Acyl-Homoserine Lactone Enhances the Resistance of Anammox Consortia under Heavy Metal Stress: Quorum Sensing Regulatory Mechanism

厌氧氨氧化菌 群体感应 细胞外 化学 高丝氨酸 细胞内 胞外聚合物 生物化学 细菌 生物 基因 反硝化 氮气 毒力 遗传学 生物膜 有机化学 反硝化细菌
作者
Chong-Jian Tang,Caiyan Qu,Xi Tang,Richard Spinney,Dionysios D. Dionysiou,George Wells,Ruiyang Xiao
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (1): 603-615 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acs.est.4c09186
摘要

Anaerobic ammonium oxidation (anammox) represents an energy-efficient process for the removal of biological nitrogen from ammonium-rich wastewater. However, the susceptibility of anammox bacteria to coexisting heavy metals considerably restricts their use in engineering practices. Here, we report that acyl-homoserine lactone (AHL), a signaling molecule that mediates quorum sensing (QS), significantly enhances the nitrogen removal rate by 24% under Cu2+ stress. A suite of macro-/microanalytical and bioinformatic analyses was exploited to unravel the underlying mechanisms of AHL-induced Cu2+ resistance. Macro-/microanalytical evidence indicated that AHL regulations on the production, spatial distribution, and functional groups of extracellular polymeric substances were not significant, ruling out extracellular partitioning and complexation as a principal mechanism. Meanwhile, molecular biological evidence showed that AHL upregulated the transcriptional levels of resistance genes (sod, kat, cysQ, and czcC responsible for antioxidation defense, Cu2+ sequestration, and transport) to appreciable extents, indicating intracellular resistance as the primary mechanism. This study yielded a mechanistic understanding of the regulatory roles of AHL in extracellular and intracellular resistance of anammox consortia, providing a fundamental basis for utilizing QS regulation for efficient nitrogen removal in wastewaters with heavy metal stress.
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