内源性群体感应调控微生物群体行为以适应厌氧消化温度降低

《Environmental Microbiome》：Endogenous quorum sensing orchestrates microbial social behaviors for anaerobic digestion adaptation to temperature reduction

本文研究了逐步降温条件下，内源性群体感应(QS)系统如何调控厌氧微生物的群体行为，以帮助上流式厌氧污泥床(UASB)反应器适应低温胁迫。研究发现，温度从35°C降至20°C时，系统通过微生物群落结构转变(如从产乙酸甲烷途径向氢营养型转变)、胞外聚合物(EPS)分泌调节(特别是蛋白质与多糖比例PN/PS的变化)以及关键QS信号分子(如AHLs和AI-2)的介导，有效维持了化学需氧量(COD)去除效率(78-79%)和颗粒污泥的物理化学特性。该成果揭示了QS在低温环境调控微生物协作、维持反应器性能稳定中的核心作用，为优化低温厌氧废水处理工艺提供了新见解。

　　

引言

厌氧消化(AD)是一种经济高效的废水处理方法，其中上流式厌氧污泥床(UASB)反应器因其高有机负荷率(OLR)和经济优势而被广泛应用。然而，中温厌氧消化(30-40°C)的性能和稳定性极易受温度波动影响，低温会显著抑制微生物生长和产甲烷活性，导致挥发性脂肪酸(VFAs)积累和COD去除效率下降(降幅可达50-70%)。微生物在厌氧污泥中按功能分类，包括水解发酵菌(HFB)、产氢产乙酸菌(SAOB)、互营丙酸盐氧化菌(SPOB)、互营丁酸盐氧化菌(SBOB)、产乙酸甲烷菌(AM)和氢营养型产甲烷菌(HM)。其中丙酸盐和乙酸盐的降解通常被认为是厌氧消化过程的潜在瓶颈，因为相关功能菌群(如许多SPOBs)对温度变化敏感。为获得相同的COD去除率，低温下运行的UASB通常需要维持高污泥浓度，这会触发群体感应(QS)系统。QS是一种由自诱导物介导的细胞间通讯，主要分为调控种内行为的N-酰基高丝氨酸内酯(AHLs)和调控种间相互作用的自诱导分子2(AI-2)。环境因素如温度、pH、氮素有效性等对QS分子分泌有重要影响。尽管已有研究关注外源性QS信号分子在压力条件下对UASB性能恢复的促进作用，但低温胁迫对内源性QS分子及由其介导的微生物互作的影响尚不完全清楚。

本研究利用已稳定运行200天的实验室规模UASB反应器，探究了在逐步降温(从35°C以5°C间隔降至20°C)条件下，QS系统介导的微生物应激适应机制。研究旨在：(1) 揭示逐步降温对UASB性能的影响；(2) 阐明温度降低对颗粒污泥理化性质的影响；(3) 监测降温过程中的AHLs和AI-2变化；(4) 调查温度降低对古菌和细菌群落结构的影响；(5) 探究QS系统调控颗粒污泥应对温度降低的机制。

材料与方法

UASB由有机玻璃制成，高度80厘米，有效容积4升，顶部设有三相分离器。接种污泥取自污水处理厂，以稀释糖蜜(主要含蔗糖)为进水，并通过NaHCO₃调节碱度。运行期间，水力停留时间(HRT)恒定在12小时，有机负荷率(OLR)维持在4 kgCOD/(m³·d)。整个实验分为四个阶段，温度从35°C (Phase 1)逐步降至30°C (Phase 2)、25°C (Phase 3)和20°C (Phase 4)。在每个阶段结束时，从反应器不同高度的采样口收集污泥样品，用于分析EPS理化性质、QS信号分子浓度以及微生物群落结构(通过16S rRNA高通量测序)。采用超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)检测11种AHLs分子(C₄-HSL、C₆-HSL、OXOC₆-HSL、C₈-HSL、OXOC₈-HSL、C₁₀-HSL、OXOC₁₀-HSL、C₁₂-HSL、OXOC₁₂-HSL、C₁₄-HSL和OXOC₁₄-HSL)。通过基于^{Vibrio harveyi}的生物报告菌株检测AI-2的相对活性。

结果与讨论

1. UASB反应器性能

随着温度从35°C逐步降至20°C，反应器COD去除率在经过短期波动后均能恢复并稳定在78–79%。温度降低初期，出水中乙酸盐和丙酸盐出现积累(分别高达115.70 mg/L和56.07 mg/L)，且出现了短暂的H₂累积(最高达3.65%)。这些现象表明，HFB对环境温度波动耐受性最高，而SPOB和AM表现出显著敏感性。但随着运行时间延长，VFAs和H₂被逐渐消耗，表明产甲烷菌和互营菌群在低温胁迫下活性得以恢复。

2. 温度降低对微生物群落演替的影响

细菌群落方面，温度降低显著改变了群落结构。厚壁菌门(Firmicutes)和绿弯菌门(Chloroflexi)等丰度下降，而耐低温的变形菌门(Proteobacteria)在低温(20°C)下成为优势门，丰度达到62.5%。在属水平上，具有水解/发酵功能的_{Pleomorphomonas}和参与发酵代谢及互营互作的_{Christensenellaceae}R-7菌群在低温下丰度显著增加，成为UASB在低温胁迫下维持性能的微生物基础。

古菌群落方面，产甲烷途径发生了从乙酸营养型(AM)向氢营养型(HM)的转变。在35°C时，AM的代表属_Methanosaeta相对丰度最高(60.75%)。随着温度降至20°C，_Methanosaeta丰度下降至53.20%，而HM属如_{Methanobacterium}和_{Methanospirillum}的相对丰度则显著增加(分别从13.90%增至17.50%，以及从2.05%增至10.50%)。这一转变可能是维持低温下持续产甲烷活性的关键。

3. 内源性QS信号图谱及其在厌氧食物网中的调控作用

C₄-HSL是所有阶段中占主导地位的AHL，平均浓度为5.14 ng/L，可能预示着HFB的饥饿状态，表明其在温度波动下代谢活性依然旺盛。C₆-HSL与温度呈负相关关系，其浓度的下降可能与低温下乙酸积累有关。AI-2的相对活性在不同温度下变化显著，在30°C时活性最高(0.182 ± 0.008)，而在20°C时降至最低(0.099 ± 0.006)。这些QS分子的低浓度变化与之前研究一致，表明低浓度的QS足以诱导厌氧消化过程中的微生物社会行为。

4. UASB中厌氧颗粒污泥的特性

4.1 对生物量和颗粒污泥的影响

随着温度降低，颗粒污泥形态发生变化，在25°C和20°C时出现了白色荚膜。颗粒平均尺寸在30°C时最大(端口3#: 918.11 ± 37.10 μm)，但在温度进一步降低后显著减小。然而，混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)在20°C运行50天后恢复至32.65 g/L，这可能是系统在低温下性能得以维持的原因。

4.2 对物理性质的影响

相对疏水性随温度降低而下降，这可能是由于亲水的HFB附着在颗粒污泥上所致。Zeta电位的变化表明，低温下颗粒污泥表面的电负性官能团减少，静电斥力减弱，理论上有利于微生物聚集，但实际观察到的颗粒尺寸减小和自絮凝能力下降，表明可能与其他因素(如EPS组成变化)共同作用导致了颗粒结构的变化。

4.3 对胞外聚合物(EPS)的影响

温度降低改变了EPS的组成和分布。在25°C以上时，蛋白质(PN)主要分布在疏松型EPS(Slime)和紧密型EPS(TB-EPS)层；而在20°C时，PN在各EPS层中含量趋于相近。PN含量随温度从35°C降至25°C呈下降趋势。多糖(PS)含量在从35°C降至30°C时减少，但在25°C时随温度降低而增加。EPS组成的变化受反应器内底物可用性的影响。研究表明，_Methanosaeta和_{Methanobacterium}与LB-EPS呈正相关，这表明增强的EPS分泌有助于富集产甲烷菌，从而支持了温度降低下产甲烷过程的稳定。

5. 内源性QS调控的污泥颗粒化行为

Mantel检验揭示了QS信号分子、微生物群落与颗粒污泥性质之间的关联。AI-2与TB-EPS中的PN呈显著负相关。C₆-HSL和C₁₀-HSL对TB-EPS中的PS有显著正向影响。C₈-HSL和OXOC₆-HSL与Slime和LB-EPS中的PN呈显著正相关，而C₆-HSL、C₁₀-HSL和C₁₄-HSL则呈负相关。有趣的是，只有C₁₄-HSL与污泥粒径呈显著正相关(_P< 0.05)，而C₁₄-HSL已被确定为AMs的分泌产物。这些结果表明，特定的QS分子通过调节EPS的分泌，影响了颗粒污泥的物理化学特性和微生物群落组装，从而在低温适应中扮演了重要角色。

结论

内源性QS分子，特别是AHLs和AI-2，在温度胁迫下调控微生物社会行为和EPS产生中发挥了至关重要的作用。同时，QS分子的变化与从乙酸营养型向氢营养型产甲烷途径的转变以及EPS组成(特别是PN/PS比例)的调整同步发生。这表明QS通过调节EPS分泌和群落黏附，促进了颗粒污泥结构的稳定，并维持了代谢互营和产甲烷作用，从而增强了系统对低温的适应性。这些发现深化了我们对温度影响厌氧系统的理解，并为优化嗜冷厌氧工艺提供了理论基础，以应对寒冷气候下对节能型废水处理工艺的需求。