耐酸假芽孢杆菌Fictibacillus phosphorivorans MJ9在酸性厌氧环境中的硝酸盐去除作用

《RSC Advances》：Nitrate removal by acid-tolerant Fictibacillus phosphorivorans MJ9 in acidic anaerobic environments

　　

研究人员在本研究中发现，一株耐酸菌株——磷溶假芽孢杆菌(Fictibacillus phosphorivorans) MJ9在酸性条件下表现出优异的硝酸盐去除效率。其在初始pH为3.1的条件下实现了80.4 ± 1.1%的硝酸盐降解。代谢组学与蛋白质组学分析表明，菌株MJ9的硝酸盐还原主要通过异化硝酸盐还原成铵(Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium, DNRA)和部分反硝化途径进行，并伴有不完全反硝化过程。此外，糖酵解、脂肪酸代谢、嘌呤代谢和三羧酸循环(Tricarboxylic Acid Cycle, TCA)等关键代谢过程，在为细胞供应能量、调节代谢通量及维持细胞内稳态方面发挥了至关重要的作用。综上所述，这些研究结果凸显了该新型菌株MJ9卓越的硝酸盐去除能力，并为其揭示在厌氧酸性条件下的代谢适应机制提供了有价值的见解。

本研究针对全球地下水硝酸盐污染加剧及现有生物脱氮技术在酸性环境中效率受限的问题展开。传统硝化-反硝化工艺运行成本高，自养硝化菌生长缓慢且易受水质波动影响；异养硝化-好氧反硝化(Heterotrophic Nitrification and Aerobic Denitrification, HNAD)菌虽生长较快，但在高渗透压等极端环境下效率显著下降；厌氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation, anammox)则受限于高有机负荷与低温环境。更为关键的是，大多数已报道的脱氮微生物仅在中性至弱碱性环境中表现最佳，当pH低于6.0时，其硝化与反硝化活性显著减弱，难以应用于矿山、冶金及制药等行业排放的强酸性废水（pH < 4.0）。尽管已有关于耐酸菌的研究，但在极强酸性与厌氧耦合条件下的分子机制尚不明确。为此，研究人员从污水处理厂活性污泥中分离鉴定出一株新型高效耐酸硝酸盐还原菌Fictibacillus phosphorivorans MJ9，旨在优化其在酸性厌氧条件下的脱氮效能，并阐明其关键代谢通路与蛋白表达谱，以期为酸性废水生物处理提供理论依据。该研究成果发表于《RSC Advances》。

研究人员采用了多组学联合分析策略开展研究。样本来源于常州市某工厂酸性清洗废水（初始pH 3.1，NO₃^?-N浓度约52.22 mg L^?1），通过梯度稀释涂布法分离菌株，利用16S rDNA测序进行物种鉴定并构建系统发育树。为探究脱氮机制，研究结合代谢组学与非标记定量蛋白质组学技术，对处理72小时后的菌体样本进行分析，筛选差异代谢物与差异表达蛋白(Differentially Expressed Proteins, DEPs)，并通过KEGG数据库进行通路富集分析，从系统生物学层面解析菌株的代谢适应策略。

3.1 新型硝酸盐降解菌MJ9及其降解特性

研究人员通过形态观察与分子生物学鉴定，确认MJ9属于磷溶假芽孢杆菌属，革兰氏阴性，杆状，菌落呈黄色湿润。在酸性清洗废水处理实验中，接种量是决定脱氮效率的关键因素。当接种量达到110 mL（离心体积）时，72小时内NO₃^?-N去除率可达80.4 ± 1.1%，显著优于低接种量组。虽然反应过程中出现了亚硝酸盐(NO₂^?-N)的短暂积累与铵盐(NH₄⁺-N)的残留，但总有机碳(Total Organic Carbon, TOC)的有效降解表明菌株在酸性环境下保持了活跃的代谢活性。

3.2 代谢组学分析

代谢组学结果显示，菌株代谢后共鉴定出928种代谢物，其中321种上调，607种下调。分析表明，糖酵解途径中的磷酸烯醇丙酮酸和3-磷酸甘油酸显著下调，三羧酸循环(TCA)中间体苹果酸和柠檬酸也呈下调趋势，这表明碳源被优先用于产生还原力（如NADH）以驱动硝酸盐还原。同时，辅酶A(Coenzyme A, CoA)的上调暗示脂肪酸β-氧化增强以提供ATP；氧化型谷胱甘肽和色氨酸的上调则反映了细胞为应对DNRA过程中产生的活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)而激活了抗氧化应激机制。黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleotide, FAD)和黄素单核苷酸(Flavin Mononucleotide, FMN)的下调限制了电子传递链效率，导致了不完全反硝化的发生。

3.3 蛋白质组学分析

蛋白质组学分析鉴定出275种差异表达蛋白。研究人员发现，参与嘌呤合成的关键酶（如PurL、PurM、PurC、PurN）显著上调，以促进核苷酸和ATP的合成，满足DNRA途径的高能耗需求。NADH-醌氧化还原酶亚基H(NuoH)的下调导致NADH积累，为硝酸盐还原提供了充足的电子供体。此外，脂肪酸合成相关蛋白FabZ及细胞壁合成蛋白MurA、MurI的上调，有助于维持细胞膜稳定性及物质运输。值得注意的是，关键的催化亚硝酸盐还原酶(NirS)和氧化亚氮还原酶(NosZ)未检测到，证实反硝化并非主导途径，且精氨酸合成相关蛋白的下调进一步说明同化作用在此时受到抑制。

3.4 整合多组学分析

整合分析揭示了MJ9的代谢适应模型：在酸性厌氧胁迫下，细胞通过上调嘌呤代谢和脂肪酸合成来增强ATP供应与膜脂合成，维持膜结合硝酸盐还原酶活性及质子梯度；同时通过下调TCA循环与重定向电子流向，将碳通量分流以生成大量还原当量NADH，专用于驱动高耗能的DNRA途径，而非完全氧化磷酸化。这种代谢重编程确保了菌株在低碳源或强酸性条件下仍能利用硝酸盐作为电子受体。

3.5 当前研究的局限性

研究人员指出，本研究缺乏热灭活细胞对照、pH梯度对照及好氧对照等关键实验；接种量以离心体积而非细胞密度计量；DNRA途径的证据主要基于铵盐积累及反硝化酶缺失，缺乏NrfA蛋白检测或¹⁵N同位素示踪等直接证据；关键酶活性亦未进行生化验证。

4 结论

研究人员总结认为，新型耐酸菌株Fictibacillus phosphorivorans MJ9在pH 3.1的强酸性废水中表现出优异的脱氮潜力。其通过上调能量与膜合成相关通路，并将碳通量重定向以产生NADH，主要通过异化硝酸盐还原成铵(DNRA)途径实现硝酸盐去除。然而，该过程伴随亚硝酸盐和铵盐的积累，在实际应用中可能需要增加后处理单元以满足总氮排放标准。该研究为极端酸性废水生物处理提供了重要的菌种资源与理论基础。