Potenziali ruoli degli acil omoserina lattoni (AHL) nella sopravvivenza dei batteri nitrificanti in determinate circostanze avverse

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 705 (2023) Citare questo articolo

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I potenziali ruoli del quorum sensing (QS) nell’attività e nell’ecologia dei batteri nitrificanti, in particolare in circostanze avverse, sono stati raramente segnalati. Qui, otto reattori batch di sequenziamento della nitrificazione su scala di laboratorio, con o senza aggiunta di acil omoserina lattoni (AHL), sono stati utilizzati rispettivamente in circostanze avverse. I risultati hanno indicato che l'introduzione degli AHL ha migliorato significativamente l'efficienza di rimozione dell'azoto in presenza di inibitori della nitrificazione (diciandiammide, DCD), ha accelerato il gruppo a bassa temperatura (10 °C) portandolo allo stadio stabile e ha migliorato l'efficienza di utilizzo degli AHL in questi due gruppi. L'analisi comunitaria e la qPCR hanno ulteriormente confermato che gli AHL hanno aumentato significativamente l'abbondanza di batteri nitrificanti nel gruppo a bassa temperatura e nel gruppo DCD, in particolare AOB. In condizioni normali (28 °C, pH = 8) o con un pH basso (5,5), tuttavia, gli AHL non hanno avuto effetti significativi. L'analisi della corrispondenza canonica ha mostrato che i batteri nitrificanti hanno risposto positivamente agli AHL, indicando che l'aggiunta di AHL era una strategia efficace per regolare il processo di nitrificazione. Tuttavia, in condizioni acide, l’effetto di questo meccanismo di regolazione non era significativo, indicando che l’influenza del pH sul sistema era maggiore di quella degli AHL. Questo studio ha dimostrato che gli AHL esogeni potrebbero migliorare la competitività dei batteri nitrificanti per utilizzare più risorse e occupare spazio in alcune condizioni ambientali avverse.

I batteri nitrificanti sono tipi di batteri aerobi autotrofi relativamente deboli, con ciclo di generazione più lungo e requisiti più elevati per l'ambiente di sopravvivenza. Alcuni fattori avversi possono influenzare l'attività dei batteri nitrificanti, come la bassa temperatura (< 15 °C), il pH, il breve tempo di ritenzione idraulica (HRT), l'ammoniaca libera (FA) e l'acido nitroso libero (FNA)1,2. Inoltre, potrebbero essere presenti alcuni inibitori della nitrificazione (NI) in tracce nell'affluente dell'impianto di trattamento delle acque reflue, come la diciandiammide (DCD, un comune inibitore dell'ossidazione dell'ammoniaca frequentemente riportato negli impianti di trattamento delle acque reflue municipali)3, che possono inibire significativamente la attività dei batteri nitrificanti. Anche alcuni cambiamenti nei fattori ambientali hanno un impatto significativo sul processo di nitrificazione e ci vorrà molto tempo prima che il sistema raggiunga nuovamente un funzionamento stabile. Di conseguenza, è di grande importanza pratica esplorare il rapido recupero degli effetti negativi sul sistema di nitrificazione.

Il quorum sensing (QS) regola la relazione ecologica tra flora e comportamento fisiologico rilasciando e rilevando la concentrazione di molecole segnale per indurre l'espressione di geni correlati nei batteri e ottenere le funzioni fisiologiche e i meccanismi regolatori che i singoli batteri non possono realizzare, come come formazione di biofilm e produzione di metaboliti secondari, ecc.4,5,6. I batteri fanno affidamento sulle attività fisiologiche di cui sopra per sopravvivere in condizioni di stress ambientale7. I lattoni N-acil-omoserina (AHL), una delle sostanze di segnalazione del QS, sono stati ben caratterizzati nei batteri Gram-negativi8,9. Allo stato attuale, molti batteri nitrificanti sia in colture pure che miste hanno un effetto QS e la loro correlazione con QS è stata confermata dalla tecnologia di sequenziamento genetico10,11. Colture pure di soluzioni supernatanti di molti batteri ossidanti l'ammoniaca (AOB) potrebbero produrre AHL, come Nitrosomonas europaea e Nitrosospira multiformis11,12. Gli AHL sono stati rilevati anche nel bioreattore a membrana (MBR), nei biofilm nitrificanti e nei biofilm nitrificanti autotrofi13,14,15. Sebbene alcuni AOB non producano AHL (con il gene del recettore AHL, senza il gene AHL sintasi), possono utilizzare AHL12 esogeno. Recentemente è stato scoperto che Nitrosospira multiformis, un altro organismo modello AOB, possiede una sintasi e un regolatore di segnalazione QS di tipo LuxI/R, che può produrre molecole di segnalazione C4-HSL e 3-o-C14-HSL16. Yu et al. hanno scoperto che aumentare l'estinzione del quorum per inibire il QS nell'MBR ridurrebbe l'effetto della nitrificazione, dimostrando indirettamente l'importanza del QS per la nitrificazione17. Questi studi hanno mostrato una forte relazione tra batteri nitrificanti e QS. Pertanto, è ragionevole sospettare che il QS, che è molto importante per la sopravvivenza dei batteri in condizioni di stress ambientale, possa migliorare l’attività dei batteri nitrificanti e la rimozione dell’azoto in condizioni di stress.