群体感应对尼古丁降解菌HF-1环境行为的调控及其机理研究

虽然在纯培养状态下，假单胞菌对尼古丁的降解特征已基本探明，但在复杂环境中，有关尼古丁降解菌的环境行为调控研究尚少，进而制约了其在实际烟草工业污染治理中的应用。鉴于此，本项目拟以尼古丁降解菌Pseudomonas sp.HF-1生物强化反应器为研究模型，融合分析化学手段和分子生物学方法，通过尼古丁降解有关的群体感应信号分子与菌株HF-1及其降解质粒pMH1之间关系的建立，探明群体感应对菌株HF-1环境行为（菌株定植和质粒转移）的调控规律；通过菌株HF-1与数量优势菌群间互作关系的研究，阐明群体感应对菌株HF-1定植调控的生理机制；通过HF-1信号转导基因突变株、HF-1野生株与主要质粒受体菌群间质粒转移行为差异的对比，初步探究群体感应对质粒pMH1转移调控的分子机制。本项目预期成果将丰富群体感应对尼古丁降解菌环境行为调控的相关理论和机理，为烟草废物中尼古丁生物降解合理调控提供重要的理论依据。

本项目以尼古丁降解菌Pseudomonas sp.HF-1生物强化反应器为研究模型，融合分析化学手段和分子生物学方法，不仅得出了生物强化反应器构建的最佳参数，而且对群体感应致菌株HF-1强化定植的生理机制进行了深入探索，对群体感应致质粒pMH1水平转移的分子机制进行了初步探究。本项目成果丰富了群体感应对尼古丁降解菌环境行为调控的相关理论和机理，为烟草废物中尼古丁生物降解合理调控提供重要的理论依据。主要获得以下结果：.（1）强化反应器构建的最佳参数为：1.10 mg/g（菌体干重/污泥干重）、pH 7.0、尼古丁负荷不超过1000 mg/L。对强化反应器运行过程中群体感应信号分子分析显示：种间信号分子AI-2大量释放实现菌株HF-1在活性污泥中成功定植的主要原因；系统中短链AHLs含量的突然升高可能是对接种菌在环境中定植失败的指示；长链AHLs大量分泌在活性污泥微生物中具有抵抗污染物质的毒害作用。.（2）信号分子N-hexanoyl-homoserine lactone (C6-HSL)、N-3-oxo-hexanoyl- homoserine lactone (3-oxo-C6-HSL)和N-3-oxo-octanoyl- homoserine lactone (3-oxo-C8-HSL) 均对菌株HF-1生物膜形成具有调控作用。添加群体感应淬灭剂，可以阻止了菌株HF-1在活性污泥中定植，进而使反应器的尼古丁和TOC去除能力显著下降。优化群体感应条件，可以使活性污泥聚集成颗粒污泥，减少菌株HF-1的流失。群体感应调控下的ESP分泌、生物膜形成、颗粒污泥形成甚至加快其他土著菌群的生物膜形成是群体感应对尼古丁降解菌HF-1菌株定植调控的主要生理机制。.（3）完成了质粒全序列测定。通过质粒全序列分析显示，质粒pMH1非常稳定。筛菌后通过分子杂交显示，Sphingomonas sp.菌属微生物可能是菌株HF-1尼古丁降解质粒pMH1发生水平转移的主要受体菌之一。对比信号分子萃取物添加前后活性污泥中amo和hsp基因的表达情况，显示群体感应可以促进质粒pMH1在活性污泥中转移。构建突变株，进行多菌混合培养体系连续试验，显示C4群体感应调控系统在质粒pMH1水平转移扮演着重要角色，是群体感应对质粒pMH1转移调控的主要分子机制。