硝化细菌释放的胞外有机物：其特征及其与异养生物协同作用下的生态学角色

《Biochemical Engineering Journal》：Nitrifier released extracellular organics: characterization and their ecological role in synergy with heterotrophs

硝化细菌（AOB和NOB）在纯培养及与异养菌共培养时均显著释放溶解有机碳（DOC）并合成胞外聚合物（EPS），其中NOB释放更多DOC而AOB合成更多EPS。共培养促进了硝化细菌的底物氧化和生长，进而通过DOC支持异养菌增殖，协同提升营养去除效率。

　　

陈晨宇|郑玉仪|林伟婷|罗建飞

华南理工大学生物与生物工程学院发酵与酶工程重点实验室，中国广州510006

摘要

硝化菌，包括氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB），以释放溶解有机碳（DOC）和合成胞外聚合物物质（EPS）而闻名，但这些产物在两者之间的组成和差异仍不清楚。此外，这种特性在硝化菌与异养生物协同作用中的生态作用也很大程度上尚未明确。本研究中发现，AOB和NOB菌株都能产生大量的DOC（最高分别为5.22 mg/L和8.91 mg/L）和EPS（最高分别为11.39 mg/L和4.63 mg/L）。测试的AOB和NOB菌株之间的DOC组成相似。EPS的合成贯穿整个生长阶段，但AOB和NOB之间的EPS组成存在差异。硝化菌释放的DOC支持了异养生物的生长（最大细胞数量达到5.0 × 10⁷ CFU/mL），这显著促进了它们的生长（最高分别提高了2.17倍和1.98倍），以及底物氧化活性和EPS的合成。与异养生物共培养显著上调了硝化菌中参与底物氧化、CO₂固定和EPS合成的功能基因。硝化菌-异养生物的协同作用增强了硝化菌的底物氧化能力，表明其在废水处理中促进营养物质去除方面具有重要的生态作用。

引言

化能自养菌包括氨氧化细菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）、亚硝酸盐氧化细菌（NOB）和硫氧化细菌（SOB），它们广泛分布于地球上，通常是许多贫营养环境（如深海、洞穴、沙漠和湖泊）中的初级生产者[1]、[2]、[3]、[4]。例如，属于Nitrospinae门的NOB物种贡献了15-45%的CO₂固定量，而AOA物种在黑暗海洋中固定了15-53%的CO₂[5]、[6]。属于Acidiferrobacter的SOB物种贡献了超过一半的CO₂固定量[7]。除了自然环境外，化能自养菌在废水处理过程（WWTP）的碳生物地球化学循环中也起着重要作用。然而，由于它们在氮或硫去除方面的显著贡献，它们对CO₂固定的贡献通常被忽视。据报道，WWTP消耗了全球约3%的电力，并贡献了约1.6%的CO₂排放[8]。尽管如此，WWTP同时伴随着CO₂的捕获、储存和利用，从而部分抵消了碳足迹[8]、[9]、[10]。为了去除废水中的高浓度无机污染物（如氨、亚硝酸盐和硫化物），化能自养菌会固定大量的无机碳。

除了用于构建生物量外，固定的无机碳通常以小有机分子和胞外聚合物物质（EPS）的形式从细胞中分泌出来[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。根据定量分析，分泌的有机化合物的最大含量可达总固定碳的20%[14]、[15]、[16]。即使氧化极低浓度的底物，一些海洋硝化菌仍能释放溶解有机碳（DOC），其含量与氧化高浓度底物时相似[15]。化能自养菌通常利用释放的有机化合物来吸引异养生物以抵抗环境压力，或合成EPS以在物质基质上形成生物膜[12]、[17]、[18]。虽然释放胞外有机化合物是它们的一种常见且众所周知的特性，但关于释放的有机碳的分布和组成，以及它们如何与异养生物相互作用的一些问题仍然不清楚。

在本研究中，从废水中分离出的AOB和NOB菌株在纯培养条件下以及与异养细菌共培养条件下进行了研究，目的是：i) 揭示硝化菌与异养生物之间的相互作用；ii) 比较AOB和NOB释放的有机碳（以DOC和EPS的形式）的分布和组成；iii) 证明硝化菌-异养生物协同作用在废水处理中的营养去除潜力。

章节片段

细菌菌株和培养条件

AOB菌株Nitrosomonas sp. SCUT-1、SCUT-2和SCUT-3分别从生活污水、活性污泥和蔬菜土壤中分离出来，采用的方法是将固体琼脂密封在血清瓶中以保持低浓度的顶空氧气[19]。NOB菌株Nitrobacter sp. N1是从水样中使用传统琼脂平板分离出来的[17]。异养细菌菌株包括Sphingomonas sp. Y1、Agrobacterium sp. Y2、Methylobacter sp. Y3和Pseudomonas sp.

纯培养和共培养中的底物氧化及细菌生长

在纯培养和共培养过程中，底物氨或亚硝酸盐几乎完全氧化为相应的产物亚硝酸盐或硝酸盐（图1A、1B）。与纯培养相比，硝化菌与异养细菌Y4的共培养有利于氨或亚硝酸盐的氧化，尤其是在高浓度底物条件下。同时，共培养也有利于AOB和NOB的生长

结论

本研究研究了硝化菌释放的胞外DOC和合成的EPS的特性，以及硝化菌与异养生物之间的相互作用及其对营养去除的协同效应，得出了三个主要结论：1) AOB和NOB菌株都产生了高浓度的DOC和EPS，其中NOB释放的DOC更多，而AOB合成的EPS更多；2) 释放的DOC组成相似，但AOB和NOB的EPS成分不同；3)

作者贡献声明

林伟婷：写作 – 审稿与编辑，监督。郑玉仪：数据分析，数据管理。陈晨宇：验证，方法学研究，数据分析，数据管理。罗建飞：写作 – 审稿与编辑，初稿撰写，监督，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

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。

致谢

本工作得到了广东省基础与应用基础研究基金（编号2025A1515011043）的支持。