Biofilms are widespread in natural and engineering environments and are being increasingly used for pollutant treatment. However, low temperature is one of the major challenges in practice. Here, we developed an alternative strategy to enhance biofilm formation and biofilter startup at 15 °C by supplementing with spermidine, an essential substance for cell growth. A significantly increased biofilm biomass was observed in the treatment group (with spermidine), accompanied by a higher live cell ratio and biofilm matrix excretion as compared with the control (without spermidine). The bacterial communication ability, including quorum sensing and the second messenger system, was found to be enhanced in the treatment group. The bacterial secretion system and quorum sensing pathway were also significantly enriched in differential genes, and most of these genes were up-regulated in the treatment group. Robustness and null model analysis revealed that spermidine bolstered microbial community stability and mitigated the dispersal limitation process, which would be conducive to biofilm development. The application of spermidine in biofilters enhanced the biomass accumulation rate and performance. Overall, our results highlighted the importance of the microbial community on biofilm formation regulation and provided a feasible strategy for the enhancement of biofilm formation in low-temperature environments.

ABSTRACT Microbial community adaptability to pH stress plays a crucial role in biofilm formation. This study aims to investigate the regulatory mechanisms of exogenous putrescine on pH stress, as well as enhance understanding and application for the technical measures and molecular mechanisms of biofilm regulation. Findings demonstrated that exogenous putrescine acted as a switch-like distributor affecting microorganism pH stress, thus promoting biofilm formation under acid conditions while inhibiting it under alkaline conditions. As pH decreases, the protonation degree of putrescine increases, making putrescine more readily adsorbed. Protonated exogenous putrescine could increase cell membrane permeability, facilitating its entry into the cell. Subsequently, putrescine consumed intracellular H + by enhancing the glutamate-based acid resistance strategy and the γ-aminobutyric acid metabolic pathway to reduce acid stress on cells. Furthermore, putrescine stimulated ATPase expression, allowing for better utilization of energy in H + transmembrane transport and enhancing oxidative phosphorylation activity. However, putrescine protonation was limited under alkaline conditions, and the intracellular H + consumption further exacerbated alkali stress and inhibits cellular metabolic activity. Exogenous putrescine promoted the proportion of fungi and acidophilic bacteria under acidic stress and alkaliphilic bacteria under alkali stress while having a limited impact on fungi in alkaline biofilms. Increasing Bdellovibrio under alkali conditions with putrescine further aggravated the biofilm decomposition. This research shed light on the unclear relationship between exogenous putrescine, environmental pH, and pH stress adaptability of biofilm. By judiciously employing putrescine, biofilm formation could be controlled to meet the needs of engineering applications with different characteristics. IMPORTANCE The objective of this study is to unravel the regulatory mechanism by which exogenous putrescine influences biofilm pH stress adaptability and understand the role of environmental pH in this intricate process. Our findings revealed that exogenous putrescine functioned as a switch-like distributor affecting the pH stress adaptability of biofilm-based activated sludge, which promoted energy utilization for growth and reproduction processes under acidic conditions while limiting biofilm development to conserve energy under alkaline conditions. This study not only clarified the previously ambiguous relationship between exogenous putrescine, environmental pH, and biofilm pH stress adaptability but also offered fresh insights into enhancing biofilm stability within extreme environments. Through the modulation of energy utilization, exerting control over biofilm growth and achieving more effective engineering goals could be possible.