Hydrogenophaga pseudoflava在广泛分布于废水处理厂的菌群中普遍存在，这些处理厂采用异养硝化-好氧反硝化工艺。本文从该菌的生物学特性研究出发，深入探讨了其基因组学特征

《Bioresource Technology》：Hydrogenophaga pseudoflava widely distributed in wastewater treatment plants exhibiting heterotrophic nitrification-aerobic denitrification: From characterization to genomics

基于异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）功能的氢细菌属（Hydrogenophaga）菌株HNP的分离与特性研究，其通过完全硝化-反硝化及可能的Dirammox途径实现氨氮、亚硝氮和硝氮的高效去除（最高达100%），并能在含酚废水及低盐环境中运行。基因分析揭示其携带norBC、nosZ等多条反硝化相关基因及glk、sucCD等碳代谢基因。该研究为高有机负荷污水厂开发新型HN-AD工艺提供理论支撑。

　　

崔园遂|崔友伟|杨瑞春|李佳颖|米雅楠|顾新宇

国家先进市政废水处理与回用技术工程实验室，北京工业大学，北京100124，中国

摘要

废水处理厂（WWTPs）通过异养硝化作用和好氧反硝化作用（HN-AD）过程实现氮去除的可行性仍然是一个引人关注的问题。在这项研究中，从一家废水处理厂的活性污泥中分离出一种具有HN-AD功能的菌株，该菌株属于Hydrogenophaga pseudoflava属，这一属在废水处理厂中广泛存在。以葡萄糖为碳源，C/N比为20，接种量为1%–2%，pH范围为8.5–9.5，温度为30℃时，对单一氮源（NH₄⁺-N、NO₂^?-N和NO₃^?-N）的去除效率分别达到了100%、84.87?±?3.12%和92.80?±?5.08%。该菌株也能有效去除混合氮源。改进的Gompertz模型显示，该菌株优先利用NH₄⁺-N（滞后时间=8.97?±?1.65?h），而在混合氮源中NO₃^?-N的去除率最高（5.43?±?1.70?mg/(L·h)）。氮平衡分析表明，异化还原可能是主要的去除途径。基因组测序发现了多个与氮（如norBC、nosZ、nasC、nasDE）和碳（如glk、pgi、sucCD、sdhAB）代谢相关的基因。值得注意的是，还注释了编码Dirammox酶（NH₄⁺-N?→?NH₂OH?→?N₂）的基因dnfABC。氮代谢途径包括通过完全硝化–反硝化的HN-AD过程、同化硝酸盐还原为铵以及潜在的Dirammox途径。HNP菌株在低盐度和含酚废水中有生物修复潜力。这一菌株展示了HN-AD过程在废水处理厂处理高浓度有机氮废水中的潜力，提供了一种新的氮去除策略。

引言

如今，越来越多地有报道指出从废水处理厂（WWTPs）中分离出能够进行异养硝化作用和好氧反硝化作用（HN-AD）的菌株，例如Pseudomonas stutzeri RAS-L11（Li等人，2025年）和Acinetobacter indicus CZH-5（Chen等人，2024a年）。由于HN-AD过程能够将铵氮（NH₄⁺-N）转化为气态氮并去除有机物（Zhai等人，2024年），因此受到了越来越多的关注。这一过程克服了传统处理过程（自养硝化–厌氧反硝化）的局限性，后者受到功能性细菌生长和环境要求的限制（Chen等人，2024b年）。作为异养细菌，HN-AD细菌通常需要较高的C/N比，这使它们有可能处理高有机负荷的废水（Zhang等人，2024年）。例如，在垃圾填埋场渗滤液中，化学需氧量（COD）的浓度范围为2000-5000?mg/L（Zhu等人，2025年）。这些特性给传统的氮去除过程带来了挑战，而HN-AD细菌可以获得用于代谢的电子和能量。尽管在废水处理厂中普遍存在具有HN-AD能力的菌属，但其在氮去除中的潜在作用在现有研究中尚未得到证实。关于HN-AD的可行性和机制的研究为创新废水处理过程提供了方向。

根据研究报告，Hydrogenophaga属在废水处理厂中也广泛存在，其丰度为6.24%（Luan等人，2022年）。该属具有生成聚羟基烷酸和反硝化的功能（Luan等人，2022年；Zhang等人，2025年）。然而，目前没有证据表明该属在废水处理厂中能够进行HN-AD作用。由于缺乏属于Hydrogenophaga属的HN-AD菌株，因此其HN-AD性能、途径多样性以及在废水处理厂中的污染物去除潜力尚未完全明确。全面阐明该属的生长和代谢能力及其机制对于确定其在废水处理厂中执行HN-AD功能的潜力至关重要，从而为技术创新提供理论基础。

在某些HN-AD菌株（如P. stutzeri RAS-L11（Li等人，2025年）中发现了多种氮代谢途径。这使得它们能够处理含有不同氮物种的废水（Huang等人，2023年）。目前，菌株中的氮去除途径通常是通过聚合酶链反应（PCR）扩增相关基因来确定的。然而，如果通用引物无法扩增相关基因，将阻碍对HN-AD途径多样性的全面评估。例如，在Ralstonia pickettii J4中未能扩增到amoA和hao基因（Yang等人，2024a年）。相比之下，基因组和转录组分析能够更全面准确地揭示与氮去除相关的基因和表达情况。这有助于提出多种氮代谢途径，并强调了在基因水平上研究HN-AD菌株以催化新工艺创新的必要性。

在这项研究中，首次从活性污泥中分离出Hydrogenophaga pseudoflava HNP菌株，并证明了其能够进行HN-AD作用。通过动力学分析评估了该菌株的氮去除性能。为了研究氮去除途径，进行了氮平衡测试、基因组分析、PCR扩增、酶活性测试和逆转录定量PCR（qRT-PCR）。将菌株接种到实际废水环境中以评估其应用潜力。这项研究增强了了对Hydrogenophaga在废水处理厂中的生长特性和代谢多样性的基因组理解，并为HN-AD机制提供了理论见解，以促进未来的应用。

部分内容

培养基组成

使用了异养硝化培养基（HNM），其中NH₄⁺-N为唯一氮源；好氧反硝化培养基（ADM-1和ADM-2），其中亚硝酸盐氮（NO₂^?-N）或硝酸盐氮（NO₃^?-N）为唯一氮源；以及同时硝化和反硝化培养基（SM-1、SM-2和SM-3），其中含有混合氮源，用于评估代谢性能（详见补充材料）。使用HCl或NaOH（1.0?M）将pH调整至7.5–8.0。

菌株的分离与鉴定

从废水处理厂的活性污泥中分离出...

在废水处理厂中分离和鉴定HNP菌株

从HNM中分离出两个具有氮和有机物去除能力的菌落，其中生长和性能最好的菌株被命名为HNP。HNP菌株的部分16S rRNA基因序列与H. pseudoflava的序列完全相同，相似度为100%。系统发育树显示HNP菌株与H. pseudoflava菌株SW21HD8（GenBank ID: MZ227565.1）形成了一个独立的簇（图1a）。尽管HN-AD菌株已被广泛研究，但其背后的具体途径仍不明确...

结论

首次从废水处理厂的活性污泥中分离出了具有多种氮代谢途径的HN-AD菌株Hydrogenophaga pseudoflava HNP。在葡萄糖作为碳源、C/N比为20、接种量为1%–2%、pH为8.5–9.5、温度为30℃的条件下，观察到最佳的生长和氮去除效果。氮代谢途径包括反硝化还原（ANR）、铵同化、通过完全硝化–反硝化的HN-AD以及潜在的Dirammox途径。HNP菌株能够在含酚废水中去除污染物。这项研究...

CRediT作者贡献声明

崔园遂：撰写初稿、可视化处理、验证、方法学设计、数据分析、概念构建。崔友伟：审稿与编辑、验证、监督、资源协调、方法学设计、资金获取、概念构建。杨瑞春：实验研究、概念构建。李佳颖：数据分析、概念构建。米雅楠：数据验证。顾新宇：方法学设计、实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52170064和51878010）的财政支持。