题目：外源腐胺对活性污泥生物膜的pH胁迫适应性具有开关式影响

第一作者：蒋冠羽

通讯作者：王灿

通讯单位：天津大学

DOI：10.1128/aem.00569-24

期刊：Applied and Environmental Microbiology

摘要

微生物群落对pH胁迫的适应性在生物膜的形成中起着至关重要的作用。本研究旨在探讨外源性腐胺对pH胁迫的调控机制，加深对生物膜调控的技术措施和分子机制的认识和应用。结果表明，外源性腐胺作为一种开关式分布器，影响微生物的pH胁迫，在酸性条件下促进生物膜的形成，在碱性条件下抑制生物膜的形成。随着pH的降低，腐胺的质子化程度增加，使腐胺更容易被吸附。质子化的外源性腐胺可以增加细胞膜的通透性，使其更容易进入细胞。随后，腐胺通过增强以谷氨酸为基础的耐酸策略和γ-氨基丁酸代谢途径消耗细胞内H⁺，从而减少细胞的酸胁迫。此外，腐胺刺激了ATP酶的表达，使H⁺跨膜运输的能量得到更好的利用，并增强了氧化磷酸化活性。然而，腐胺在碱性条件下质子化受到限制，细胞内H+消耗进一步加剧了碱胁迫，抑制了细胞代谢活性。外源性腐胺促进了酸性胁迫下真菌和嗜酸菌以及碱胁迫下嗜碱菌的比例，而对碱性生物膜中真菌的影响有限。在碱条件下增加蛭弧菌和腐胺进一步加剧了生物膜的分解。本研究揭示了外源性腐胺、环境pH和生物膜pH胁迫适应性之间不明确的关系。通过合理使用腐胺，可以控制生物膜的形成，以满足不同特性的工程应用需求

重要性

本研究旨在揭示外源性腐胺影响生物膜pH胁迫适应性的调控机制，并了解环境pH在这一复杂过程中的作用。研究结果表明，外源性腐胺是影响生物膜活性污泥pH胁迫适应性的开关式分配器，在酸性条件下促进了生物膜生长和繁殖过程的能量利用，而在碱性条件下限制了生物膜的发育以节约能量。本研究不仅澄清了外源性腐胺、环境pH和生物膜pH胁迫适应性之间的模糊关系，而且为增强极端环境下生物膜的稳定性提供了新的见解。通过调节能量利用，控制生物膜的生长，实现更有效的工程目标是可能的。

研究背景

近年来，腐胺已被证明对微生物有益。腐胺参与多种细胞过程，包括细胞生长和分裂、基因调控和应激反应，可以改善微生物生长和代谢活动。一些研究强调了外源性腐胺对纯生物膜生长的不同影响(促进或抑制或不明显影响)。对于许多微生物来说，最基本的生长途径通常是普遍的和保守的。因此，研究混合系统中的腐胺保守作用具有更大的实用价值。此外，微生物底物代谢过程(如溶液捕获、跨膜运输和代谢反应)可受pH显著影响，从而改变底物电荷状态、跨膜质子动力学和细胞内代谢途径。因此，pH条件是影响生物膜对外源性腐胺反应的关键因素。然而，在复杂的群落系统中，pH 对外源腐胺的吸收、代谢和利用的影响还缺乏报道。弄清外源性腐胺在不同pH下的作用机理，是合理利用腐胺以达到更好的工程目的的前提条件。本研究旨在为腐胺在复杂生物膜系统中的合理应用提供理论依据。这将加深我们对生物膜调控的技术措施和分子机制的认识和应用。通过合理地使用腐胺，可以减少pH胁迫对生物膜的不利影响，从而提高其在极端酸碱环境中的性能。

结果与讨论

实验现象表明，外源性腐胺对不同pH条件下生物膜的pH胁迫适应性呈现开关式影响，这一现象之前很少有报道。其影响机制为解释外源腐胺对生物膜影响的差异现象提供了新的视角。

附着在微生物表面的黏附聚合物基质主要由带负电荷的蛋白（PN）和亲水性多糖（PS）组成。腐胺的质子化程度随着pH的增加而降低。EPS内带负电荷的核酸和PN通过静电力对质子化腐胺进行强吸附。腐胺可以与PS和水分子形成氢键网络促进外源腐胺的吸收。细胞膜表面的磷脂分子易于与质子化腐胺发生静电相互作用。此外，磷脂分子内的氧原子可以作为氢键受体。在酸性条件下，质子化腐胺与微生物细胞膜之间的相互作用进一步增强了腐胺的吸收（图2d）。微生物更喜欢从环境中直接吸收腐胺，而不是消耗能量的内源性合成，这有利于在营养有限的环境中节约能量。 

微生物具有维持内部稳态的能力，从而在恶劣的外部环境下保持相对稳定的细胞内pH (pHi)。腐胺能在较宽的pH范围内通过强化谷氨酰胺-谷氨酸- GABA代谢途径提高微生物的pHi值。外源性腐胺影响细胞内过程的机制在不同的pH条件下有所不同(图3g)。在酸性环境中通过消耗胞内质子来缓解胞质酸化，同时通过OH^-的积累引起胞质碱化，从而导致微生物生长和代谢的深刻差异。

微生物的生长和繁殖是由氧化磷酸化驱动的，氧化磷酸化显著影响生物膜的pH胁迫适应性。在酸性条件下，氧化磷酸化活性水平升高，表明细胞内能量可用性充足，细胞倾向于消耗ATP进行生长和同化代谢。相反，在碱性条件下，ATP水平降低表明细胞内能量利用受到抑制，细胞倾向于优先考虑ATP合成和能量积累而不是代谢生长。外源性腐胺可能通过影响pHi和H⁺转运活性来调节微生物氧化磷酸化(图4c)。腐胺可以与细胞膜上的离子通道或转运蛋白相互作用，改变它们的构象或活性，增加H⁺转运速率。

我们发现外源性腐胺与pH协同影响腐胺代谢、AR策略、质子转运和氧化磷酸化相关基因的丰度(图5a)。外源性腐胺可能会增强嗜酸菌和真菌在酸胁迫下的生存能力(图5b)。它们保守的酸适应策略与氧化呼吸链使外源腐胺在pH <4时增强了其代谢活性。然而，外源腐胺使嗜酸细菌和真菌的丰度在碱性胁迫下下降，这可能与嗜酸酶对H⁺的高度敏感性有关。有趣的是，细胞内OH^-的增加刺激了嗜碱细菌的增殖(图5b)。值得注意的是，作为小型掠食性亲碱细菌的蛭弧菌成员可以阻止生物膜的形成并破坏已建立的生物膜，这对pH胁迫抗性是有害的。

研究展望

维持功能性微生物的活性是实现生物膜反应器稳定运行的关键。然而，持续保持最佳条件需要复杂的操作，并且容易使不需要的功能微生物生长。生物膜反应器具有功能区密集的优点，通过添加外源物质控制其性能的技术已被广泛报道。我们的研究提供了一种在酸性条件下增强微生物代谢活性以抵抗酸性胁迫的方法，这在许多基于生物膜的酸化领域显示了潜在的应用前景，例如在脱氯或脱硫过程中抵抗生物膜自酸化的破坏以及培养生物膜用于酸性废弃物预处理。外源腐胺能促进酸胁迫下生物膜的生长，与传统的酸胁迫缓解方法相比，对生物膜的破坏小，应用范围广，无二次污染。此外，本研究还表明，在碱性环境下，外源性腐胺抑制微生物能量代谢，限制生物膜生长。因此，它有可能限制碱化情况下(如碱污水管道)生物膜的形成和扩散。虽然本研究中使用的是纯化学物质，但低剂量腐胺的积极作用表明其应用的经济效益。此外，腐胺的合成和分泌基因在微生物中是保守的，刺激腐胺的产生或与产生腐胺的细菌共同培养生物膜可能是一种更有效的未来应用方法。然而，实际应用中仍需要考虑潜在的问题，如在酸性胁迫下生物膜的过度积累可能造成堵塞。