新型耐碱脱氮除磷菌株I4的性能评估与分子机制解析及其在咸水-盐碱环境中的应用潜力

本研究针对咸水养殖尾水高碱环境传统生物脱氮除磷技术效率低下的问题，分离出具有硝化-好氧反硝化（HNAD）和好氧除磷双重功能的耐碱菌株Pseudomonas sediminis I4。通过基因组学和酶活性分析揭示其氮磷代谢通路，证实该菌在pH 7-11条件下可实现24小时内93-100%脱氮和100%除磷，为盐碱水环境治理提供了高效生物解决方案。

　　

随着全球水产养殖产量突破2.14亿吨，咸水养殖作为新兴领域面临严峻的水体富营养化挑战。高碱环境（pH>9）下，传统脱氮除磷微生物活性受抑，现有技术对NH₄⁺-N和PO₄^3--P的去除率普遍低于80%。广州大学生命科学学院的研究团队从珠海咸水池塘分离出一株革命性的耐碱菌株Pseudomonas sediminis I4，其突破性地在pH 11条件下实现24小时完全脱氮除磷，相关成果发表于《Bioresource Technology》。

研究采用多组学联用策略：通过Illumina HiSeq和Nanopore平台完成全基因组测序，结合KEGG通路注释解析代谢网络；运用RT-qPCR检测nrt、napA等15个功能基因表达；采用酶联免疫法测定AMO（氨单加氧酶）、PPK（多聚磷酸盐激酶）等6种关键酶活性；建立 zebrafish 生物安全模型评估生态风险。

【3.1 菌株筛选与鉴定】
扫描电镜显示I4呈杆状（4.33×0.36 μm），16S rDNA鉴定为Pseudomonas sediminis。抗生素敏感试验证实其对17种抗生素无耐药性，斑马鱼存活率实验显示100%生物安全性。

【3.3 培养条件优化】
在C/N=10、P/N=0.2、30°C条件下，柠檬酸钠为碳源时脱氮效率最高。值得注意的是，在零碳源条件下仍保持70%除磷率，揭示PPK/PPA系统不依赖外源碳的特性。

【3.4 氮磷去除性能】
动力学模型显示pH 11时NO₃^--N最大降解速率达36.25 mg/L/h，较中性条件提升2.5倍。全基因组分析发现其独特代谢通路：依赖nirB（亚硝酸还原酶基因）实现NO₂^-→N₂直接转化，而非传统amoCAB途径。

【3.5 基因组学发现】
鉴定出23个氮代谢基因（如nrtABCD转运体）和17个磷代谢基因（pstSCAB磷酸盐转运系统）。Cas（碳酸酐酶）基因的高表达解释了其pH稳态调控机制。

【3.7 碱性适应机制】
酶活检测显示pH 11时NIR（亚硝酸还原酶）活性达0.0334 μmol/min·mg，PPK活性提升10倍。结构分析表明碱性环境促进Mg²⁺与酶活性中心结合，维持蛋白构象稳定。

该研究首次阐明HNAD菌在极端碱性环境下的代谢重塑机制：通过nirB主导的"解毒通路"规避亚硝酸盐积累，借助PPK/PPA能量循环实现碳饥饿条件下的持续除磷。菌株I4的工业化应用将有效拓展盐碱地水产养殖空间，为联合国可持续发展目标（SDGs）中"清洁饮水和卫生设施"提供创新解决方案。其基因组数据（GenBank: PP494241）为合成生物学改造耐碱微生物提供了重要元件库。