颗粒污泥中群体感应的环境影响因素及其对EPS的调控机制

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2025-0096

摘要/Abstract

摘要：

由信号分子介导的群体感应（Quorum sensing，QS）在污泥颗粒化及维持颗粒结构稳定中发挥重要作用。总结了颗粒污泥系统中典型信号分子的结构、来源、作用位点以及QS作用机制；阐释了环境因素对颗粒污泥系统中QS的影响；并从影响微生物物质代谢、能量代谢以及胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）生物合成蛋白的角度，系统综述了QS调控EPS合成的机制及其在颗粒污泥系统中的研究进展。基于当前研究的局限性，对未来颗粒污泥系统中QS相关的研究重点进行了展望，以期为通过QS调控强化颗粒污泥性能、提升废水处理效率提供新的思路。

关键词: 信号分子, 群体感应, 胞外聚合物, 颗粒污泥

Abstract:

Quorum sensing(QS),mediated by signaling molecules,plays a crucial role in sludge granulation and maintaining the stability of particle structure. This paper summarized the structure,sources,action sites,and QS mechanisms of typical signaling molecules in granular sludge systems. The effects of various environmental factors on QS in granular sludge systems were discussed from different perspectives. The mechanism by which QS regulates the synthesis of extracellular polymeric substances(EPS) and its progress in granular sludge systems were reviewed,with focus on microbial metabolism,energy metabolism,and EPS biosynthetic proteins. Based on the limitations of current research,this paper also prospected the future research focus on QS in granular sludge systems,aiming to provide new insights for improving wastewater treatment efficiency through QS-enhanced granular sludge.

Key words: signaling molecules, quorum sensing, extracellular polymeric substances, granular sludge

中图分类号:

X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I11/8

图/表 5

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[79]	DING Yangcheng， FENG Huajun， HUANG Wenkun，et al. A sustainable method for effective regulation of anaerobic granular sludge：Artificially increasing the concentration of signal molecules by cultivating a secreting strain［J］. Bioresource Technology，2015，196：273-278. doi:10.1016/j.biortech.2015.07.066
[80]	TANG Aiqi， LI Chunyan， FENG Donglei，et al. Deciphering the code of temperature rise on aerobic granular sludge stability：A DSF-c-di-GMP mediated regulatory mechanism［J］. Environmental Research，2025，267：120705. doi:10.1016/j.envres.2024.120705
[81]	SHI Hongxin， WANG Jing， LIU Shaoyang，et al. New insight into filamentous sludge bulking：Potential role of AHL-mediated quorum sensing in deteriorating sludge floc stability and structure［J］. Water Research，2022，212：118096. doi:10.1016/j.watres.2022.118096
[82]	ZHANG Bing， LI Wei， GUO Yuan，et al. A sustainable strategy for effective regulation of aerobic granulation：Augmentation of the signaling molecule content by cultivating AHL-producing strains［J］. Water Research，2020，169：115193. doi:10.1016/j.watres.2019.115193

名称	作用位点	QS系统	参考文献
AHLs	G^-，种内	LuxI/R，LasI/R，RhlI/R，AfeI/R，TofI/R	〔22-28〕
AIP	G⁺，种内	Agr，ABC， TCSTS	〔29-32〕
AI-2	G⁺及G^- 种内及种间	LuxS/LuxPQUO	〔33-34〕
c-di-GMP	G⁺及G^- 细胞内	DGC/PDE，效应器及末端靶点	〔35-37〕
DSF	G^-，种内及种间	RpfF，RpfCGR， RpfB	〔38-40〕

名称	作用位点	QS系统	参考文献
AHLs	G^-，种内	LuxI/R，LasI/R，RhlI/R，AfeI/R，TofI/R	〔22-28〕
AIP	G⁺，种内	Agr，ABC， TCSTS	〔29-32〕
AI-2	G⁺及G^- 种内及种间	LuxS/LuxPQUO	〔33-34〕
c-di-GMP	G⁺及G^- 细胞内	DGC/PDE，效应器及末端靶点	〔35-37〕
DSF	G^-，种内及种间	RpfF，RpfCGR， RpfB	〔38-40〕

分类	环境因素	对QS的影响	参考文献
信号分子结构	pH	碱性条件下AHLs结构稳定性显著下降过酸条件下AHLs-QS系统被破坏	〔51-53〕
QS相关菌属丰度	pH	碱性条件下Ca²⁺沉淀形成无机晶核富集功能菌株，促进c-di-GMP产生并刺激psl和alg基因的表达合成PS	〔54〕
	有毒有机物	苯酚胁迫下AGS造粒过程中AHLs含量先增加后降低	〔20〕
	SRT	较短的SRT（6 d）富集AHLs分泌菌，促进EPS分泌	〔55〕
QS相关基因表达	低浓度纳米零价铁	c-di-GMP合成蛋白（DGC）丰度增加且降解蛋白（PDE）丰度降低，c-di-GMP含量增加促进EPS分泌并降低细菌的运动活性	〔56〕
	盐度胁迫	AHLs合成基因（hdtS、luxI）和AI-2合成基因（luxS）丰度上调	〔3〕
	低DO胁迫	DSF合成蛋白（RpfF）、c-di-GMP合成蛋白（DGC）以及DSF受体蛋白（RpfR）的表达均显著上调	〔10〕

分类	环境因素	对QS的影响	参考文献
信号分子结构	pH	碱性条件下AHLs结构稳定性显著下降过酸条件下AHLs-QS系统被破坏	〔51-53〕
QS相关菌属丰度	pH	碱性条件下Ca²⁺沉淀形成无机晶核富集功能菌株，促进c-di-GMP产生并刺激psl和alg基因的表达合成PS	〔54〕
	有毒有机物	苯酚胁迫下AGS造粒过程中AHLs含量先增加后降低	〔20〕
	SRT	较短的SRT（6 d）富集AHLs分泌菌，促进EPS分泌	〔55〕
QS相关基因表达	低浓度纳米零价铁	c-di-GMP合成蛋白（DGC）丰度增加且降解蛋白（PDE）丰度降低，c-di-GMP含量增加促进EPS分泌并降低细菌的运动活性	〔56〕
	盐度胁迫	AHLs合成基因（hdtS、luxI）和AI-2合成基因（luxS）丰度上调	〔3〕
	低DO胁迫	DSF合成蛋白（RpfF）、c-di-GMP合成蛋白（DGC）以及DSF受体蛋白（RpfR）的表达均显著上调	〔10〕

研究内容	信号分子类型	主要结论	参考文献
QS对EPS含量及组成比例的调节作用	AHLs	内源性AHLs显著促进TB-EPS分泌	〔76〕
		外源添加AHLs增强EPS分泌	〔77〕
		AHLs酰化酶使AHLs失活，导致EPS含量显著下降	〔78〕
	AI-2	添加AI-2分泌菌促进EPS分泌并提高污泥相对疏水性	〔79〕
	DSF	添加DSF降低EPS含量，添加DSF抑制剂促进EPS分泌	〔80〕
QS对EPS的性能、结构及功能菌群丰度的影响	AHLs	AHLs-QS诱导PN含量增加，但PN疏水性变差；而添加群体感应猝灭剂后，PN含量减少且疏水性改善	〔81〕
QS对EPS的性能、结构及功能菌群丰度的影响	AHLs	添加富含AHLs的QS菌液诱导内源性AHLs产生，富集EPS分泌菌群，促进EPS分泌	〔82〕
QS调控EPS合成的潜在机制	AHLs、c-di-GMP等	QS通过调节物质代谢和能量代谢过程中关键基因的表达，为EPS的合成提供底物和能量，并通过信号分子调控EPS相关酶的活性直接影响EPS的合成	〔57-58，71〕

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