硫代硫酸盐反硝化菌群低温适应的协同调控机制及其在污水处理中的应用

针对低温条件下硫自养反硝化效率下降的难题，北京大学团队通过多组学分析揭示了硫氧化菌Sulfurovum介导的异养菌代谢分工重分配、群体感应（QS）与交叉喂养协同的抗作弊机制，以及Stutzerimonas stutzeri在低温酶合成中的意外贡献。该研究为寒区污水处理系统优化提供了理论依据，实现了15°C下1.16 mg N/L/h的高效脱氮。

　　

随着全球水体富营养化加剧，传统污水处理的异养反硝化技术面临有机碳需求高、温室气体排放大的瓶颈。硫自养反硝化技术利用还原态硫化合物作为电子供体，尤其硫代硫酸盐(S₂O₃^2?)因其低毒性和高溶解性成为理想选择。然而温度骤降会显著抑制微生物酶活性——当污水温度低于15°C时，脱氮效率急剧下降，而现有研究对菌群低温适应机制的认识仍存在空白。

北京大学的研究团队通过内蒙古乌梁素湖沉积物样本的微宇宙培养实验，结合宏基因组和代谢组分析，首次揭示了硫代硫酸盐反硝化菌群在15°C下的三大适应策略：首先，自养菌Sulfurovum通过种间调控重新分配异养菌代谢分工；其次，群体感应(AHLs/AI-2)与交叉喂养形成"互剥削"系统抑制社会作弊；令人意外的是，传统作弊菌株Stutzerimonas stutzeri在低温下转变成低温酶合成贡献者。该研究发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为寒区污水处理提供了创新理论框架。

关键技术包括：1) 乌梁素湖沉积物样本的梯度温度(15°C vs 30°C)富集培养；2) 宏基因组测序解析功能基因网络；3) 代谢组学追踪氨基酸代谢流；4) 定量PCR检测功能基因表达；5) 生物信息学分析群落组装机制。

【采样与富集】
通过连续传代培养筛选出低温适应菌群，硝酸盐去除率从初始的显著差异(30°C组更快)逐步趋同，表明菌群完成低温适应进化。

【硝酸盐去除】
低温组(SLT)最终实现1.16 mg N/L/h的脱氮速率，宏基因组显示Mangrovibacterium成为关键氨基酸供应者，其提供的天冬氨酸和谷氨酸增强酶柔性，而精氨酸/脯氨酸比例下降利于低温酶构象调整。

【结论】
研究证实温度驱动生态选择主导异养菌群重构，Sulfurovum通过调控异养菌互作避免代谢失衡，而群体感应与交叉喂养的耦合机制有效遏制作弊行为。Stutzerimonas stutzeri在种内调控下贡献psychrophilic酶合成的发现，突破了传统"作弊者"认知。这些发现为设计耐寒污水系统提供了新思路——通过定向调控核心菌群互作网络，可在不依赖外源碳源条件下实现高效脱氮。

【讨论】
该研究首次阐明低温环境中自养-异养菌群的协同调控网络：1) 代谢分工重分配缓解能量压力；2) 群体感应(c-di-GMP信号)整合环境信息；3) "互剥削"系统实现公共利益再平衡。未来可基于此开发群体感应分子强化工艺，或通过生物强化接种Sulfurovum-Mangrovibacterium功能模块提升寒区污水处理效能。