关于酱油废水中由酰基高丝氨酸内酯分子介导的藻类生物膜形成机制的见解

《Bioresource Technology》：Insights into the formation mechanism of algal biofilm mediated by acyl homoserine lactone molecules in soy sauce wastewater

　　

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  藻菌协同作用增强了藻类生物膜的生物量和营养物去除能力。
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  C4-HSL和3-氧代-C6-HSL促进藻类生物膜的形成和增厚。
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  碳代谢和信号转导途径在藻类生物膜形成中发挥主要作用。
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  C4-HSL调控EPS蛋白表达，促进生物膜基质组装。
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  C4-HSL调节光合作用，为藻类生物膜生长提供能量。

引言

作为一种传统调味品，酱油在亚洲被广泛消费。然而，日益增长的酱油需求预计将给酱油废水（SW）处理带来越来越大的挑战。酱油废水具有高度可生物降解性，且富含有机碳、氮和磷等营养物质（Hu等，2024）。由于微藻具有显著的营养吸收能力，基于微藻的废水处理（MBWT）已成为一种有前景的废水处理技术（Liu等，2020；Qian等，2023）。大多数关于MBWT的研究集中于悬浮培养系统，包括封闭式光生物反应器和开放式跑道池。从这些悬浮系统中收获藻类的过程，包括离心、过滤和絮凝，能耗高且成本昂贵，约占总培养成本的30%（Grima等，2003）（见表1）。

藻类生物膜系统为MBWT提供了一种替代性的培养和收获策略，通过直接刮取生物质提高了经济可行性和大规模应用性（Gross等，2016；Zhao等，2018）。藻类生物膜的稳定形成在废水处理过程中至关重要。一般来说，藻类生物膜的形成主要涉及两个步骤：初始附着和生物膜增厚（Wang等，2018）。初始附着通常按以下过程进行：细胞在重力或其他外力作用下接触基质表面，形成高度不稳定的粘附（Lee等，2018；Wang等，2020a）。随后，细胞开始相互作用并分泌可溶性产物，包括蛋白质和多糖。这些过程及其产生的胞外物质在强化生物膜附着中起着关键作用（Dunne，2002）。在成功完成初始附着后，随着共存的藻类和细菌细胞分泌可溶性藻类产物和胞外聚合物（EPS）以加强细胞结合，同时利用环境中的营养物质进行繁殖，生物膜发生增厚（Katarzyna等，2015）。

群体感应（QS）是一种细胞间通讯现象，细菌通过产生、释放和识别信号分子来调节特定基因的表达（Wang等，2021；Whitehead等，2001）。酰基高丝氨酸内酯（AHL）分子是革兰氏阴性菌的主要信号分子，在生物膜形成、胞外聚合物分泌和微生物群落结构中发挥重要作用（Feng等，2022）。只有当AHL的胞外浓度达到临界阈值时，各种QS调控的功能基因才会被激活和表达（Seet和Zhang，2011；Williams等，2007）。由于外源添加AHL可能导致QS阈值更早达到，外源添加AHL已被广泛应用于生物膜反应器中（Wang等，2020b）。Wang等人（2022）证明，添加N-十二酰基-l-高丝氨酸内酯增强了小球藻-细菌系统的絮凝活性，从而增加了芳香族蛋白质的产生。Sharif等人（2008）研究表明，蓝藻Gloeothece PCC6909能够通过LuxI/R蛋白模型感知细菌产生的N-辛酰基-l-高丝氨酸内酯，并调节其环境适应性和种群密度。Wang等人（2020b）报道了低浓度下生物膜形成（如初始粘附时间、生物膜厚度、密度）与AHL之间的线性关系，而在高AHL浓度下线性关系消失。因此，AHL的阈值浓度对于QS启动至关重要，因为微藻可以感知AHL并产生次级代谢物作为响应。然而，QS阈值以及AHL在藻类生物膜形成过程中介导藻菌相互作用的机制仍不清楚。

为研究AHL调控藻类生物膜形成的机制，本研究建立了三种生物膜系统（藻类、细菌、藻菌）以区分藻类和细菌在酱油废水中营养物去除、生物质附着和EPS分泌中的贡献；其次，评估了微生物群落结构以及AHL的类型和浓度对三种系统生物膜发育的影响；通过外源优化实验确定了AHL的阈值浓度，证明其在藻菌通讯和生物膜形成中的调控作用；此外，采用多组学分析研究了微藻对选定AHL种类在藻类生物膜发育过程中的响应。本研究旨在为利用藻菌生物膜提高废水处理效率提供有效策略。

章节片段

酱油废水与藻株

酱油废水取自中国烟台欣和酱油酿造厂的发酵车间。废水经200目筛网过滤去除杂质，然后分为两部分（原酱油废水：RSW，灭菌酱油废水：SSW）。两部分均在4°C下保存。RSW的理化性质汇总于表S1中。绿藻小球藻（Chlorella pyrenoidosa）NCU-12分离自中国南昌麦园垃圾填埋场的渗滤液。藻类种子培养采用BG-11培养基维持

生物膜形成与营养物去除

三种处理中，生物膜生物量的附着干重随培养时间的延长而增加（图1a）。在培养8天时，ABS处理中观察到显著最高的生物量（56 g m^?2）（Tukey-Kramer事后检验，p < 0.05），其次为ALG和BAC处理，分别为39 g m^?2和15 g m^?2（图1a）。培养2天后，三组生物膜培养物的pH值变化相对稳定（pH 8–10）（ANOVA，p > 0.05）（图1b）。

结论

本研究表明，C4-HSL提高了营养物去除效率和生物膜生物量。通过与微藻受体结合，C4-HSL激活了参与蛋白质加工、运输和能量代谢的基因，调控细胞骨架形态和代谢，以促进生物膜的形成和成熟。本研究为废水处理中藻类生物膜的快速启动和稳定运行提供了有效策略：（1）加速微藻的初始附着

CRediT作者贡献声明

Zimin Hu：写作–原稿，可视化，方法学，正式分析，数据管理，概念化。Xin Liu：写作–审阅与编辑，资金获取。Hao Wang：写作–审阅与编辑，正式分析。Yaping Ding：写作–审阅与编辑。Can Qiu：写作–审阅与编辑。Chunyang Ma：写作–审阅与编辑。Guannan Ding：写作–审阅与编辑。Sicheng Duan：写作–审阅与编辑。He Yan：写作–审阅与编辑。Peilun Xu：写作–审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，可能影响本文所报告的工作。

致谢

我们感谢南昌大学资源与环境学院的工作人员对本研究的协助和支持。

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：32460926）、广西壮族自治区自然科学基金（项目编号：2025GXNSFAA069312）、江西省自然科学基金（项目编号：20242BAB25275）、国家自然科学基金（项目编号：32260922、32373154）的资助。

Zimin Hu|Xin Liu|Hao Wang|Yaping Ding|Can Qiu|Chunyang Ma|Guannan Ding|Sicheng Duan|He Yan|Peilun Xu|Rui Xu|Qiang Huang|Yuening Luo|Xianling Qin|Donglin Zhu|Jun Qian|Wenguang Zhou