由医院鲍曼不动杆菌C24通过铁氧化还原作用驱动的高效硝化-反硝化过程

黄宗建|杨思琪|潘丽怡|吴秋怡|郭和喜贤|陈少华|廖振林

华南农业大学食品科学学院，广州，510642，中国

摘要

同时硝化-反硝化和磷酸盐去除（SNDPR）对于开发用于废水处理的单反应器好氧系统至关重要。本研究显示，在添加1 mg/L Fe³⁺/Fe²⁺后，Acinetobacter nosocomialis C24菌株的SNDPR性能显著提高。24小时内，NH₄⁺-N和PO₄^3--P的去除效率分别提高了33.1%和26.9%。在混合氮条件下，C24菌株对总氮（TN）和磷酸盐（PO₄^3--P）的去除效率超过了92%。添加Fe³⁺/Fe²⁺还促进了胞外聚合物物质（EPS）的分泌，发现TN去除效率与EPS、蛋白质（PN）和多糖（PS）的水平之间存在显著的正相关（p < 0.05）。基因组分析表明，C24菌株利用异化硝酸盐还原为铵（DNRA）进行氮代谢。转录组分析进一步表明，Fe³⁺/Fe²⁺干预上调了参与铁氧化还原、碳代谢和氮代谢的基因表达。总体而言，这些发现为Fe³⁺/Fe²⁺增强C24菌株氮和磷代谢的机制提供了深入的见解。鉴于其出色的适应性、高性能和广泛的应用潜力，A. nosocomialis C24成为废水处理的一个非常有前景的选择。

引言

水体中高浓度的氮（N）和磷酸盐（P）是导致富营养化的主要原因，这对水生生物和人类健康构成了严重威胁（Huang等人，2025年）。生物氮去除（BNR）提供了一种高效且经济的方法来去除废水中的氮和磷。其中，能够同时进行硝化-反硝化和磷酸盐去除（SNDPR）的细菌可以在好氧条件下同时进行硝化和反硝化，从而去除总氮（TN）（Huang和Cui，2024年）。SNDPR在推进废水处理中的单单元好氧系统方面具有巨大潜力。这些单单元系统解决了传统多阶段过程的局限性，如碳源稀缺、微生物竞争和复杂的种间相互作用（Yang等人，2025a年）。

在SNDPR系统中，氮代谢途径通常包括异养硝化和好氧反硝化（HN-AD）、同时硝化-反硝化（SND）以及与氨同化耦合的反硝化（DNRA）等（Zhao等人，2025年）。与传统的N₂驱动的氮代谢途径相比，DNRA与氨同化耦合具有显著优势，因为它将一氧化二氮重新导向保留和生物合成，而不是以气体形式流失（Lin等人，2025年）。具体来说，硝酸盐或亚硝酸盐首先通过DNRA还原为铵，然后被同化为有机氮（如谷氨酸、氨基酸和蛋白质），从而增强细胞内氮的保留并促进功能性生物量的生长（Zappone等人，2026年）。在碳含量高或氧化还原条件波动的环境中，反硝化性能往往不稳定，而这种策略可以提高过程的韧性。此外，通过减少对完全反硝化的依赖，DNRA耦合的同化可以降低产生一氧化二氮（N₂O）等气态副产品的风险，尽管这需要在特定系统中进行验证（Wang和Qiao，2023年）。从工程角度来看，这种途径对于旨在实现营养回收、微生物群落稳定性和资源导向的氮管理的处理场景具有特殊价值。尽管已经从各种环境中分离出具有DNRA耦合氨同化潜力的多个SNDPR菌株，例如Klebsiella sp. TSH15（Ren等人，2024年），在最佳条件下其铵和硝酸盐的去除率分别为2.99 mg/L/h和2.53 mg/L/h；以及Vibrio sp. Y1-5（Li等人，2017年），它可以耐受1600 mg/L的铵氮并去除844.6 mg/L的铵氮。然而，现有研究主要集中在菌株筛选和表观反硝化性能的评估上。对关键代谢基因、基因表达调控和环境响应机制的系统分析仍然不足，这突显了在这一领域进行进一步深入研究的重要性。

近年来，DNRA作为氮循环中的氮保留途径受到了广泛关注。与将活性氮转化为气态氮的反硝化不同，DNRA将硝酸盐/亚硝酸盐还原为铵氮，从而增强了氮在生态系统中的保留和再利用潜力（Zhao等人，2025年）。越来越多的证据表明，铁离子，特别是亚铁离子（Fe²⁺），是调节这一过程的关键环境因素：在缺氧或厌氧条件下，Fe²⁺作为硝酸盐还原的电子供体，并通过铁-氮耦合反应（Yan等人，2025年）改变硝酸盐还原途径在DNRA和反硝化之间的分配；同时，Fe(III)/Fe(II)循环可以重塑沉积物的氧化还原条件、矿物表面反应性和微生物电子转移环境，从而影响DNRA功能组的竞争优势（Xu等人，2025年）。分子生态学研究进一步表明，关键的DNRA功能基因（如）和相关硝酸盐/亚硝酸盐还原酶基因对铁梯度具有响应性，表明铁离子对DNRA的促进作用不是由单一反应驱动的，而是电子供体供应、微环境调控和群落功能重构共同作用的结果（Trinh等人，2025年）。然而，大多数上述研究主要集中在铁离子对微生物群落中DNRA功能组的影响上，而关于Fe(III)/Fe(II)循环对参与细菌DNRA过程的功能基因影响的研究仍然有限。需要进一步的研究来更深入地了解DNRA细菌在废水处理系统中的潜在作用。

因此，本研究的目标是：（1）评估A. nosocomialis C24的氮和磷代谢能力；（2）通过全基因组分析研究C24的氮和磷代谢途径及其环境适应性；（3）使用转录组分析研究Fe³⁺/Fe²⁺对C24氮和磷代谢的调控作用。

章节片段

试剂和培养基

详细信息见补充材料。

菌株的分离和鉴定

本研究中的C24菌株是从中国广州一个废水处理设施的好氧池活性污泥中分离出来的。一个250 mL的培养瓶中装有100 mL的富集培养基和1 g的活性污泥用于分离，然后在30°C和150 rpm的条件下培养24小时。为了进一步富集具有反硝化能力的细菌，将混合溶液（10 mL）转移到另一个含有100 mL SM的250 mL培养瓶中。

富集和鉴定

形态分析表明，C24菌株是一种革兰氏阴性细菌（图1C）。该菌株呈杆状，不产生孢子，无鞭毛，长度在8.3至11.5 μm之间，宽度在6.5至8.5 μm之间。其菌落具有典型的外观：杆状，淡黄色，不透明，表面光滑，边缘清晰（图1A–B）。C24菌株的16 S rDNA序列已添加到NCBI数据库中，访问号为PRJNA1245149。同源性分析表明

结论

本研究创新性地结合了Fe³⁺和Fe²⁺来共同干预A. nosocomialis C24，使其硝化-反硝化能力更高效。在混合氮环境中，Fe³⁺/Fe²⁺处理组的TN和PO₄^3--P去除率稳定，超过了92%，而NH₄⁺-N和PO₄^3--P的去除率分别提高了33.1%和26.9%，相比对照组有所提高。从机制上讲，Fe³⁺/Fe²⁺促进了EPS的分泌。皮尔逊相关性分析表明

CRediT作者贡献声明

黄宗建：数据整理、形式分析、方法学、资源、软件、撰写——初稿。杨思琪：方法学、资源、撰写——审阅与编辑。潘丽怡：概念化、监督。吴秋怡：概念化、监督。郭和喜贤：概念化、监督。陈少华：概念化、监督、撰写——审阅与编辑。廖振林：概念化、监督、撰写——审阅与编辑。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

本工作得到了中国广东省自然科学基金（2023A1515012552）和广州市基础与应用基础研究项目（2024A04J6583）的支持。