细胞色素c介导的异养-自养协同反硝化作用提升水体脱氮效率研究

针对自养反硝化菌生长缓慢、电子传递效率低的问题，研究人员通过构建异养菌Pseudomonas sp. JM-7与自养菌Thiobacillus denitrificans的协同体系（mixPT），发现细胞色素c可作为高效电子传递介质，使430 mg/L硝酸盐去除率达83.3%，较单一菌株提升1.7倍，为低C/N比水体治理提供新策略。

　　

自然生态系统中硝酸盐的过度积累正引发严峻的水体富营养化问题，藻华和赤潮等现象不仅破坏生态平衡，更直接威胁人类健康。尽管自养反硝化技术因其资源效率高被视为理想解决方案，但自养菌如Thiobacillus denitrificans生长缓慢、电子传递效率低的缺陷长期制约其应用。与此同时，异养反硝化菌Pseudomonas sp. JM-7虽能高效传递电子，却受限于有机碳需求，难以在低C/N比环境中发挥作用。如何突破两类菌株的天然局限，成为水体脱氮领域的关键科学问题。

针对这一挑战，中国某研究团队在《Water Research》发表研究，创新性地将异养菌P. JM-7与自养菌T. denitrificans构建混合培养体系（mixPT），并首次揭示P. JM-7分泌的细胞色素c（Cytochrome c）在跨菌种电子传递中的核心作用。通过对比单一菌株与mixPT对430 mg/L硝酸盐的去除效率，发现mixPT在90小时内去除率达83.3%，显著高于P. JM-7单独作用的48.8%，而T. denitrificans几乎无脱氮能力。更引人注目的是，mixPT在仅10 mg/L的极低碳环境下，仍能在120小时内完全去除40 mg/L硝酸盐，展现出强大的工程应用潜力。

关键技术方法
研究采用菌株分离培养（P. JM-7分离自北京京密引水渠）、混合培养体系构建（接种比例0.2 ml P. JM-7:1 ml T. denitrificans）、电子传递介质表征（细胞色素c功能验证）及实际水体验证（真实湖水脱氮实验）等方法，以1 g/L酵母提取物粉末（YEP）作为基础电子供体。

研究结果

Denitrification performance of MixPT
实验数据显示，mixPT体系对高浓度硝酸盐（430 mg/L）的去除动力学呈现两阶段特征：0-16小时为迟滞期，16-90小时进入快速脱氮阶段，最终去除量达360 mg/L。电化学分析表明，P. JM-7通过物理吸附作用缩短了与T. denitrificans的接触距离，使细胞色素c能够直接将电子传递给自养菌，减少传递损耗。

Role of cytochrome c
蛋白质组学证实P. JM-7分泌的细胞色素c含有丰富的血红素基团，其氧化还原电位（-220 mV至+360 mV）完美匹配T. denitrificans的电子传递链需求。添加外源细胞色素c抑制剂后，mixPT脱氮效率下降42%，直接证明其介导跨菌种电子传递的核心功能。

实际水体验证
在真实湖水（C/N比=1.2）中，mixPT体系对硝酸盐的去除率仍保持78.5%，且未检测到N₂O等副产物积累，证实其环境适应性。

结论与意义
该研究突破性地揭示了异养-自养菌间通过细胞色素c实现的电子传递新机制：P. JM-7既作为"电子中转站"分泌细胞色素c，又通过菌体吸附构建"纳米级电子传递通道"，使T. denitrificans的脱氮效率产生质的飞跃。这一发现不仅为低C/N比水体治理提供新型混合菌剂方案，更开创性地将细胞色素c定义为"生物源电子传递介体"，为合成生物学改造电子传递链提供新靶点。从应用角度看，mixPT体系既能避免异养菌的有机碳依赖，又克服了自养菌的动力学缺陷，在污水处理厂尾水、地下水修复等领域具有广阔前景。研究团队特别指出，该体系对实现"双碳"目标具有双重意义——既减少脱氮过程的CO₂排放，又通过抑制N₂O生成降低温室效应。