环二鸟苷酸（cyclic di-GMP）会引发丝状结构的形成，而通过磷酸二酯酶（phosphodiesterases）可以缓解这一现象

张丽英|孟凡健|卢欣|张海峰|张兰和

东北电力大学化学工程学院，吉林，132012，中国

摘要

丝状菌群的爆发对水生生态系统、人类健康和经济造成了严重威胁。在污水处理厂中，丝状菌群的频繁出现导致处理效率显著下降，出水质量恶化。然而，有效抑制丝状细菌增殖的策略尚未得到充分研究。本研究发现，细胞内的环二鸟苷酸单磷酸（c-di-GMP）信号传导在细胞对外部环境恶化的响应中起到了中介作用。在菌群爆发期间，菌丝长度达到0.85 μm/μm²，污泥体积指数（SVI）升至450 mL/g，而细胞内c-di-GMP水平超过了悬浮固体（SS）20 μg/g的阈值。同时，c-di-GMP合成酶的表达上调（1.03–4.88倍），而介导c-di-GMP降解的磷酸二酯酶（PDEs）的表达则下调（−10.53至−38.98倍）。这些变化与细胞周期过程和生理代谢途径的顺序激活有关，最终促进了丝状细菌的增殖。为了对抗这一过程，开发了负载PDE的壳聚糖/海藻酸盐材料来破坏c-di-GMP信号传导并抑制丝状菌群的爆发。该方法使系统迅速恢复，48小时内菌丝水平降至0 μm/μm²，SVI降至84 mL/g。这些发现增进了对恶劣环境条件下c-di-GMP信号传导机制的理解，并为开发快速响应策略以减轻水生生态系统中的丝状菌群爆发提供了新的见解。

引言

丝状微生物，包括丝状藻类、原核丝状细菌和真核真菌，是水生生态系统的重要组成部分（Behera和Das，2023）。这些丝状微生物虽然数量较少，但对群落稳定性和水质至关重要（Grossart等人，2019）。然而，当环境条件突然恶化时，它们会迅速增殖并主导微生物群落，形成众所周知的丝状菌群爆发（Noutsopoulos等人，2007）。这些爆发会严重破坏水生生态系统，并进一步污染饮用水源（Gerphagnon等人，2015）。值得注意的是，它们也经常出现在污水处理厂（WWTPs）中，导致污泥沉降不良和出水质量下降（Burger等人，2017）。迄今为止，已有超过30种丝状微生物被确认为在不同环境条件下引发菌群爆发的原因（Wágner等人，2022；Wang等人，2016）。由于它们的生理特性多样，开发通用策略以迅速应对丝状菌群爆发相关的紧急情况仍然具有挑战性。

群体感应（QS）是一种普遍的细菌通信机制，使细胞能够集体适应变化的环境条件（Mukherjee和Bassler，2019；Prescott和Decho，2020）。最近的研究表明，QS是刺激污水处理系统中菌丝增殖的重要调节因子（Lu等人，2023a，2023b；Shi等人，2022a，2022b）。丝状细菌和真菌可以通过调节增殖和菌丝生长来感知和响应细胞外信号分子（SMs），从而加剧丝状菌群的爆发（Feng等人，2022）。基于QS途径，通过破坏细胞外SMs来抑制丝状菌群的膨胀被认为是可行且有效的（Liu等人，2025）。然而，基于QS的管理策略仍面临若干挑战，包括SMs的复杂性、主导菌丝的多样性以及环境因素的不确定性，这些因素限制了抑制技术的普遍性。例如，在溶解氧（DO）压力下，Thiothrix合成并释放C6-HSL和C10-HSL以促进自我增殖并引发丝状菌群的爆发（Liu等人，2025；Shi等人，2023）。相比之下，Sphaerotilus在贫营养环境中通过感知和响应竞争微生物分泌的AHLs而爆发（Liu等人，2026；Lu等人，2023a）。当酸性工业废水进入WWTPs时，Penicillium的爆发受到细菌分泌的跨界SMs（如C7-HSL、C12-HSL和C14-HSL）的调节（Feng等人，2022）。与细胞外信号相比，细胞内的信号更具特异性和针对性。

环二鸟苷酸单磷酸（c-di-GMP）是一种细胞内SM，在信号传导中起核心作用，整合了包括QS信号和环境刺激在内的细胞外信号（Jenal等人，2017；Krasteva等人，2012）。细菌群体通过c-di-GMP信号传导和QS之间的级联效应来微调其集体行为，以响应环境刺激（Hochstrasser和Hilbi，2020；Prentice等人，2022）。例如，QS信号可以通过增加c-di-GMP水平来促进生物膜的形成，从而增强对环境压力的抵抗力（Zhan等人，2024）。多项研究表明，在有利条件下，c-di-GMP水平调节丝状细胞的发展（Bush等人，2015；Kaczmarczyk等人，2020）。在许多细菌物种中，QS信号通过上调编码鸟苷酸环化酶（DGCs）的基因表达来增加c-di-GMP水平，这些酶负责合成c-di-GMP（Jenal等人，2017）。相反，磷酸二酯酶（PDEs）水解c-di-GMP中的磷酸二酯键，从而维持细胞内c-di-GMP的稳态（Hengge，2021）。PDEs作为分子开关，在恶劣环境下通过调节c-di-GMP水平来调节微生物的集体行为（Mukherjee等人，2018）。例如，在恶劣条件下，Pseudomonas物种上调特定PDEs，导致c-di-GMP水平下降（Jiménez-Fernández等人，2015）。低c-di-GMP水平促进细菌扩散，使细胞能够优化生长和资源利用（Gomez和Waters，2023）。在丝状微生物中，c-di-GMP水平通过上调或下调PDE酶的表达来调节细胞形态转变（Chen和Schaap，2012；Tschowri等人，2014）。然而，目前尚不清楚c-di-GMP是否是WWTPs中丝状菌群爆发的核心调节因子。如果是这样，激活c-di-GMP PDEs可能是一种可行且潜在的通用策略，用于迅速阻止丝状菌群的爆发。

为了验证上述假设，研究了c-di-GMP信号传导与丝状菌群对常见环境刺激的响应之间的内在联系。三个实验室规模的常规活性污泥反应器在氮（N）、磷（P）和DO限制条件下运行并诱导丝状菌群的爆发。监测了细胞内c-di-GMP水平的动态变化，并评估了它们与丝状菌群发展期间污泥絮凝特性的关联。通过宏基因组分析确定了由丝状细菌主导的丝状菌群。为了阐明丝状细菌中的c-di-GMP信号传导机制，分析了编码DGCs和PDEs的基因的丰度和表达水平。结果表明，c-di-GMP信号传导通过调节DGCs和PDE相关基因的表达来介导丝状细菌的细胞周期进展和代谢途径，以响应细胞外信号。随后使用了一种基于纳米技术的药物递送系统来激活丝状细菌中的c-di-GMP PDEs。这种针对c-di-GMP信号传导的抑制策略在各种环境条件下有效控制了丝状菌群的爆发。总体而言，这些发现提供了对丝状细菌信号传导机制的见解，并可能为开发改进的策略以控制丝状菌群爆发提供依据。

章节片段

反应器中丝状菌群的运行

如图S1所示，四个实验室规模的反应器在稳定和连续的条件下运行，操作参数和组成分别列在表S1和表S2中。初始活性污泥微生态系统使用来自大连夏家河WWTP的接种污泥构建。它们的混合液悬浮固体（MLSS）浓度约为3500 mg/L，SVI值保持在150 mL/g以下。为了模拟WWTPs中的丝状菌群爆发，环境

c-di-GMP对不利环境变化的响应

在活性污泥中，低DO压力下，PFL随时间显著增加，同时SVI和污泥膨胀也增加（图1a）。高SVI值（>150 mL/g）导致污水处理效率显著下降和出水质量恶化（表S3）。这引发了一个问题：是什么触发了丝状细菌对不利环境条件的响应。生物样本中c-di-GMP的具体峰值在图S3d中标记出来，

结论

丝状菌群爆发长期以来一直是水生生态系统中的常见问题。在自然环境中，微生物群落中的丝状生物会根据外部信号调整其集体繁殖方式以占据主导地位并生存。本研究揭示了c-di-GMP信号传导可以作为决定丝状细菌增殖和发展的分子开关，这些细菌是WWTPs中丝状菌群爆发的原因。一旦发生丝状菌群爆发，c-di-GMP

CRediT作者贡献声明

张丽英：数据整理、正式分析、研究方法。孟凡健：数据整理、正式分析、研究方法。卢欣：资金获取、初稿撰写。张海峰：撰写、审稿与编辑。张兰和：资金获取、撰写、审稿与编辑。

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：卢欣报告获得了中国国家自然科学基金会的财务支持。卢欣还报告获得了CPSF博士后奖学金计划的财务支持。傅亮报告获得了中国国家自然科学基金会的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的利益冲突

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金会（52300033，52570068）和CPSF博士后奖学金计划（GZC20240185）的财政支持。作者感谢SCI-GO（www.sci-go.com）提供的FTIR分析支持，感谢eceshi（www.eceshi.com）提供的SEM分析支持，以及感谢Scientific Compass（www.shiyanjia.com）提供的CLSM分析支持。