《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhanced lethal effect of UV irradiation on
Microcystis aeruginosa assisted by a UV tolerant quorum quenching bacterium: an environmental friendly bloom control strategy
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蓝藻水华通过抑制群体感应（QS）增强紫外线（UV）敏感性实现高效控制，UV耐受型QQ菌（Staphylococcus sp. SSN）包裹微球可降解QS信号分子3-OH-C4-HSL达95%，协同UV处理诱导胞内ROS激增4.8倍，破坏蓝藻细胞聚集与光合电子传递链，现场试验显示其可降低叶绿素a 30%，并抑制蓝藻同时促进其他光合菌增殖。
张小蕾|王瑶|陈慧慧|刘强|姚萍|Nghiem Long D.
上海大学环境与化学工程学院，中国上海上大路99号，200444
摘要
蓝藻水华对全球生态和健康构成了日益严重的威胁，然而可持续的缓解策略仍然有限。在本研究中，我们假设破坏群体感应（QS）可以增加微囊藻对紫外线（UV）压力的敏感性，从而提高控制水华的效果。为了验证这一假设，我们开发了一种基于群体感应抑制（QQ）的策略，使用了一种耐紫外线的细菌（葡萄球菌属SSN）。在紫外线照射下，封装的QQ微球将QS信号分子3-OH-C4-HSL降解了95%以上，表明有效地干扰了细胞间的通讯。QQ与紫外线联合处理导致细胞内活性氧（ROS）显著增加（相对于对照组增加了4.8倍），并超过了抗氧化能力所能承受的范围。形态学、生理学和转录组分析表明，QQ处理可能损害细胞聚集并破坏光合作用电子传递，从而增加细胞对紫外线的暴露并加剧氧化应激。实地实验进一步表明，在自然紫外线条件下，添加QQ后64天内叶绿素a减少了30%，同时选择性地抑制了蓝藻，促进了耐光生物（如Paracoccaceae和Tabrizicola）的生长。这些发现表明，基于QQ的干预措施可能是实现可持续微生物群落工程和水生生态系统恢复的一个有前景的方法。
引言
人为营养物质泄漏到水道中，主要来自农业和工业活动的加剧，导致全球范围内普遍发生富营养化和有害蓝藻水华[1]。根据世界卫生组织（WHO）的数据，大约40%的全球淡水生态系统受到蓝藻水华的威胁。蓝藻水华通过消耗氧气和释放蓝藻毒素，损害水质、生态系统稳定性和人类健康[2]。例如1996年巴西Caruaru的事件中，50名透析患者因饮用受微囊藻毒素污染的水而死亡；1999年中国滇池20平方公里范围的水华事件；2007年中国太湖危机导致约200万居民的饮用水供应中断[3]。这突显了迫切需要有效的可持续缓解策略。
传统的控制技术，包括化学杀藻剂、絮凝和曝气，要么无效，要么会引入化学残留物造成的二次污染，可能加剧蓝藻毒素的释放，并导致抗菌素耐药性的产生[4]、[5]。因此，开发一种有针对性的、与环境相容的技术被视为可持续水资源管理的关键前沿。
蓝藻的繁殖本质上依赖于光合作用，需要阳光作为主要能量来源。阳光中也含有具有杀藻特性的紫外线（UV）。紫外线（λ<400nm）照射可以通过产生活性氧（ROS）引发细胞内氧化应激，导致重要细胞成分受损，最终导致细胞死亡[6]。作为响应，蓝藻进化出了复杂的防御机制，包括形成保护性细胞聚集体和生物膜、分泌胞外聚合物物质（EPS）以及合成光保护色素[7]。一些研究假设，这些防御策略的协调可以通过群体感应（QS）进行调节[8]。例如，Zhao等人[9]发现，通过QS，细菌可以产生大量EPS或聚集成生物膜，从而减少细胞对紫外线的暴露并提高其在紫外线下的存活能力。最近的研究还表明，典型蓝藻（如M. aeruginosa和Gloeothece PCC 6909）的生长和功能可能与酰基高丝氨酸内酯（AHL）介导的QS有关[10]、[11]、[12]。Yan等人[13]观察到AHL型信号分子3-OH-C4-HSL显著增强了M. aeruginosa细胞的碳代谢效率和能量供应，从而促进了其生长。Gloeothece PCC 6909通过分泌另一种AHL分子C8-HSL增强了其环境适应性[14]。
群体感应在蓝藻生态学中的关键作用促使人们研究群体感应抑制（QQ）作为一种新的生物控制策略。合成群体感应抑制剂（QSIs）的应用，如二氢-3-氨基-2-(3H)-呋喃酮和吲哚，对M. aeruginosa表现出高抑制率（67-95%）[11]、[13]，验证了破坏QS的潜力。然而，QSIs的实际应用受到需要大剂量和持续使用的限制，这增加了经济成本和潜在的环境负担[15]。作为一种更优的替代方案，使用固定化的QQ细菌通过酶促降解信号分子提供了一种更高效和可持续的方法。这一策略的一个主要障碍是需要能够在富含紫外线的环境条件下生存的QQ菌株。作者最近报道分离并培养了一种耐紫外线的QQ细菌菌株葡萄球菌属SSN，证明了其在紫外线压力下通过AHL降解抑制铜绿假单胞菌的有效性[16]。然而，其在蓝藻水华中的潜在应用和机制影响尚未完全探索。
本研究提出了一种使用耐紫外线的QQ细菌来破坏蓝藻群体感应行为的新生物控制策略，这可能提高它们对自然紫外线辐射的敏感性。我们系统地研究了这种QQ-UV协同作用对模型蓝藻M. aeruginosa的有效性和潜在机制。此外，我们使用自然阳光条件下的实际地表水评估了这种方法的实际可行性，评估了其对藻类抑制和微生物群落动态的影响。这项工作旨在为开发环境可持续的蓝藻水华管理技术建立一个新的范例。
部分摘录
蓝藻和QQ细菌菌株
微囊藻（FacHD-836）来自中国科学院水生生物学研究所。纯化的微囊藻细胞以初始浓度4.6 × 106细胞/mL接种到BG-11培养基中。在光生物反应器中（26 ± 1 °C；2000 lux；12小时/12小时光照/黑暗周期）进行培养，并加入湿润的空气，直到培养物达到稳定生长阶段，以便进行后续实验。
QQ细菌葡萄球菌属SSN是一种耐紫外线的细菌
QQ细菌和QQ微球的形态
耐紫外线的葡萄球菌属SSN细菌细胞呈现均匀的球形形态，直径约为1 μm（图1）。一旦在PVA-SA中固定，获得的微球直径为3 ± 1 mm，呈不透明的白色，具有显著的弹性和韧性（图S1）。
空白（空）微球具有高度多孔的网络结构，为细菌定植提供了优化的比表面积（图1a和d）。
结论
本研究证明了使用耐紫外线的QQ细菌（葡萄球菌属SSN）与紫外线照射相结合是一种控制蓝藻水华的创新策略。葡萄球菌属SSN在紫外线照射下表现出优异的信号分子降解能力。在M. aeruginosa培养物中应用葡萄球菌属SSN和紫外线照射导致细胞生长受到抑制或死亡。这可能与藻类的紫外线防御机制受到破坏有关
手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
声明：在准备本工作时，作者使用了deepseek工具来润色手稿的语言。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容承担全部责任
CRediT作者贡献声明
刘强：写作 – 审稿与编辑，监督，数据管理，概念构思。陈慧慧：形式分析。王瑶：验证，研究。张小蕾：写作 – 初稿，方法学，概念构思。Nghiem Long D：写作 – 审稿与编辑，监督，概念构思。姚萍：资金获取。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系。陈慧慧报告称获得了中国国家自然科学基金的支持。姚萍报告获得了江苏省高等教育机构自然科学基金的支持。姚萍还报告获得了江苏省纺织印染节能工程研究中心的支持
致谢
感谢中国国家自然科学基金（21906027）、江苏省高等教育机构自然科学基金（25KJA610006）、江苏省纺织印染节能工程研究中心的开放项目（ERC(SDGC2225）的支持。同时感谢UTS–SHU关键合作计划和UTS全球战略伙伴关系的支持。
