不同溶解氧条件下好氧反硝化菌的氮代谢通路转换与电子分配机制研究

《Environment International》：Aerobic denitrification in different dissolved oxygen conditions: nitrogen metabolism and electron distribution

　　本研究针对溶解氧(DO)水平对好氧反硝化菌代谢途径影响的认知空白，通过系统研究Pseudomonas mendocina HITSZ-D1在不同DO条件下的氮代谢规律，发现从厌氧到好氧条件转变时，菌株主要氮代谢途径从反硝化转为同化作用。研究从物质转化和电子分配角度揭示了DO调控氮代谢通路的分子机制，为好氧反硝化技术的实际应用提供了新依据。

　　

随着水体富营养化问题日益严重，污水处理厂面临着越来越严格的氮排放标准。传统生物脱氮工艺需要分别在好氧和缺氧两个独立单元进行硝化和反硝化反应，这种分离式处理不仅增加了反应器容积和建设成本，还因溶解氧(DO)需求矛盾限制了脱氮效率。自20世纪80年代发现好氧反硝化现象以来，这一能够打破传统工艺局限的新型生物脱氮技术引起了广泛关注。好氧反硝化菌能够在有氧条件下将硝酸盐还原为氮气，为实现同步硝化反硝化(SND)提供了可能。然而，尽管DO浓度被公认为影响好氧反硝化效率的关键因素，但其对菌株细胞内代谢途径的具体调控机制尚不明确。

为了深入解析DO对好氧反硝化菌代谢途径的影响机制，研究人员选取了一株从污水污泥中分离得到的好氧反硝化菌——门多萨假单胞菌HITSZ-D1(简称D1菌株)作为研究对象。该菌株能够在25-40°C、pH 6-10的宽范围环境条件下生长，并耐受3%的盐度，具有较强的环境适应性。通过全基因组测序技术，研究团队首先绘制了D1菌株的完整氮代谢图谱，发现其含有周质硝酸盐还原酶(Nap)等典型好氧反硝化酶系编码基因，但不含膜结合硝酸盐还原酶(Nar)，这解释了该菌株的好氧反硝化能力。

研究团队通过精确控制气体组成创建了四种不同的DO环境：厌氧组(100%氩气)、自然复氧组(79%氩气+21%氧气)、中DO组(50%氩气+50%氧气)和高DO组(100%氧气)。在90分钟的脱氮实验中，研究人员系统监测了氮素转化规律、菌体生长特性以及有机底物消耗情况。结果显示，随着DO浓度升高，D1菌株的总氮去除率从厌氧条件下的约90%下降至中DO组的74.57%和高DO组的68.72%。有趣的是，尽管脱氮效率下降，菌株在好氧条件下的生物量和有机底物消耗量却显著增加，这一矛盾现象暗示DO可能改变了菌株的代谢策略。

为了揭示这一现象背后的机制，研究团队进行了转录组测序、酶活性检测和氮平衡分析。转录组数据显示，从厌氧到好氧条件转变时，反硝化相关功能基因(napA、nirK、norB、nosZ)的表达量显著下调，而氨同化相关基因(glnA、gltB、gltD)的表达则明显上调。相应地，硝酸盐还原酶(Nap)、亚硝酸盐还原酶(Nir)、一氧化氮还原酶(Nor)和一氧化氮还原酶(Nos)的活性在好氧条件下分别下降了27.17%、51.08%、40.04%和46.12%，而谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合酶(GOGAT)的活性则显著增强。

在能量代谢方面，研究人员发现好氧条件下D1菌株的细胞内ATP水平、电子传递系统活性(ETSA)以及呼吸链复合体I(Complex Ⅰ)和复合体III(Complex Ⅲ)的活性均显著提高，表明菌株在有氧环境下具有更强的能量代谢能力。然而，电子分配计算结果显示，随着DO浓度升高，用于反硝化的电子比例从厌氧组的81%急剧下降至中、高DO组的9%左右，而用于有氧呼吸和同化作用的电子比例则大幅增加。这一发现从电子分配角度解释了为什么在好氧条件下，尽管菌株代谢活性增强，但脱氮效率反而下降的原因——电子更多地流向了有氧呼吸和细胞合成，而非反硝化途径。

基于上述发现，研究团队提出了D1菌株在不同DO条件下的代谢转换模型：在厌氧环境中，菌株主要以反硝化途径进行氮素去除；而在好氧环境中，菌株将代谢重心转向同化作用，通过硝酸盐异化还原为铵(DNRA)途径和氨同化作用将氮素转化为生物质。这种代谢灵活性使菌株能够根据不同环境条件优化其生存策略。

为了验证D1菌株的实际应用潜力，研究团队将其接种至好氧序批式反应器(SBR)中进行污水处理试验。结果显示，接种D1菌株的SBR在DO浓度为4.28-7.92 mg·L^-1的条件下，总氮去除率达到80.92%-92.97%，比对照组提高了28.02%-31.07%。RT-qPCR分析表明，D1菌株的引入显著增强了系统内反硝化功能基因的表达，16S rDNA测序结果也证实该菌株能够在活性污泥中成功定殖并占据优势生态位。

本研究通过整合基因组学、转录组学、酶动力学和电子平衡分析，系统揭示了好氧反硝化菌在不同DO条件下的氮代谢调控机制。研究发现不仅深化了对好氧反硝化过程的理解，还为优化污水处理工艺提供了重要理论依据。D1菌株展示出的代谢灵活性和环境适应性，使其在实现高效同步硝化反硝化方面具有广阔的应用前景，特别是在处理水质波动较大的分散式污水(如畜禽养殖废水、焦化废水等)方面潜力巨大。

论文发表于环境领域权威期刊《Environment International》，研究得到了国家自然科学基金等项目的支持。该工作由哈尔滨工业大学(深圳)市政与环境工程学院的史宏涛、汤洁、冯晓驰等人共同完成，任南琪院士团队提供了重要指导。