近日，中国科学院生态环境研究中心环境生物过程与技术研究组联合中国科学院青藏高原研究所、中国科学院青岛生物能源与过程研究所、巴基斯坦真纳大学等团队，在短程硝化微生物群体感应（Quorum Sensing，QS）调控机制研究方面取得重要进展。该研究揭示了QS驱动亚硝酸盐氧化菌代谢利他行为、进而促进短程硝化稳定建立的新机制，相关成果以“Quorum sensing driven metabolic altruism of nitrite-oxidizing bacteria fuels nitritation”为题，在线发表于 Nature Water。
硝化作用是全球氮循环和污水生物脱氮的关键过程，通常由氨氧化菌（AOB）将氨转化为亚硝酸盐，再由亚硝酸盐氧化菌（NOB）将其进一步氧化为硝酸盐。若将氨氧化过程稳定控制在亚硝酸盐阶段，即能实现短程硝化，避免亚硝酸盐进一步氧化，为厌氧氨氧化等新型高效脱氮技术提供关键底物，从而显著降低曝气能耗、外加碳源需求和温室气体排放。近20年来，该研究方向是水处理领域国际前沿研究的热点和难点。短程硝化是新型污水脱氮工艺的重要基础过程，然而，其稳定实现的关键在于选择性抑制NOB，同时维持AOB活性。已有研究多从温度、溶解氧及化学胁迫等外部环境因素解释两类硝化菌的差异化响应，但复杂微生物群落内部是否存在主动调控这一功能转变的机制，在国际上一直存在难以回答的理论挑战，并严重制约了污水厌氧氨氧化短程、节能稳定处理工艺的建立。
研究团队运用多组学分析、15N同位素示踪和D2O标记单细胞拉曼光谱等最新技术手段发现，细菌之间通过信号分子进行信息交流的QS系统，是决定硝化过程能否转向短程硝化的重要内源调控机制。当QS通信受到干扰时，NOB的抑制明显减弱，短程硝化难以有效建立，表明微生物群落的集体决策直接影响氮素转化方向。理论研究进一步发现，QS可诱导优势NOB硝化螺菌属（Nitrospira）中的亚硝酸盐还原酶基因nirB过表达，使其启动高能耗的亚硝酸盐还原过程。该过程有助于缓解群落面临的亚硝酸胁迫，却持续消耗Nitrospira的NADH和ATP，最终导致其能量亏缺和自我失活。与之不同，AOB并未承担这一高成本代谢，而是在获得群落保护的同时保持较高活性，从而取得竞争优势，推动氮素转化由完全硝化转向短程硝化。通过单细胞拉曼分析技术直接验证了这一过程：缺少QS信号时，绝大多数Nitrospira细胞能够耐受游离亚硝酸胁迫；接收到QS信号后，其代谢活动在胁迫初期被显著增强，但随后出现大规模失活。研究据此提出短程硝化分子调控新的理论机制，即在QS调控的微生物博弈中，Nitrospira作为合作者，以牺牲自身为代价减轻群落胁迫；AOB则由此获得竞争优势，最终促成短程硝化。
该研究发现了硝化微生物群落中此前未知的“代谢利他”行为，表明短程硝化的形成不仅取决于环境条件和不同功能菌的生长动力学，也受到微生物通信、集体决策和微生物间互作的深刻影响。本研究对短程硝化形成机制的认识由传统的环境选择和个体响应层面，拓展至QS介导的微生物社会行为层面，为理解复杂微生物群落的功能转换和氮循环通量调控提供了新的理论机制，也为通过调控QS实现低碳生物脱氮过程的快速建立与稳定运行提供了重要的理论依据。
中国科学院生态环境研究中心庄绪亮研究员为论文第一和通讯作者，博士生王旭为第二作者，姜参参副研究员为第三和共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金的支持。
同期，针对本文的发表，Nature Water邀请污水生物处理与环境微生物学领域的资深专家、北海道大学Satoshi Okabe教授团队发表了题为“Unequal costs of community stress responses”的News & Views评述文章。Okabe教授曾任日本微生物生态学会会长和日本土木学会环境工学委员会委员长，2016年当选国际水协会会士（IWA Fellow），并于2023年获得国际水协会Ardern-Lockett Award，在微生物生态与水处理工程领域具有深厚的学术积累和重要影响力。评述指出，该研究突破了长期以来主要依据氨氧化菌与亚硝酸盐氧化菌个体生理差异解释短程硝化形成的传统认识，将研究视角由单细胞和宏观运行参数拓展至微生物群落层级，揭示了群体感应通过重塑硝化菌群的代谢分工与胁迫响应，驱动Nitrospira承担高能耗代谢并发生选择性失活的隐性调控机制，为认识胁迫条件下微生物群落的功能重组提供了新的理论框架。评述进一步认为，该研究首次将微生物通信机制与短程硝化的选择性调控直接联系起来，是该领域一项重要的概念性理论进展，提示微生物通信本身可成为新的分子过程调控杠杆，为突破主要依赖温度、pH、溶解氧和污泥龄等宏观参数的传统调控模式，发展以微生物信号网络和群落行为为靶点的新一代可预测、稳健和可持续污水生物处理技术开辟了新方向。
群体感应驱动 Nitrospira代谢利他行为促进短程硝化形成的机制示意图
论文链接：https://www.nature.com/articles/s44221-026-00677-y
环境生物技术实验室
2026年7月31日