通过氮同化作用评估Bacillus spizizenii HH1-2的氮去除特性：分离、性能及基因组学研究

《Bioresource Technology》：Evaluation of nitrogen removal characteristics of Bacillus spizizenii HH1-2 by nitrogen assimilation: isolation, performance and genomics

氮去除新菌种Bacillus spizizenii HH1-2从活性污泥中分离，其通过氨同化途径实现高效氨氮（2.97 mg/L/h）、硝酸盐（2.21 mg/L/h）和亚硝酸盐（1.97 mg/L/h）去除，基因组鉴定关键代谢基因，适应性强，适用于循环水养殖系统。

　　
近年来，全球氮污染问题日益严峻，其来源不仅包括生活污水和工业废水，还涉及农业活动中的过量化肥使用。这种持续的环境压力已导致水体富营养化、藻类爆发等生态灾难，同时威胁饮用水安全和人类健康。针对这一挑战，科研团队从污水处理系统中的活性污泥中筛选出了一种具有突破性脱氮性能的新菌种，并对其代谢机制进行了系统性研究。

研究团队通过长期监测发现，某些特定活性污泥样本中存在异常高效的氮去除能力。经过微生物鉴定和代谢功能测试，最终确认该高效菌株为芽孢杆菌属（Bacillus）的Bacillus spizizenii HH1-2。与传统脱氮工艺依赖的异养硝化-反硝化联合作用不同，该菌株展现出独特的氨同化代谢途径。实验数据显示，在标准污水处理条件下，HH1-2菌株对氨氮（NH4+）、亚硝酸盐（NO2-）和硝酸盐（NO3-）的去除速率分别达到2.97、1.97和2.21 mg/L/h，且未检测到中间产物亚硝酸盐的积累现象。

在代谢机制解析方面，基因组测序揭示该菌株具有完整的氨同化代谢通路。研究重点分析了与氮代谢相关的关键基因，包括硝酸盐还原酶（narK）、亚硝酸盐还原酶（nasC）、氨转运蛋白（narI）以及谷氨酸合成相关基因（glnA、gudB、gltD）。这些基因的协同表达构建了从硝酸盐到氨的完整转化链条，并形成独特的代谢闭环系统。通过对比分析发现，该菌株的代谢网络比传统脱氮菌种更趋近于能量节约型模式，其核心优势在于将氮素转化为生物体自身组分，而非通过气态排放造成损失。

环境适应性测试表明，HH1-2菌株在多种干扰条件下仍保持高效脱氮能力。在碳源替代实验中，该菌株成功利用甲醇、乙酸乙酯等多种有机碳源，展现出代谢多样性。特别值得注意的是，当碳氮比（C/N）从传统工艺的3:1提升至10:1时，脱氮效率仅下降12%，这为处理高浓度有机废水提供了新思路。在盐度适应性方面，菌株在5% NaCl浓度下仍能保持80%以上的脱氮活性，这对处理海水养殖废水具有重要应用价值。

pH耐受性测试揭示了该菌株独特的环境适应机制。在连续7天的pH波动实验中（5.0-9.0），脱氮效率仅波动于92%-98%之间。基因表达分析显示，菌株通过激活多个反馈调节系统来维持代谢平衡，包括pH响应的转录调控因子（如PIT系统）和氮代谢相关酶的磷酸化修饰。这种多层次的调节机制使其能够稳定运行于宽泛的pH环境中。

研究团队还创新性地设计了复合培养基进行系统测试。通过添加不同比例的硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮，结合梯度碳源浓度，成功解析出该菌株的三阶段脱氮机制：第一阶段（0-6小时）快速吸附氨氮并转化为谷氨酸前体；第二阶段（6-24小时）将硝态氮还原为亚硝态氮并进一步转化为氨；第三阶段（24小时以上）通过同化途径将氮固定为生物量。这种连续的多相代谢过程显著提高了氮素的利用率，相比传统两阶段工艺，系统整体氮去除率提升达40%。

在应用场景方面，研究团队重点考察了循环水产养殖系统（RAS）的适用性。通过模拟投喂高浓度有机饲料后的养殖废水处理，发现HH1-2菌株在30分钟内即可完成80%以上的氨氮去除，且对COD的去除贡献率超过氮处理本身。这种协同净化能力为水产养殖废水处理提供了全新解决方案。此外，在比较实验中，该菌株对工业废水中的硝酸盐去除效率（92.3%）显著高于对照菌株（78.6%），其差异源于独特的硝酸盐还原酶活性调控机制。

值得注意的是，该菌株的代谢产物分析为后续研究指明方向。在标准测试条件下，菌株主要产生CO2和H2O，检测不到N2O等温室气体排放。但通过优化碳源配比（如添加10%甘油），研究团队意外发现菌株可产生约15%的N2气态产物，这为开发低碳排放型脱氮工艺提供了新可能。基因编辑实验显示，敲除narK基因会导致硝酸盐还原效率下降67%，证实该基因在代谢通路中的核心地位。

在技术经济性评估方面，研究团队构建了全生命周期成本模型。与传统工艺相比，HH1-2菌株系统减少了40%的曝气能耗，30%的碳源消耗，且通过生物量积累实现了氮素的循环利用。在青岛某污水处理厂的试点工程中，采用该菌株的工艺单元较传统单元节省运营成本28%，同时减少氮逃逸量达53%。

该研究的理论突破在于揭示了氨同化代谢的完整调控网络。通过比较基因组学分析，发现HH1-2菌株具有三个关键创新点：1）整合了亚硝酸盐单加氧酶（NirX）和羟胺氧化酶（HAO）的协同表达系统；2）开发了氮代谢与碳代谢的交叉调控机制，通过CAMP信号通路实现两者动态平衡；3）构建了多重反馈调节系统，包括氮渗透蛋白（Ntr系统）和谷氨酸半合成途径的调控模块。这些发现不仅完善了细菌氮代谢的理论框架，更为工程菌的设计提供了分子层面的指导原则。

在环境效益方面，研究团队通过生命周期评估（LCA）模型证实，采用HH1-2菌株的系统可使碳排放强度降低42%。特别在低温环境（15℃）下，菌株通过激活 Alternative Pathway (AP) 和 Enzymatic Pathway (EP) 的协同机制，维持了稳定的脱氮活性。这种温度适应性为北方地区的冬季污水处理提供了技术保障。

目前，研究团队已建立包含500株候选菌株的基因库，并通过代谢组学分析筛选出8株具有工程潜力的近缘菌株。其中，Bacillus cereus HH3-1菌株在低碳源（C/N=5）条件下仍能保持85%的脱氮效率，显示出显著的遗传保守性。这些发现为构建更适应复杂环境的脱氮菌群提供了物质基础。

从技术转化角度，研究团队开发了基于微流控芯片的快速脱氮性能检测系统。该设备可在2小时内完成菌株对氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐的综合去除能力评估，检测精度达到±0.05 mg/L。在青岛、大连等地的污水处理厂实地测试中，该设备成功将菌种筛选周期从传统方法的15天缩短至3天，显著提升了工艺优化效率。

值得关注的是，该菌株在处理含重金属（如Cu2+浓度达500 mg/L）的工业废水时，仍能保持82%以上的脱氮效率。通过X射线荧光（XRF）分析和电子显微镜观察，发现菌株表面形成了含磷酸盐的生物膜结构，这种天然防污屏障可有效截留重金属离子，避免传统化学沉淀法的二次污染问题。

在后续研究中，团队计划开展多菌株协同作用机制探索。通过构建含有HH1-2、硝化细菌和反硝化菌的混合菌群，实验组发现系统脱氮效率比单一菌株提高37%，且能耗降低19%。这种协同效应源于菌群间代谢物交换（如NH3、NO2-、有机酸等）形成的动态平衡，为开发第三代生物脱氮工艺奠定了基础。

该研究成果的发表标志着生物脱氮技术进入精准调控新阶段。通过整合基因组学、代谢组学和宏基因组学等多组学技术，研究团队不仅解析了目标菌株的代谢密码，更建立了"基因-代谢-环境"的立体调控模型。这种系统性研究方法为解决氮污染问题提供了新的方法论指导。

在应用推广方面，研究团队与青岛蔚蓝生物股份有限公司合作开发了基于HH1-2菌的生物脱氮剂（登记号：CN2023-XXXX）。该产品已在山东、江苏等地的32座污水处理厂投入应用，平均处理效率达到98.7%，较传统工艺提升21个百分点。特别在处理印染废水（色度>10000）时，脱氮效率仍保持91%以上，突破了高有机负荷条件下的技术瓶颈。

这项研究的创新性在于首次完整揭示了氨同化代谢的分子调控网络。通过构建代谢通量动态模型，研究人员发现菌株在氨氮浓度超过50 mg/L时，会启动应急代谢机制：一方面通过增强谷氨酸脱氢酶活性维持氮代谢平衡；另一方面激活碳代谢途径，将多余的碳源转化为乙酰辅酶A等中间产物。这种双重调节机制使菌株在高浓度氨氮冲击下仍能保持72%以上的脱氮活性。

在环境友好性方面，研究团队进行了深入比较。传统反硝化工艺每处理1 kg氮素需消耗3.5 kg甲醇，而HH1-2菌株系统通过优化代谢途径，仅需1.2 kg甲醇即可实现同等处理效果。这种能源效率的提升源于菌株特有的氮代谢循环网络，其能量转化效率比传统工艺提高2.3倍。

最后，研究团队建立了全球首个生物脱氮菌种数据库（BacDB）。该数据库收录了包括HH1-2在内的127株高效脱氮菌株的代谢特征、环境适应范围和基因表达谱数据。通过开发配套的菌种智能推荐系统，可根据具体水质参数（如pH、C/N比、有机负荷等）自动匹配最佳脱氮菌种组合，为工业废水处理提供了数字化解决方案。

这项持续五年的研究计划已获得三项国家自然科学基金重点项目的连续支持，并形成包含12项发明专利的知识产权体系。目前，研究团队正与联合国环境署合作，在亚洲、非洲的12个国家开展技术转移项目，计划三年内实现生物脱氮技术对全球30%新增污水处理能力的覆盖。