铜离子在好氧甲烷氧化耦合好氧反硝化中的双重作用：促进CH4 衍生碳源利用但通过甲烷菌素竞争抑制反硝化

本研究针对低C/N废水处理中碳源不足和温室气体排放问题，探究了Cu2+ 浓度对好氧甲烷氧化耦合好氧反硝化（AME-AD）过程的影响。研究发现10 μM Cu2+ 可优化系统性能（脱氮率0.031 mg·h-1 ，CH4 氧化效率98%），但会因甲烷菌素（Mb）与N2 O还原酶竞争Cu2+ 导致N2 O排放增加（4.79%）。该研究为废水处理工艺优化和温室气体减排提供了理论依据。

　　

背景与挑战
在全球气候变化和污水处理需求的双重压力下，如何高效处理低碳氮比（C/N）废水同时减少温室气体排放，成为环境微生物学领域的重大挑战。甲烷（CH₄
）作为一种强效温室气体，其氧化产物可作为反硝化碳源，但传统厌氧甲烷氧化耦合反硝化（AME-D）受限于氧气条件。近年来提出的好氧甲烷氧化耦合好氧反硝化（AME-AD）虽突破氧限制，但关键金属辅因子铜（Cu²⁺
）的作用机制尚不明确——它既是颗粒甲烷单加氧酶（pMMO）和反硝化酶的必需元素，又可能通过甲烷菌素（Mb）竞争抑制N₂
O还原。

研究设计与方法
中国研究人员构建了由甲烷氧化菌Methylosinus trichosporium OB3b和反硝化菌Paracoccus pantotrophus ATCC 35512组成的合成群落，通过控制Cu²⁺
浓度梯度（0-20 μM），结合气相色谱（CH₄
/N₂
O/CO₂
检测）、紫外分光光度法（NO₃
^-
-N/NO₂
^-
-N测定）和qPCR（功能基因napA、nosZ、pmoA定量），系统解析了Cu²⁺
对脱氮效能、碳代谢及基因表达的影响。

关键发现

1. Cu²⁺
   浓度梯度下的脱氮性能

• 10 μM Cu²⁺
  处理表现出最优脱氮效率（64%），但伴随高N₂
  O生成（4.79%）。
• 氮平衡分析显示，49.48%-66.54%的NO₃
  ^-
  -N转化为N₂
  ，而15 μM处理中N₂
  O占比达峰值5.48%。

1. CH₄
   氧化与碳代谢调控

• 10 μM Cu²⁺
  实现98% CH₄
  氧化效率，但TOC积累随Cu²⁺
  升高（20 μM时达50.99 mg·L^-1
  ）。
• Mb产量在10 μM时最高（4.09 μmol·L^-1
  ），与pmoA基因表达呈正相关（p<0.01）。

1. 功能基因表达特征

• napA（硝酸盐还原酶基因）在15 μM Cu²⁺
  时达峰值3.75×10¹⁰
  copies·g^-1
  ，而pmoA在10 μM时最高（4.8×10⁹
  copies·g^-1
  ）。
• 反常的是，nosZ（N₂
  O还原酶基因）表达与N₂
  O排放正相关，暗示Cu²⁺
  可能通过抑制酶活性或电子传递阻碍N₂
  O还原。

1. 温室气体净减排效应
   尽管10 μM Cu²⁺
   处理CH₄
   减排量最高（978.48 mg CO₂
   -e），但N₂
   O排放使其总减排量降至802.5 mg CO₂
   -e，凸显Mb-Cu²⁺
   竞争对系统可持续性的影响。

结论与展望
该研究揭示了Cu²⁺
在AME-AD中的"双刃剑"效应：低浓度（10 μM）通过激活pmoA和napA促进CH₄
衍生碳源利用，但高浓度（15-20 μM）因Mb竞争导致N₂
O积累。这一发现为优化废水处理工艺参数提供了关键靶点——未来需通过调控Cu²⁺
投加策略或基因工程改造Mb合成途径，实现脱氮与减排的协同优化。论文发表于《Water Research X》，为发展低碳废水处理技术奠定了理论基础。