Possíveis papéis das acil homosserina lactonas (AHLs) na sobrevivência de bactérias nitrificantes sob certas circunstâncias adversas

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 705 (2023) Citar este artigo

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Papéis potenciais de detecção de quorum (QS) na atividade e ecologia de bactérias nitrificantes, particularmente em circunstâncias adversas, raramente foram relatados. Aqui, oito reatores de batelada de sequenciamento de nitrificação em escala de laboratório, com ou sem adição de acil homoserina lactonas (AHLs) foram operados sob circunstâncias adversas, respectivamente. Os resultados indicaram que a introdução de AHLs aumentou significativamente a eficiência de remoção de nitrogênio na presença de inibidores de nitrificação (dicianodiamida, DCD), acelerou o grupo de baixa temperatura (10 °C) para o estágio estável e melhorou a eficiência de utilização de AHLs nesses dois grupos. A análise da comunidade e a qPCR confirmaram ainda que os AHLs aumentaram significativamente a abundância de bactérias nitrificantes no grupo de baixa temperatura e no grupo DCD, especialmente AOB. Para condição normal (28 °C, pH = 8) ou baixo nível de pH (5,5), no entanto, os AHLs não tiveram efeito significativo. A análise de correspondência canônica mostrou que as bactérias nitrificantes responderam positivamente aos AHLs, indicando que a adição de AHLs foi uma estratégia eficaz para regular o processo de nitrificação. No entanto, em condições ácidas, o efeito desse mecanismo regulatório não foi significativo, indicando que a influência do pH no sistema foi maior do que a dos AHLs. Este estudo demonstrou que os AHLs exógenos podem aumentar a competitividade das bactérias nitrificantes para utilizar mais recursos e ocupar espaço sob algumas condições ambientais adversas.

Bactérias nitrificantes são tipos de bactérias aeróbias autotróficas relativamente fracas, com ciclo de geração mais longo e maiores exigências no ambiente de sobrevivência. Alguns fatores adversos podem influenciar a atividade das bactérias nitrificantes, como baixa temperatura (< 15 °C), pH, curto tempo de retenção hidráulica (TRH), amônia livre (AF) e ácido nitroso livre (FNA)1,2. Além disso, pode haver alguns inibidores de nitrificação (NI) no afluente da estação de tratamento de esgoto, como a dicianodiamida (DCD, um inibidor de oxidação de amônia comum que é freqüentemente relatado em estações de tratamento de águas residuais municipais reais)3, o que pode inibir significativamente o atividade de bactérias nitrificantes. Algumas mudanças de fatores ambientais também têm um impacto significativo no processo de nitrificação e levará muito tempo para o sistema realizar uma operação estável novamente. Como consequência, é de grande importância prática explorar a rápida recuperação dos efeitos adversos no sistema de nitrificação.

A detecção de quorum (QS) regula a relação ecológica da flora e o comportamento fisiológico, liberando e detectando a concentração da molécula de sinal para induzir a expressão de genes relacionados em bactérias e alcançar as funções fisiológicas e mecanismos reguladores que uma única bactéria não pode realizar, como como formação de biofilme e produção de metabólitos secundários, etc.4,5,6. As bactérias dependem das atividades fisiológicas acima para sobreviver sob estresses ambientais7. As N-acil homosserina lactonas (AHLs), uma das substâncias sinalizadoras do QS, foram bem caracterizadas em bactérias Gram-negativas8,9. Atualmente, muitas bactérias nitrificantes em culturas puras e mistas têm efeito QS, e sua correlação com QS foi confirmada pela tecnologia de sequenciamento de genes10,11. Culturas puras de muitas soluções sobrenadantes de bactérias oxidantes de amônia (AOB) podem produzir AHLs, como Nitrosomonas europaea e Nitrosospira multiformis11,12. AHLs também foram detectados em biorreatores de membrana (MBR), biofilmes nitrificantes e biofilmes nitrificantes autotróficos13,14,15. Embora alguns AOB não produzam AHL (com gene receptor AHL, sem gene AHL sintase), eles podem usar AHL12 exógeno. Descobriu-se recentemente que Nitrosospira multiformis, outro organismo modelo de AOB, possui sintase de sinalização QS do tipo LuxI/R e regulador, que pode produzir moléculas de sinalização C4-HSL e 3-o-C14-HSL16. Yu et ai. descobriram que aumentar a extinção do quorum para inibir o QS no MBR reduziria o efeito da nitrificação, provando a importância do QS para a nitrificação indiretamente17. Esses estudos mostraram uma forte relação entre bactérias nitrificantes e QS. Assim, é razoável suspeitar que QS, que é muito importante para as bactérias sobreviverem sob estresses ambientais, pode melhorar a atividade das bactérias nitrificantes e a remoção de nitrogênio sob condições estressantes.