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。
短程硝化是低碳污水处理的核心技术路线。
长久以来，污水处理行业调控短程硝化，仅依靠调控溶解氧（DO）、pH、游离亚硝酸（FNA）、污泥龄等环境参数，选择性抑制 NOB，但这套调控逻辑存在无法解释的理论矛盾：
纯菌实验证明，活性污泥中的优势 NOB——硝化螺菌，携带多条 FNA 解毒遗传通路，理论上 NOB 对 FNA 毒性耐胁迫能力应优于 AOB；但在实际的活性污泥群落中，NOB 却会发生大规模选择性灭活。菌株个体的遗传抗逆潜力与群落层面的真实生存表现完全相悖；
学界长期忽略菌群内部细胞通信、集体决策的内源调控作用，仅依靠宏观环境调控，工艺运行稳定性差、易出现系统崩溃，制约厌氧氨氧化工艺大规模落地。
基于此，团队提出全新科学假说：菌群群体感应信号会驱动 NOB 主动启动高能耗利他代谢，以自身失活为代价缓解全群落 FNA 胁迫，让 AOB 获得绝对竞争优势，定向锁定亚硝酸盐累积。
核心科学机制：群体感应介导硝化螺菌的 “自我牺牲” 利他通路
团队整合宏基因组、宏转录组、蛋白组、同位素示踪与单细胞拉曼多维度证据，完整阐明分子调控机制。
阻断群体感应通信（添加群体淬灭剂 QQ）：NOB 抑制效应大幅削弱，亚硝酸盐累积率显著下滑，短程硝化无法稳定成型；
强化内源群体感应信号：FNA 胁迫下 97% 活性 NOB 失活（Fig. 5），AOB 活性稳定保留，长期反应器亚硝酸盐累积效率显著提升；
单一低氧、酸化、高亚硝酸盐等环境胁迫，均无法复刻群体感应带来的菌群差异化抑制效果，证明群体感应是独立于环境参数的核心内源调控通路。
Fig. 1. 群体感应通讯在短程硝化建立过程中的作用。a，FNA 处理活性污泥的实验装置示意图。b，上：FNA处理期间 AOB 和 NOB 的活性。下：FNA处理期间污泥中内源 AHL 类群体感应信号的含量。c，FNA处理期间，AHL 类群体信号的含量与硝化细菌活性的线性拟合。d，以 AOB/NOB 相对活性比值反映短程硝化建立效率。e，不同群体感应调控模式处理污泥，经 60 d 长期运行后的亚硝酸盐累积率。f，单一胁迫处理 20 h 后 AOB、NOB 相对活性。
nirB 以 NADH 为电子供体，将胞内亚硝酸盐还原为铵离子，降低整个菌群的 FNA 毒性压力；
该还原过程无能量产出，硝化螺菌要持续消耗 ATP 以补充 NADH，长期能量亏缺后大量凋亡；
AOB 基因组不含 nirB 基因，无需承担这份高成本代谢负担，在共享群落保护的同时保全自身代谢活力，形成 “NOB 牺牲、AOB 获益” 的菌群博弈格局。
简单来说：硝化螺菌是菌群里的 “利他合作者”，氨氧化菌是坐享优势的 “搭便车者”，菌群关系从初期偏利共生，逐步转为单向剥削，最终氮转化流稳定停留在亚硝酸盐阶段。
Fig. 2. 短程硝化构建过程中，受群体感应调控的氮代谢菌群结构变化。a，FNA 处理后，5 类 AOB、3 类 NOB 转录本相对丰度；b，相对于原始污泥，整体硝化菌群丰度随时间的衰减规律；c，群体感应、氮代谢相关转录本共发生网络；d，同时参与群体感应与氮代谢的共有功能菌属转录丰度。（转录组层面：找出硝化螺菌Nitrospira 是响应群体感应信号的核心功能菌）
Fig. 3. 群体感应介导污泥微生物整体耐受 FNA 胁迫。a，污泥微观扫描电镜图、菌群空间结构示意图；包含信号启动菌、协作菌、欺骗菌的群体感应通信环路；b，FNA 处理后，对照组与群体淬灭组 19 种关键群体感应蛋白表达；c，FNA 诱导的胞内氢离子转运、抗氧化与 DNA 修复解毒代谢通路示意图；d，污泥 pH 动态变化；e，超氧化物歧化酶活性比值；f，FNA 胁迫过程胞内 ATP 含量，以及群体感应对 ATP 合成的贡献占比；g，不同群体感应条件下微生物凋亡流式检测结果。（蛋白组 + 生理实验：群体感应提升群落整体抗逆、影响细胞凋亡、ATP 水平）
完整群体感应体系：12% 标记亚硝酸盐经 nirB 通路还原为 ¹⁵NH₄⁺； 群体感应淬灭阻断组：该还原通量下降超 80%，直接证明群体感应信号强度决定硝化螺菌利他代谢水平，进而控制 NOB 失活比例。
Fig. 4. 群体感应调控的亚硝酸盐代谢通路造成 NOB 大幅失活。a，群体感应介导的亚硝酸盐代谢通路示意图；b，nirB 基因及其关联功能基因、宿主菌属的共表达网络；c，不同群体感应调控策略下，FNA 处理污泥的铵离子累积量；d，铵离子含量与总 NOB 活性、三类 NOB 菌属丰度的相关性；e，¹⁵N 标记亚硝酸盐示踪转化通路
关键单细胞验证：FlowRACS 突破多组学 “群体平均” 盲区
多组学仅能获得群落整体平均数据，无法解释 “97% NOB 失活，但仍留存少量耐受亚群” 的关键矛盾，D₂O 标记单细胞拉曼光谱（D₂O-SCRS）成为全文机制成立的核心直接证据，星赛生物高通量拉曼流式细胞分选仪 FlowRACS 支撑了单细胞层面的验证实验。
稳定防沉降微流控流场：污泥絮体样本可连续数小时稳定上机，规避颗粒沉降造成的数据偏差； 单细胞精准聚焦捕获：高速液流中单细胞依次定位激光检测位点，稳定检出微弱 C-D 特征信号； 超高统计学采样深度：单实验组一次性采集超千张单细胞拉曼图谱，t-SNE 分群可清晰区分群体感应完整 / 阻断两组细胞表型差异，为代谢异质性结论提供可靠统计学支撑。
群体感应信号阻断（QS⁻）：97% 硝化螺细胞保有完整代谢活性，仅 3% 细胞在 FNA 胁迫下失活； 完整内源群体感应体系（QS⁺）：仅 20% 硝化螺菌存活，80% 细胞因持续利他代谢丧失活力，失活幅度提升 26.7 倍； 时序动态规律：胁迫前 10h，群体感应短暂提升硝化螺菌代谢强度，持续激活 nirB 利他通路；10–20h 能量持续耗竭，细胞大规模凋亡，完美解释 “短期共存、长期单向抑制” 的菌群演化规律。
Fig. 5. 重水单细胞拉曼光谱揭示群体感应调控下硝化螺菌对 FNA 的敏感性差异。a，基于重水标记检测单细胞代谢活力的整套实验流程；b，氘原子通过 nirB 介导代谢整合进细胞生物大分子，产生 C-D 拉曼特征峰的机制示意图；c，多组处理条件下硝化螺菌单细胞平均拉曼图谱；d，原始、FNA 胁迫处理硝化螺菌单细胞拉曼图谱 t-SNE 分群分布；e，FNA 处理 20 h 后，可检出 C-D 特征峰（具备代谢活性）的细胞占比；f，碳氘比值（CDR）表征不同时间段单细胞代谢强度
研究为全球氮循环、水环境微生物互作提供全新解释维度，同期北海道大学国际知名专家发布 News & Views 评述，评价该工作是短程硝化领域里程碑式概念突破，将研究视角从宏观环境参数、单细胞个体生理，拓展至群落社会行为层级。
Fig. 5. 群体感应调控下 “NOB 合作者 - AOB 欺骗者” 博弈模型，主导完全硝化向短程硝化转变。左图：FNA 胁迫下微生物互作示意图；群体感应启动菌分泌信号分子，NOB 执行利他代谢，AOB 作为欺骗菌获得竞争优势；右图：随 FNA 处理时间延长，菌群关系从偏利共生转为单向剥削，AOB 与硝化螺菌种群优势动态反转。
定向强化内源 AHL 信号，可快速启动、长期稳定维持短程硝化； 减少高 FNA、极端 pH 等苛刻运行条件，降低污泥大量凋亡、系统失效风险； 为开发基于微生物群体通信的低能耗、高稳健污水生物处理技术，提供完整理论底座。
这套重水标记耦合 FlowRACS 高通量拉曼流式的单细胞解析体系，革新了污水硝化菌群异质性研究手段，将传统群落平均组学分析升级为基于单细胞实时代谢表型的原位表征模式，能直观厘清胁迫下菌群差异化生存博弈规律、解析微生物群体感应调控机制，推动环境微生物机理研究、污水生物脱氮工艺调控走向精准化。
星赛生物长期深耕拉曼组学与高通量单细胞拉曼流式设备研发，面向水处理、环境微生物、土壤生态、合成生物等科研与工程领域，可为高校、科研院所、环保企业提供标准化硬件平台、配套数据分析算法与全套单细胞实验技术支撑，助力高效解析菌群互作机制、挖掘特殊抗逆功能微生物。欢迎环境领域科研团队、污水工艺研发企业开展技术交流与产学研项目合作，共同推动低碳生物脱氮、水环境微生物研究技术体系升级迭代。
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