一种新型耐盐细菌（Vreelandella sp. J1-11）的高效氮去除性能及其机制

《Journal of Environmental Management》：Efficient nitrogen removal performance and mechanism of a novel salt-tolerant bacterium Vreelandella sp. J1-11

高盐废水处理中异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）技术效率提升研究。从南海及马里亚纳海沟深海沉积物中分离出耐盐HN-AD菌株Vreelandella sp. J1-11，其最大氮去除率达13.86 mg/L/h，在15-100 g/L盐度及100-800 mg/L氨氮浓度下实现近100%去除率。基因组分析揭示其具备氨素同化、硝酸盐反硝化等关键功能基因，但与传统路径相关基因存在缺失。该菌株在4-12 C/N比、15-35℃及高盐高氨胁迫下表现优异，为工业废水处理提供新菌种资源。

　　

周向丹|青胜强|周洪波|程海娜|陈竹|王洋洋|王玉光

中南大学矿物加工与生物工程学院，中国湖南省长沙市410083

摘要

异养硝化作用和好氧反硝化作用（HN-AD）在生物废水处理中展现出巨大潜力。然而，高效的菌株仍是提高HN-AD处理效率和稳定性的关键限制因素。本研究从海洋沉积物中分离出一种新型耐盐HN-AD细菌（Vreelandella sp. J1-11）。该菌株能够在高盐度环境下高效去除氮，无论是单一氮源还是混合氮源均可有效作用。最大氮去除率可达13.86 mg/L/h，并且没有中间产物的积累。特别地，该菌株在盐度为15–90 g/L或NH₄⁺-N浓度为100–800 mg/L的条件下，能够去除约100%的NH₄⁺-N。氮平衡分析表明，超过81%的氮是通过NH₄⁺-N或NO₃^?-N被同化的。基因组分析显示，铵的吸收、反硝化硝酸盐的还原、硝化作用及反硝化作用参与了氮的去除过程。尽管某些常见的氮转化基因缺失，但这可能暗示存在参与这些过程的独特基因或途径。J1-11菌株在C/N比为4–12、盐度为15–100 g/L、温度为15–35°C的条件下仍表现出较高的氮去除效率。总体而言，J1-11菌株在处理高铵盐浓度的废水方面具有巨大潜力。

引言

氮化合物的过量排放导致了水体严重富营养化及其他环境问题，还可能威胁人类健康（Cui等人，2021；Xiang等人，2025）。这凸显了治理氮污染的紧迫性。与物理化学技术相比，生物处理方法因效率高、经济环保且无二次污染而受到关注（Huan等人，2024b）。传统的生物脱氮过程通常包括两个步骤：自养微生物的好氧硝化作用和异养微生物的反硝化作用（Mishra等人，2022）。基于此，许多技术被广泛应用于氮的去除，如A/A/O和CASS工艺。然而，这些技术受特定厌氧或好氧环境条件的限制，且微生物生长缓慢（Wang和He，2020；Zhang等人，2024a）。此外，自养微生物易受高铵盐等环境压力的影响，限制了其在工业废水处理中的应用（Hao等人，2022；Kosgey等人，2022；Wu等人，2024）。

1983年首次分离出具有异养硝化和好氧反硝化双重能力的细菌后，陆续发现了更多此类细菌，如Bacillus、Acinetobacte、Agrobacterium、Alcaligenes、Pseudomonas和Paracoccus等，其氮去除率介于2.15至11.4 mg/(L·h)之间（Bian等人，2025；Gao等人，2023；Hu等人，2023；Song等人，2021）。这些微生物比自养硝化菌生长更快，能利用不同的碳源作为能量和电子供体来去除氮（Huan等人，2024a；Wang等人，2025b）。同步硝化-反硝化（SND）技术通过控制溶解氧、pH值、温度等环境参数，使硝化和反硝化在同一空间内发生（Di Capua等人，2022；Wang等人，2025a）。基于HN-AD细菌的SND技术可弥补传统生物脱氮方法的不足（Omar等人，2024；Song等人，2021）。尽管研究人员在HN-AD的实际应用方面取得了进展，但由于其对恶劣条件（尤其是高盐度）的耐受性较弱，其在工业环境中的应用仍受限（Bian等人，2025；Guo等人，2024；Hu等人，2023；Miao等人，2025；Xiang等人，2022）。高盐度会通过使细胞脱水、诱导质壁分离、改变水密度以及干扰硝化过程来抑制微生物活性（Gao等人，2020；Wu等人，2026；Zhou等人，2025）。表S1显示，高盐度显著降低了氮的去除能力。当盐度从1.0%升至10.0%时，氨氮去除率从80.1%-99.5%降至3.5%-52.6%。值得注意的是，某些细菌在盐度超过2.0%时几乎无法生长。虽然一些来自海洋环境的菌株能在高盐度下去除氮，但在高铵盐条件下氮去除效率不高。此外，亚硝酸盐的积累会对HN-AD过程产生毒性影响，抑制氮的去除并影响其稳定性（Cui等人，2021；Liao等人，2024；Xia等人，2020）。因此，进一步筛选高效HN-AD菌株并研究其氮去除特性成为当前的研究重点（Wang等人，2025a，2025b）。

本研究从海洋沉积物中分离出72株HN-AD菌株，其中J1-11菌株在高盐度条件下表现出强烈的氮去除能力。研究探讨了其硝化和反硝化能力，通过氮平衡测定和基因组测序确定了氮去除途径。最后，分析了影响其生长和氮去除的关键因素，尤其是盐度和铵盐浓度。总体而言，本研究为高铵盐浓度和高盐度废水的生物处理提供了新的见解和菌株来源。

样本与培养基

用于菌株筛选的海洋沉积物样本分别采集自2018年11月R/V Xiangyanghong09号科考船在南海（22.5°N, 114.5°E；水面下1700米）的采样以及2019年9月R/V Tan Suo Yi Hao号科考船在马里亚纳海沟（水面下10,063米）的采样。为分离耐盐异养硝化-好氧反硝化细菌，准备了以下培养基：分离培养基（IM）的成分如下：

菌株的分离与鉴定

共分离出68株菌株，结果见表S2。其中7株具有较强的硝化和反硝化能力，被选中进行进一步氮去除效率测定（图1a）。这些菌株属于Priestia、Alcanivorax、Alcaligenes、Bacillus和Vreelandella属（原始属名为Halomonas，2024年ICNP会议将其更名为Vreelandella）。当以NH₄⁺-N为氮源时，大多数菌株...

结论

新分离出的HN-AD细菌Vreelandella sp. J1-11在高铵盐和超高盐度条件下具有优异的氮去除能力。大部分氮通过同化作用被去除，仅有少量通过反硝化作用去除。虽然基因组中未注释某些参与硝化和反硝化的传统基因，但检测到了AMO、NOR和NOS酶的活性。在NH₄⁺-N浓度为100–800 mg/L和相应盐度条件下...

CRediT作者贡献声明

周向丹：撰写初稿、方法设计、实验实施、数据分析、概念构建。青胜强：撰写初稿、实验实施、数据分析、概念构建。周洪波：项目监督、资金获取、概念构建。程海娜：项目监督、方法设计、概念构建。陈竹：项目监督、方法设计、实验实施、数据分析。王洋洋：撰写修订稿、项目监督、方法设计、概念构建。王玉光：

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务关系/个人关联：王玉光表示获得了国家人类因素工程重点实验室的财政支持；若有其他作者，他们也声明不存在任何已知的利益冲突或可能影响研究结果的财务关系。

致谢

本研究得到了国家人类因素工程重点实验室（HFNKL2023J12）和国家自然科学基金（42073079）的资助。同时感谢中南大学高性能计算中心的资源支持。