在好氧条件下，Pseudomonas mendocina MGAD-04能够同时高效地去除碳、氮和磷：其去除效果及作用机制

《Bioresource Technology》：Simultaneous and efficient removal of carbon, nitrogen, and phosphorus by Pseudomonas mendocina MGAD-04 under aerobic conditions: Performance and mechanism

异养硝化反硝化菌Pseudomonas mendocina MGAD-04从富营养化湖泥中分离，具有同步去除氨氮、亚硝氮、硝氮及磷酸盐的能力，最大去除速率分别为14.59、19.05、25.47和2.65 mg/L/h，基因组解析揭示其含氨氮同化、硝化、Dirammox、反硝化及亚硝酸盐同化五种氮代谢途径。该菌株在猪废水处理中总去除效率超80%，并验证了碳氮比、pH等条件对其活性的影响。

　　在当前的环境治理领域，水体富营养化问题日益受到关注。富营养化主要是由于氮（N）和磷（P）等营养物质在水体中的过量积累所引发，这不仅影响了水体的生态平衡，还对人类健康和水资源安全构成了威胁。为应对这一挑战，研究者们不断探索新的微生物处理技术，特别是基于微生物同化和转化的生物处理方法。这些方法因其环境友好性、成本效益、高安全性和可持续性而备受青睐。然而，传统生物处理过程通常需要交替的氧气环境，这在实际应用中存在一定的困难。此外，现有氮和磷去除细菌在操作过程中也面临一些矛盾，如碳源选择、溶解氧水平、水力停留时间和污泥停留时间之间的协调问题。

近年来，异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）细菌的出现为解决这些问题提供了新的思路。HN-AD细菌能够在完全好氧条件下同时完成硝化和反硝化过程，利用有机物作为电子供体，实现对氨氮（NH??-N）、硝酸盐氮（NO??-N）和亚硝酸盐氮（NO??-N）的高效去除。这一特性使得HN-AD细菌在废水处理中展现出广阔的应用前景。然而，尽管已有许多研究关注HN-AD细菌的氮代谢途径，其代谢机制和功能多样性仍存在诸多未知。因此，对HN-AD细菌进行全面的代谢分析和功能表征显得尤为重要。

同时，磷的去除在水体富营养化治理中同样不可或缺。磷是水生生态系统中关键的营养元素，其浓度的降低对于控制富营养化具有重要意义。尽管一些HN-AD细菌已被证实具备磷去除能力，但关于其磷去除性能和机制的研究仍较为有限。因此，筛选出能够同步高效去除氮和磷的优质HN-AD菌株，并深入解析其代谢机制，是推动其在废水处理中应用的关键。此外，已有研究主要依赖于模拟培养基，这在一定程度上限制了研究成果在实际工程中的适用性。因此，有必要开展基于真实废水条件的实验研究，以更准确地评估HN-AD细菌的处理效果。

本研究的初衷正是为了应对上述挑战，旨在通过从富营养化湖泊底泥中分离出一种具有异养硝化和好氧反硝化能力的细菌，进一步探索其在不同环境条件下的生长特性和污染物去除性能。该菌株被命名为MGAD-04，属于黄单胞菌属（*Pseudomonas*）。MGAD-04不仅能够高效去除氮和磷，还展现出对多种碳源和氮源的广泛适应性。在实验中，研究者考察了不同碳源类型、碳氮比（C/N）、磷氮比（P/N）、初始氮浓度以及pH值等因素对菌株增殖速率、污染物去除效率和动力学特性的影响。结果显示，该菌株在多种氮源条件下均表现出优异的去除性能，且其去除效率超过80%。这一发现为HN-AD细菌在实际废水处理中的应用提供了有力支持。

在实验过程中，研究团队采用了多种培养基，包括富集培养基（EM）、异养硝化培养基（HNM）、好氧反硝化培养基（ADM）以及常用的LB培养基和溴甲酚绿培养基（BTB）。这些培养基的制备方法参考了之前的研究（Huang et al., 2023），并附有补充材料以供进一步查阅。通过对湖底泥样品的采集和筛选，研究人员成功分离出八种具有蓝色边缘的菌株，其中MGAD-04因其在好氧条件下同时完成硝化和反硝化的能力而被选中进行后续实验。MGAD-04在BTB平板上的菌落特征为大而明显，颜色呈淡黄色，表面粗糙，边缘不规则，这表明其具有较强的代谢活性。

为了进一步了解MGAD-04的代谢特性，研究团队对其全基因组进行了测序，并基于此解析了其碳、氮和磷代谢路径。全基因组分析结果显示，MGAD-04具备五条氮代谢路径，包括氨氮同化、硝化作用、Dirammox途径、反硝化作用以及硝酸盐同化还原。其中，Dirammox途径是由*dnfABC*基因簇介导的，该途径能够将氨氮直接氧化为氮气（N?），这一发现拓宽了HN-AD细菌在氮去除方面的代谢多样性。此外，研究还识别了与磷代谢相关的基因（*ppk*和*ppx*）以及与碳代谢相关的基因（*sucC*、*sucD*、*sdhA*和*sdhB*），这些基因的表达和功能有助于揭示该菌株在复杂废水环境中的适应机制。

除了对代谢路径的分析，研究还评估了MGAD-04在处理预处理后的猪废水中的工程可行性。猪废水通常含有高浓度的有机物、氨氮和硝酸盐氮，同时可能含有一定量的磷。因此，能够同步去除多种污染物的HN-AD菌株在处理这类废水时具有显著优势。实验结果显示，MGAD-04在处理猪废水过程中表现出良好的去除效果，进一步验证了其在实际废水处理中的应用潜力。

综上所述，本研究通过从富营养化湖泊底泥中分离出一种具有异养硝化和好氧反硝化能力的细菌，深入探讨了其在不同环境条件下的生长特性和污染物去除性能。全基因组测序不仅揭示了该菌株的代谢多样性，还为其在废水处理中的应用提供了理论依据。研究结果表明，MGAD-04在氮和磷去除方面具有显著优势，同时展现出对多种环境因素的强适应性。这一发现为HN-AD细菌在废水处理领域的推广和应用提供了新的方向，也为未来进一步优化其处理性能奠定了基础。通过本研究，我们期望能够推动HN-AD技术在实际工程中的应用，为水体富营养化治理提供更加高效和可持续的解决方案。