水产养殖已成为全球粮食安全的重要支柱，截至2010年已占全球动物蛋白摄入量的17%，养活了超过13亿人（FAO, 2017; Waite et al., 2014）。随着全球需求的持续增长，水产养殖现在贡献了全球渔业总产量的近一半（Bartley, 2022）。然而，这一行业的集约化也导致了富含氮和磷的废水排放，主要来源于未被食用的饲料、鱼类排泄物以及抗生素、杀虫剂和化肥等化学添加剂。更广泛地说，城市污水和农业径流也是地表水中氮和磷的主要人为来源，常常引发内陆和沿海生态系统的富营养化（Tong et al., 2020; IPCC, 2022; UNESCO UN-Water, 2023）。因此，有效的营养控制不仅需要针对水产养殖行业的具体措施，还需要整合水产养殖、城市卫生和农业的管理（Wang et al., 2024; Crowson et al., 2024）。与陆地系统不同，水产养殖废弃物在水环境中迅速扩散，使得收集和处理变得复杂（Bouwman et al., 2013），并加速了富营养化和生态退化（Kura et al., 2004）。
废水中的氮和磷去除技术通常分为物理化学方法和生物方法。虽然化学沉淀和电凝聚（EC）等手段应用广泛，但它们存在化学药品使用量大、产生大量污泥和能耗高的缺点（Nguyen et al., 2014; Tran et al., 2012; Mollah et al., 2001）。相比之下，生物营养去除（BNR）更具可持续性和成本效益，依靠微生物群落进行硝化-反硝化作用以及增强型生物磷去除（EBPR）（Fernandes et al., 2013; Wu et al., 2007）。
在传统的EBPR系统中，聚磷酸盐积累菌（PAOs）如Candidatus Accumulibacter在厌氧条件下吸收挥发性脂肪酸（VFAs），并在好氧阶段将磷酸盐以细胞内聚磷酸盐的形式积累。然而，这些系统对环境变化敏感，需要严格控制厌氧-好氧阶段的转换。系统故障可能由糖原积累菌（GAOs）的竞争性生长或自由亚硝酸等抑制性物质以及低pH值引起（Zeng et al., 2016; Stokholm-Bjerregaard et al., 2017）。
一类有前景但研究较少的一类微生物——氨同化聚磷酸盐积累菌（AA-PAOs）——能够在好氧条件下同时去除氮和磷。与反硝化PAOs或经典硝化菌不同，AA-PAOs通过异养途径直接将氨同化为生物量，同时将磷酸盐积累为聚磷酸盐（Qiu et al., 2019; Saia et al., 2021）。这种能力使得反应器配置更简单，过程稳定性更高，并在变工况下降低能耗（图1）。
尽管具有这些潜力，但AA-PAOs中营养去除的遗传和调控机制仍大部分尚未阐明。特别是在营养胁迫条件下，涉及氨同化（如glnA、nirA）和磷酸盐代谢（如ppk、ppx、pstB）的基因协调表达机制尚未得到全面研究。尽管这些基因在营养代谢中起关键作用，但其在高氮和磷负荷下的调控和相互作用仍不甚清楚。此外，很少有研究综合探讨这两种营养循环在单一菌株中的协同调控机制，限制了基于AA-PAO的生物处理系统的进展。
为填补这些空白，本研究调查了一种新分离的菌株Pseudomonas khazarica DN-33的代谢和基因调控机制，该菌株被鉴定为AA-PAO。该菌株在好氧条件下表现出强大的氮和磷去除能力。我们优化了其生长参数，进行了基因组测序和基于KEGG的代谢途径注释，并通过RT-qPCR评估了在高氮和磷条件下的关键基因表达。通过将生理表现与基因水平调控联系起来，本研究为AA-PAOs的双重营养去除机制提供了新的见解，并为其在高效、集成废水处理中的应用奠定了基础。
