Acidovorax soli Q11生物絮凝形成的分子机制及其应用潜力

《Applied Microbiology and Biotechnology》：Molecular mechanism underlying biofloc formation of Acidovorax soli Q11 and its application potential

　　

摘要

生物絮凝技术（BFT）是一种新兴的基于微生物的水产养殖技术，它通过生物絮凝微生物的作用将过量的氮污染物（如氨氮和亚硝酸盐）吸收进生物絮凝生物质中，从而提高系统的生产力，而无需依赖传统的硝化-反硝化或厌氧氨氧化过程。传统上，BFT是通过提高碳氮比（C/N）来促进生物絮凝微生物对氨的吸收以及氨基酸和蛋白质的生物合成，这些微生物的生物质可以被滤食性水生动物摄取并作为营养物质。在这项研究中，我们从多个水产养殖系统中分离出一系列能够形成生物絮凝的细菌，并系统地研究了来自淡水鲟鱼养殖池塘的Acidovorax soli Q11菌株中控制生物絮凝形成的分子机制。通过对Q11菌株进行分子遗传分析并结合全基因组测序，发现生物絮凝的形成可能受到纤维素生物合成（bcs）基因的调控。进一步利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）对胞外聚合物物质（EPS）进行表征，结果表明这些分泌的EPS在物理化学性质上与细菌纤维素高度相似。然而，这些生物絮凝物质表现出显著的抗纤维素酶降解能力。值得注意的是，Q11菌株的基因组包含两个不同的bcs基因簇，分别对应于Ic型（含有< />基因）和IIc型（含有< />和< />基因），这表明这种双bcs操纵子系统可能有助于增强类似纤维素的基质的结构稳定性。此外，Q11菌株能够有效去除铵离子（NH₄⁺）和亚硝酸盐（NO??），在36小时内完全去除初始浓度为39 mg/L的NH₄⁺，在77小时内完全去除65 mg/L的NO??，且未检测到有毒氮中间产物的积累。该菌株还表现出广泛的碳源利用能力，能够在水产养殖系统中常用的底物上有效生长，例如葡萄糖、红糖、发酵产生的碳源以及米糠。总体而言，这些发现为生物絮凝的形成机制提供了新的见解，并突显了Acidovorax soli Q11作为BFT系统中生物强化候选菌株的潜力，其在可持续水产养殖和富含氮的废水处理方面具有应用前景。

关键点

• Acidovorax soli Q11中的生物絮凝形成机制由一个双bcs操纵子系统调控。

• Q11菌株分泌的EPS具有较高的结构稳定性和抗纤维素酶能力。

• Q11菌株能够高效去除铵离子和亚硝酸盐，适用于废水生物强化。