《Bioresource Technology》：Metabolic redirection and capacity expansion in heterotroph-reinforced microalgae-methanotroph systems under high ammonia stress
编辑推荐：
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异养生物的强化作用使藻类-甲烷氧化菌系统的氮去除率翻倍。
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废水中的乙酸富集了Ralstonia菌，并开启了气体氮的吸收途径。
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在氨胁迫下，碳驱动的代谢过程保护了甲烷单加氧酶的活性。
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防御机制从细胞外蛋白质屏障转向了细胞内解毒。
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异养生物的强化作用使藻类-甲烷氧化菌系统的氮去除率翻倍。
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废水中的乙酸富集了Ralstonia菌，并开启了气体氮的吸收途径。
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在氨胁迫下，碳驱动的代谢过程保护了甲烷单加氧酶的活性。
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防御机制从细胞外蛋白质屏障转向了细胞内解毒。
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未被同化的氮达到了47.5毫克/升，占总去除量的60%。
引言
厌氧消化（AD）废水通常具有较低的碳氮比（C/N）（Nguyen等人，2023年）。其中含有溶解的甲烷（CH4）和高浓度的铵离子（NH4+-N）（Chernicharo等人，2015年）。传统的生物营养物去除过程经常受到可利用碳不足的限制。此外，常规的曝气会导致气体-液体质量传递和CH4的挥发（Stazi和Tomei，2021年）。这导致了温室气体的排放和能量碳源的流失（Crone等人，2016年）。因此，一个关键挑战是在不添加外部碳的情况下实现溶解CH4和营养物的同步捕获。
甲烷氧化菌-微藻二元系统为解决这一挑战提供了可行的途径（Li等人，2022年）。在该系统中，微藻的光合作用提供了CH4氧化的电子受体（Deng等人，2026年）。相反，甲烷氧化过程中产生的CO2驱动了微藻的Calvin循环。然而，这种二元系统在高氮负荷下面临生化挑战。由于甲烷单加氧酶（MMO；此处使用其可溶形式sMMO作为催化指标）具有广泛的底物特异性（Khadka等人，2018年），氨会与CH4竞争，并被共同氧化成高毒性的羟胺（NH2OH）和亚硝酸盐（Siegbahn，2024年）。这种积累会在甲烷氧化菌中引发细胞内氧化应激。同时，高浓度的氨会穿透微藻细胞膜，破坏光合作用系统II（PSII）（Markou等人，2016年）。这些生化冲突使得传统的二元系统对高氨浓度敏感。氨胁迫会扰乱物种间的物质循环并破坏群落结构。
这些系统对氨的反应已经部分研究过，但尚未全面分析。对于甲烷氧化菌而言，氨是已知的甲烷单加氧酶的竞争底物，其竞争的分子基础现在已经明确（Siegbahn，2024年；Tucci和Rosenzweig，2025年）。对于微藻而言，游离氨是已知的Photosystem II抑制剂，其抑制阈值在几十毫克/升的范围内（Azov和Goldman，1982年；Chen等人，2022年；Markou等人，2016年）。这些证据来自单独的单一物种研究。报道的微藻-甲烷氧化菌共培养实验大多在低氮负荷下进行，氮浓度大多低于50毫克/升NH4+-N，旨在展示气体相的协同作用而非氮耐受性（Li等人，2022年）。因此，仍有两个问题尚未解答：首先，这两种抑制机制在系统层面是否相互作用，以及哪种机制限制了系统的运行上限；其次，AD废水中已存在的有机碳是否足以开启一个不依赖于同化的氮吸收途径。已报道的二元系统中的氮去除几乎完全归因于同化作用，因此该上限被视为生物量限制而非毒性限制。本研究针对这两个问题进行了探讨。
尽管AD废水的整体碳氮比限制了传统的反硝化作用，但废水中仍含有一定量的可生物降解有机物，主要是挥发性脂肪酸如乙酸（Feito等人，2025年）。在连续运行过程中，这些来自废水的有机碳推动了系统演替，促进了异养细菌的生长（Gu等人，2025年）。这种向甲烷氧化菌-微藻-异养菌联合体的演替改变了代谢网络。异养细菌迅速消耗有机碳和NH4+-N。重要的是，它们可以引入气体氮的去除途径（如反硝化作用），从而在核心功能微生物周围减少抑制剂浓度（Qin等人，2022年）。此外，这种多物种相互作用影响了系统层面的防御机制。它们可以改变细胞外聚合物物质（EPS）的分泌并驱动细胞内代谢流的重定向（Tian等人，2019年）。碳和氮的流动在物理防御结构和活性解毒途径之间转换（Lemire等人，2017年）。这种微生态重组影响了群落在抑制条件下的生存边界。
实际废水含有复杂的背景成分。为了消除这种干扰并专注于氨的毒性，本研究使用了合成的AD废水。我们在一个光生物反应器中运作了一个复杂的微生态系统——包括甲烷氧化菌、微藻和天然富集的异养细菌。目的是研究这些内在异养群落对系统稳定性的影响。本研究首先评估了高氨对传统二元系统的抑制阈值和毒性效应。然后，分析了在氨胁迫下包含异养菌的系统的耐受边界和污染物去除模式。通过多层次分析追踪了微生态响应和代谢重组。研究结果旨在展示内在有机物在确保AD废水碳氮协同捕获系统稳定运行中的关键作用。与之前的二元系统研究不同，本研究表明，AD废水中已存在的有机碳本身就可以支持一种不依赖于同化的氮去除途径，从而将去除率提高到传统微藻-甲烷氧化菌系统的上限之上，并为溶解甲烷和营养物的协同回收提供了一条自我充足的碳路径。
章节摘要
多营养级微生态系统的菌株和培养
作为核心功能菌株的是光合微藻Scenedesmus obliquus（FACHB-416）和好氧甲烷氧化菌Methylocystis bryophila（DSM-21852）。这两种微生物分别在BG11和1409培养基中预培养，温度为25 ± 1°C。为了模拟实际处理过程中观察到的生态演替，将合成的AD废水连续倒入光生物反应器中。乙酸（实际AD废水中的主要挥发性脂肪酸）作为唯一的有机碳来源
传统二元系统的抑制阈值和脆弱性
在低氨负荷下，由S. obliquus和Methylocystis bryophila组成的传统二元微生态系统表现出协同的污染物去除能力。批次抑制实验显示，在氨胁迫下，细胞增殖与底物代谢之间存在异步性。如图1a和1b所示，微藻和甲烷氧化菌在低负荷范围内保持对数生长，并在NH4+-N浓度为25毫克/升时达到系统生物量峰值。
结论
总体而言，通过构建一个多营养级复杂微生态系统，本研究阐明了在高氨胁迫下如何维持碳和氮的协同转化。在传统二元系统中，氮去除完全依赖于细胞同化；在高氨浓度下，氨竞争性占据了sMMO的活性位点，限制了微藻的同化作用，使氮去除率仅限于33.6–38.7毫克/升（峰值约为38.7毫克/升）。
CRediT作者贡献声明
Yong-Ze Lu：撰写——审阅与编辑、原始草稿撰写、资金获取、概念构思。Jia-Sen Yang：原始草稿撰写、可视化、数据分析。Xin-Ya Tan：方法学设计、实验研究、数据管理。Yi-Ru Wang：实验研究、数据分析。Hong-Yin Sha：数据可视化、项目管理。Hao-Yu Wang：实验研究。Shao-Jie Zong：实验研究。Guang-Can Zhu：资源获取、资金获取。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Yong-Ze Lu报告称获得了纳库地区科技创新合作项目的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢纳库地区科技创新合作项目（NQKJ-2025-QY-02）、西藏重点研发计划（XZ202501ZY0067）以及江苏省碳排放峰值与碳中和科技创新项目（BK20220038）的支持。
Yong-Ze Lu|Jia-Sen Yang|Xin-Ya Tan|Yi-Ru Wang|Hong-Yin Sha|Hao-Yu Wang|Shao-Jie Zong|Guang-Can Zhu
