本研究由华中科技大学环境科学与工程学院刘作成、曾婷等团队联合中央华中师范大学化学学院王金龙、北京工业大学彭永臻院士团队共同完成，成果发表于《Water Research》2025年第282卷。论文标题为《AHL-mediated quorum sensing drives microbial community succession and metabolic pathway in algal-bacterial biofilm system》，聚焦藻菌生物膜系统中群体感应（Quorum Sensing, QS）对微生物群落演替及代谢通路的调控机制。

学术背景

水体氮污染对生态系统构成严重威胁，传统硝化-反硝化工艺存在高能耗问题。近年来，厌氧氨氧化（Anammox）、部分亚硝化-厌氧氨氧化（PN/A）及藻菌共生系统因其低碳特性受到关注。藻菌共生系统通过微藻光合作用供氧，细菌降解污染物并释放CO₂反哺微藻，形成能量物质循环。然而，藻菌平衡的维持机制尚不明确，尤其是酰基高丝氨酸内酯（AHLs）介导的群体感应如何调控生物膜形成与功能。本研究旨在解析藻/部分亚硝化/厌氧氨氧化（A/PN/A）生物膜系统中AHLs驱动的微生物互作机制，为高效脱氮提供理论支撑。

研究流程

1. 系统构建与运行

研究分三阶段构建生物膜系统：
- Anammox阶段（1–35天）：接种厌氧氨氧化污泥，无光照条件下培养；
- PN/A阶段（36–70天）：添加部分亚硝化污泥，控制溶解氧（DO）0.4–0.8 mg/L；
- A/PN/A阶段（71–120天）：引入微藻（Geitlerinema属），光照强度280 μmol/(m²·s)，形成分层生物膜结构（外层藻类/好氧菌，内层厌氧菌）。

反应器为4.5 L序批式反应器（SBR），填充聚氨酯泡沫载体，温度25±2°C，水力停留时间20小时。每阶段末期采集生物膜样本，分析MLSS、EPS、血红素c（Heme c）及叶绿素a（Chl-a）等指标。

2. 分析方法

• 水质监测：NH₄⁺-N、NO₃⁻-N、NO₂⁻-N浓度采用标准方法测定；
  
• EPS组分：Lowry法测蛋白质（PNs），蒽酮法测多糖（PSS）；
  
• AHLs检测：通过固相萃取（SPE）结合LC-MS定量水相、EPS相和污泥相中8种AHLs；
  
• 宏基因组测序：Illumina MiSeq平台分析微生物群落及功能基因；
  
• 共现网络分析：基于Spearman相关性构建网络，计算负相关性、标准介数中心性等拓扑参数。
  

3. 创新方法

• 分层生物膜培养技术：通过载体分层实现好氧/厌氧微环境分区；
  
• AHLs时空分布解析：首次关联AHLs链长与溶解性差异在生物膜三相中的分布规律；
  
• QS功能基因贡献度分析：结合KEGG数据库量化各属对QS基因的功能贡献。

主要结果

1. 脱氮性能
   A/PN/A阶段总氮（TN）去除率>93%，无需外加碳源与曝气。微藻光合作用使系统CO₂理论负排放达1.35 kg CO₂/kg-N（表S4）。

2. 微生物群落

• 优势菌属：厌氧氨氧化菌（Ca. Brocadia，13.86%）、氨氧化菌（Nitrosomonas，6.37%）、微藻（Geitlerinema，2.88%）；
  
• 亚硝酸盐氧化菌（Nitrospira）丰度从PN/A阶段的0.29%降至0.25%，抑制NO₃⁻-N积累。
  

1. 代谢通路基因
   

• 厌氧氨氧化功能基因（hdh、hzs）在A/PN/A阶段丰度回升；
  
• 反硝化基因（nirA）和氨同化基因（gltB/D）显著增加，促进NO₃⁻-N去除（图2b）。
  

1. 共现网络特征
   

• 负相关性从AMX阶段的36.07%升至39.38%，反映种间竞争增强；
  
• 标准介数中心性提高至0.304，网络脆弱性降至0.028，显示藻菌共生提升系统稳定性（图3d–f）。
  

1. AHLs调控作用
   

• 短链AHLs（C4–HSL、C6–HSL）富集于水相，长链（C12–HSL）分布于EPS/污泥相；
  
• C4–HSL（60.73 ng/L）促进亚硝酸盐积累，C12–HSL（27.22 ng/L）刺激厌氧氨氧化菌生长；
  
• 3-氧代修饰AHLs（如3-oxo-C12–HSL）浓度增加17倍，表明微藻供氧强化QS信号传递（图4a）。
  

1. QS功能基因
   Ca. Brocadia对QS基因贡献度最高（4.86%），Nitrosomonas（6.61%）和Geitlerinema（1.36%）次之，证实三者为核心信息交换枢纽（图4c）。

结论与价值

本研究揭示AHLs介导的群体感应通过调控微生物互作、代谢通路及网络稳定性，驱动藻菌生物膜系统高效脱氮。科学价值在于：
1. 阐明AHLs链长分布与功能分化的关联机制；
2. 提出微藻光合供氧优化QS信号传递的新途径；
3. 为低碳废水处理工艺设计提供理论依据。应用价值体现在：
- 无需外加碳源与曝气，降低能耗；
- 生物膜分层策略可推广至其他共生系统。

研究亮点

1. 方法创新：首次整合AHLs时空分布分析与共现网络拓扑参数，量化QS对生物膜稳定性的影响；
   
2. 发现新颖性：揭示C12–HSL促进藻菌生物絮体形成的分子机制；
   
3. 工程指导性：证实分层生物膜结构可协调好氧/厌氧菌的氧需求矛盾。
   

其他价值

研究指出Lautropia（丰度<1.8%）对QS基因贡献超2%，提示低丰度菌可能在信号传递中起关键作用，为后续微生物功能挖掘提供方向。