一种耐寒且耐铜的细菌——Comamonas aquatilis NY3的高效反硝化能力

《International Biodeterioration & Biodegradation》：Efficient denitrification capability of a cold-tolerant and copper-resistant bacterium: Comamonas aquatilis NY3

　　

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  分离出一种新型的、适应寒冷环境且耐铜的Comamonas aquatilis NY3菌株。
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  在15°C条件下，NH₄⁺、NO₃^?和NO₂^?的去除率分别达到了99.98%、99.80%和100%。
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  即使在8.0 mg/L的Cu²⁺浓度下，硝酸盐和铵的去除率也超过了50%。
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  Cu²⁺会抑制ETSA和NR活性，而AMO活性则没有显著受到抑制。
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  NiR是Cu²⁺毒性的主要酶靶标。

引言

农业中过量施用氮肥（Schulte-Uebbing等，2022年）、集约化水产养殖实践（Hargreaves，1998年）以及畜禽粪料的排放（Samanta等，2022年）被认为是水环境中无机氮污染的主要来源。在这些废水中的无机氮主要以铵（NH₄⁺-N）、硝酸盐（NO₃^?-N）和亚硝酸盐（NO₂^?-N）的形式存在（Tedengren，2021年）。这些氮化合物的积累不仅会导致水生态系统的富营养化（Adam等，2019年），还会对人类健康构成直接威胁（Xiang等，2020年）。特别值得关注的是，在缺氧条件下，微生物会将NO₃^?-N还原为NO₂^?-N，因为NO₂^?-N会在人体内与胺类物质反应形成致癌的N-亚硝基化合物（Xiang等，2020年）。鉴于这些问题，开发高效的无机氮去除技术已成为一个关键的研究领域（Nasir等，2019年）。

生物脱氮方法相比传统的物理化学氮去除方法具有显著优势，包括高效率、低能耗和良好的环境兼容性，因此成为含氮废水处理研究的重点（Zhao等，2018年）。在各种生物氮去除过程中，异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）因其能够在好氧条件下同时去除铵、硝酸盐和亚硝酸盐的独特代谢能力而受到特别关注（Haolei等，2024年；Tao和Chang，2025年）。以往的研究已经鉴定了多种HN-AD细菌属，包括Pseudomonas（Dong等，2023年）、Alcaligenes（Zhang等，2024a）、Paracoccus（Yang等，2024年）、Klebsiella（Diao等，2025年）、Acinetobacter（Zhang等，2022a）、Halomonas（Pan等，2020年）和Bacillus（Zhang等，2024a；Zhong和Xia，2023年），但关于其他分类群中的HN-AD菌株的报告较少。然而，大多数已研究的HN-AD菌株都是中温微生物（Li等，2019年），其最佳生长温度在25至37°C之间（Zhong和Xia，2023年）。当环境温度降至15°C以下时，这些菌株的种群密度和代谢活性会急剧下降，严重影响寒冷气候下废水处理系统的氮去除效率（He等，2022年）。

除了低温带来的挑战外，快速的工业化和农业集约化还大幅增加了含重金属废水的排放量（Abidli等，2022年），给生物处理系统带来了额外的压力。在重金属中，铜（Cu²⁺尤其令人担忧，因为它广泛应用于电镀、印刷电路板制造和畜禽饲料添加剂中（Zhao等，2020年）。然而，过量的Cu²⁺对环境和人类健康都构成严重威胁（Zhao等，2020年）。Cu²⁺对脱氮的抑制机制主要涉及三个方面：首先，Cu²⁺与脱氮酶的活性位点结合，从而抑制其催化功能；其次，它会干扰电子传输系统（ETSA）的活性；最后，它会改变编码关键氮代谢酶的基因表达（Zhao等，2020年；He等，2019年；Zhang等，2023年）–（Zhao等，2020年；He等，2019年；Zhang等，2023年）。先前的研究已经证明了HN-AD过程对Cu²⁺压力的敏感性。例如，0.95 mg/L的Cu²⁺就能使脱氮菌的活性下降约50%（Ochoa-Herrera等，2011年）。He等报告称，在15°C条件下，0.25 mg/L的Cu²⁺会显著降低氮的去除率（He等，2021年），而Cai等指出，当Cu²⁺浓度达到或超过0.1 mg/L时，Arthrobacter nicotianae D51菌株的活性受到严重抑制（Cai等，2019年）。

本研究从青藏高原土壤中分离出一种能够在低温（15°C）和Cu²⁺（1.0 mg/L）条件下生长的菌株。研究目的是鉴定该菌株，优化其氮去除条件，并评估其耐Cu²⁺的能力。此外，还通过测量电子传输系统的活性和关键酶的活性来探究其潜在机制。这项工作为在低温和重金属双重压力下研究废水中的氮去除提供了候选菌株。

章节摘要

土壤样本

样本取自中国西藏（27°54′N, 88°54′E）的天然富腐殖质土壤，当地环境温度低于10°C。

培养基

使用Luria-Bertani（LB）培养基进行细菌活化，使用富集培养基进行菌株分离，使用溴百里酚蓝（BTB）固体琼脂进行初步筛选。所有培养基均按照先前描述的方法制备（Zhang等，2022b），并调整至pH 8.0。硝化和反硝化培养基的制备方法亦参照之前的研究（略）。

NY3菌株的分离与鉴定

在低温（15°C）和Cu²⁺双重压力下进行的初步筛选中，NY3菌株表现出最佳的氮去除性能，在24小时内实现了100%的NO₂^?-N去除率，因此被选为进一步研究的对象。

形态学分析显示，NY3菌株在LB琼脂上形成奶油黄色、圆形、凸起、边缘完整的菌落，菌落表面呈黏液状（图1A）。革兰氏染色确认该菌株为革兰氏阴性短杆菌（图1B）。

结论

本研究从青藏高原土壤中分离出一种适应寒冷环境且耐铜的HN-AD细菌Comamonas aquatilis NY3，该菌株具有高效的脱硝能力和耐Cu²⁺性。在优化条件下，NY3菌株在15°C下18小时内去除了99.98%的铵、99.80%的硝酸盐和100%的亚硝酸盐，相应的总氮去除效率分别为90.75%、94.94%和94.24%。值得注意的是，该菌株在三种金属压力下的耐Cu²⁺能力存在明显差异。

CRediT作者贡献声明

Mengyuan Yin：撰写——初稿，验证。 Hongxue Lei：研究工作。 Qi Xiao：软件支持。 Fan Liu：软件支持。 Tengxia He：撰写——审阅与编辑，项目管理，资金筹集。 Yufen Xiong：数据分析。 Yulan Yuan：方法学研究。 Lu Yang：概念框架。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了贵州省基础研究计划（自然科学）重点项目（QKHJC-ZD [2026] 033）、贵州省科技创新高层次人才培养支持项目（Qian Ke Xie KJLYRC-[2026]077）以及贵州大学科研创新团队的支持（No. Guidakechuangtuan (2024) 06）的资助。

Mengyuan Yin|Hongxue Lei|Qi Xiao|Fan Liu|Tengxia He|Yufen Xiong|Yulan Yuan|Lu Yang