结构、EPS 稳定和微生物压力抵抗中起着重要作用。先前的研究将精氨酸代谢与生物膜相关反应联系起来，包括 c-di-GMP 信号传导和精氨酸脱亚胺酶（ADI）代谢（Barrientos-Moreno 等 2020；Scribani Rossi 等 2022），而鸟氨酸和赖氨酸可以参与多胺相关的代谢途径。这些途径可能有助于观察到的氨基酸补充后的不同反应；然而，它们在活性污泥生物膜中的具体作用仍有待确立（Leggett 等 2022；Sakanaka 等 2015）。在活性污泥系统中，氨基酸可能通过其作为代谢底物的作用，以及潜在的信号或调节分子作用来影响生物膜发育。然而，在变化的环境条件下，单个氨基酸如何影响生物膜形成、微生物群落结构和功能适应仍然理解不足。尽管对生物膜形成进行了广泛研究，但控制复杂微生物群落中生物膜发育的调节机制，特别是在活性污泥系统中，仍然不清楚。先前的研究主要集中在个别细菌物种或特定环境参数上，而氨基酸补充、环境变量和微生物群落适应在混合微生物系统中的作用受到的关注有限。因此，本研究调查了三种氨基酸（精氨酸、赖氨酸和鸟氨酸）对不同培养条件下活性污泥生物膜形成的影响，包括温度、孵育时间、流体动力学剪切力、光照/黑暗条件、载体表面特性和营养物质浓度。本研究中检查的环境参数是因为它们代表了生物膜建立的主要物理和操作限制。孵育时间决定了从初始附着到成熟和分散的进展；温度影响微生物生长和代谢活性；载体特性调节附着位点的可用性和特征；流体动力学条件决定物质传递以及剪切诱导的附着和脱落；光照可能影响混合活性污泥群落中的光能自养和光响应成员（Dong 等 2026；Pratap 等 2024；Tang 和 Zhao 2025）。独立评估这些变量因此提供了不同培养条件下氨基酸相关生物膜形成的比较评估。此外，采用高通量 16S rRNA 测序来表征氨基酸驱动的微生物群落结构变化与生物膜形成的关系。这项工作的意义在于建立一种基于氨基酸的调节策略，以改善不同环境条件下的微生物稳定性和随后的生物膜发育。## 各节片段### 2.1 活性污泥收集和生物膜培养从天津市津南区污水处理厂收集废水活性污泥，用于生物膜生长。原始污泥的混合液悬浮固体（MLSS）为 7200 mg/L，光密度（OD600）为 7.5，污泥体积指数（SVI）为 85 mL/g。如我们之前的研究所述（Jiang 等 2024），污泥悬浮液的 CODcr 和 BOD5 分别为 100 mg/L 和 30 mg/L。使用紫外线将污泥的 OD 值调整为 1.0。### 3.1 营养类型和浓度对生物膜形成的影响营养类型和浓度对细菌生物膜形成有显著影响（Haney 等 2018；Salgar-Chaparro 等 2020）。如图 1(A) 所示，在 1 mM 浓度的精氨酸下，活性污泥中观察到最高的生物膜生物量（355.51 g m?2）。总体而言，随着精氨酸浓度从 0.5 增加到 1 mM，生物膜生物量增加。在更高浓度（3、5 和 10 mM）下，这一趋势逆转，分别持续减少 17.45%、53.68% 和 66.09%。### 4 结论在本研究中，探讨了环境条件的影响以及氨基酸在活性污泥生物膜形成中的作用。研究发现，外源氨基酸补充与不同环境条件下活性污泥中增强的生物膜形成和微生物群落结构变化相关。所有实验组和对照组都在相同的环境和基本营养条件下维持，同时……### 5 CRediT 作者贡献声明**Bilal Bilal：** 写作 – 审阅与编辑、概念化。**Jiang Guanyu：** 写作 – 审阅与编辑、形式分析、数据整理、概念化。**Wang Can：** 写作 – 审阅与编辑、监督、软件、形式分析、概念化。**Muhammad Noman：** 写作 – 审阅与编辑、写作 – 原始草稿、方法学、形式分析、数据整理、概念化。**Nabi Ullah：** 写作 – 审阅与编辑、形式分析、数据整理。**Kokab Saba Ali：** 写作 – 审阅与编辑。### 6 未引用参考文献BASSIN 等，2011 年。### 7 利益声明作者声明与本通讯的出版没有利益冲突，**"不同环境条件下外源氨基酸补充增强活性污泥生物膜形成和微生物群落调节"** 发表于《环境研究》期刊。与其他个人或组织没有任何财务或个人关系影响了本通讯的内容。## 利益冲突声明? 作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。Muhammad Noman | Nabi Ullah | Kokab Saba Ali | Bilal | Faisal Khan | Jiang Guanyu | Wang Can