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

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 705 (2023) Citar este artigo

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Os papéis potenciais do quorum sensing (QS) na atividade e na ecologia das bactérias nitrificantes, particularmente sob circunstâncias adversas, foram raramente relatados. Aqui, oito reatores em lote de sequenciamento de nitrificação em escala laboratorial, com ou sem adição de acil homosserina lactonas (AHLs) foram operados sob circunstâncias adversas, respectivamente. Os resultados indicaram que a introdução de AHLs melhorou 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 nestes dois grupos. A análise comunitária e o 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 condições normais (28 °C, pH = 8) ou nível de pH baixo (5,5), entretanto, 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. Porém, em condições ácidas, o efeito desse mecanismo regulatório não foi significativo, indicando que a influência do pH no sistema foi maior que a dos AHLs. Este estudo demonstrou que os AHLs exógenos poderiam 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 vestígios de inibidores de nitrificação (NI) no afluente da estação de tratamento de esgoto, como a dicianodiamida (DCD, um inibidor comum da oxidação da amônia que é frequentemente relatado em estações reais de tratamento de águas residuais municipais)3, que pode inibir significativamente o atividade de bactérias nitrificantes. Algumas mudanças nos fatores ambientais também têm um impacto significativo no processo de nitrificação e levará muito tempo para que o sistema volte a operar de forma estável. Como consequência, é de grande importância prática explorar a rápida recuperação dos efeitos adversos no sistema de nitrificação.

O Quorum sensing (QS) regula a relação ecológica da flora e do comportamento fisiológico, liberando e detectando a concentração de moléculas sinalizadoras para induzir a expressão de genes relacionados em bactérias e alcançar as funções fisiológicas e mecanismos regulatórios que bactérias individuais não conseguem realizar, tais 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 o QS foi confirmada pela tecnologia de sequenciamento genético . Culturas puras de muitas soluções sobrenadantes de bactérias oxidantes de amônia (AOB) poderiam produzir AHLs, como Nitrosomonas europaea e Nitrosospira multiformis . AHLs também foram detectados em biorreatores de membrana (MBR), biofilmes nitrificantes e biofilmes nitrificantes autotróficos . 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 AOB, possui sintase e regulador de sinalização QS do tipo LuxI / R, que pode produzir moléculas de sinalização C4-HSL e 3-o-C14-HSL . Yu et al. descobriram que melhorar a extinção de quorum para inibir o QS no MBR reduziria o efeito de nitrificação, provando indiretamente a importância do QS para a nitrificação . Esses estudos mostraram uma forte relação entre bactérias nitrificantes e QS. Assim, é razoável suspeitar que o QS, que é de grande importância para a sobrevivência das bactérias sob estresses ambientais, pode melhorar a atividade das bactérias nitrificantes e a remoção de nitrogênio sob condições estressantes.