丰度-转录解耦揭示生物电化学反硝化生物膜的功能分区

《Environmental Research》：Abundance–transcription decoupling reveals functional partitioning in bioelectrochemical denitrification biofilms

　　

摘要

生物电化学反硝化（BED）通常被认为是由能够利用电极来源电子的电活性微生物驱动的，但在复杂的BED生物膜中，电活性类群与反硝化种群之间的相对功能贡献仍不清楚。本研究将反应器测量与基因组解析宏基因组学和宏转录组学相结合，以考察在不同溶解氧（DO）、水力停留时间（HRT）/负荷和偏置电位等条件下，BED运行过程中微生物群落结构、功能潜力和基因转录的差异。在所有测试条件下，硝酸盐去除率均超过90%，但氮中间产物的积累、电流产生和理论电子平衡存在显著差异。在较长的HRT和较强的偏置电位下，Geobacter等电活性类群占主导地位（丰度>80%），但对经典反硝化基因的转录贡献很小。较弱的阴极电位富集了转录活跃的反硝化类群，如Stutzerimonas、Acidovorax和MR-S7，而氧气暴露则引发了氧化还原应激反应，重塑了氮代谢，其影响远不止于作为竞争性电子受体。综上，这些结果表明，在BED生物膜中，分类学丰度、基因组功能潜力和转录贡献之间存在解耦现象，说明仅凭电流产生或电活性类群的丰度无法推断硝酸盐去除性能。

引言

将硝酸盐（NO₃^-）还原为氮气（N₂）的微生物作用，是在工程处理系统中应对硝酸盐污染的主要机制——这是一个具有全球意义的水质问题（Camargo和Alonso, 2006; Fowler等, 2013）。然而，传统生物反硝化面临若干挑战，包括难以维持适当的碳氮比、依赖有机碳作为电子供体，以及释放一氧化二氮等强效温室气体（Bhatnagar和Sillanp??, 2011; Della Rocca等, 2007; Nancharaiah等, 2016）。这些挑战限制了其在农业径流——全球硝酸盐污染的最大来源——等分散式或低碳废水流中的应用。

生物电化学反硝化（BED）作为一种有前景的替代方案应运而生，它用电极来源的电子取代有机碳作为主要电子供体（Nancharaiah等, 2016; Pant等, 2012; Rodríguez Arredondo等, 2015）。在BED中，细菌定殖在导电电极上，利用胞外电子传递（EET）从电极表面获取电子（Bond和Lovley, 2003; Gregory等, 2004）。这种能力使得自养型或兼养型的硝酸盐还原成为可能，并提供了一系列独特优势，如降低碳和能源需求、直接电化学控制氧化还原条件，尤其适合分散式原位部署（Cerrillo等, 2023; Nancharaiah等, 2016; Varjani, 2022）。

已有研究表明，BED的性能受反应器运行条件的强烈影响。水力停留时间（HRT）调节硝酸盐负荷和底物与生物膜的接触，可显著影响体积反硝化速率（Guo等, 2017; Zhang等, 2016）。阴极电位控制还原当量的热力学和动力学可利用性，已被证明会影响硝酸盐还原性能、微生物群落组成以及不同电子传递途径的相对贡献（Brandon等, 2020; Chen等, 2022; Nguyen等, 2016）。溶解氧通过竞争还原当量和影响氮转化代谢进一步改变阴极氧化还原环境，有限的氧气供应在生物阴极反硝化系统中产生不同的响应（Kong等, 2023; Speers和Reguera, 2021）。温度变化可改变微生物群落结构和活性，从而影响生物电化学系统中的生物转化途径，同时微生物群落组成和多样性的温度依赖性变化也与电化学性能的变化相关（Chen和Smith, 2019; Meynet等, 2024）。总体而言，这些研究表明BED性能对运行氧化还原条件高度敏感。

然而，仅凭反应器尺度的性能无法揭示这些运行条件的变化如何重组复杂生物阴极群落中的微生物功能。电活性微生物通常与胞外电子传递相关联，而经典反硝化菌则催化连续的硝酸盐还原反应。近期研究进一步表明，电活性微生物与反硝化种群之间的种间电子传递可促进阴极反硝化（Guo等, 2023）。然而，尚不清楚占主导地位的电活性种群是否也是反硝化的主要转录贡献者，还是在不同运行条件下，电子传递和氮还原功能是否在不同种群之间进行了分工。要解决这一问题，需要将基因组解析的群落结构和功能潜力与种群特异性基因表达联系起来。

本研究通过整合反应器测量、基因组解析宏基因组学和宏转录组学，考察了BED中微生物群落结构与功能活性之间的关联。通过系统改变关键运行参数——包括水力停留时间、溶解氧和阴极电位——我们表征了这些条件如何塑造BED生物膜中的微生物群落组装和功能基因转录。研究结果揭示了BED微生物群落功能与生态组织机制，为该新兴反硝化过程的进一步研究和优化提供了信息。

章节片段

反应器搭建与运行

双室生物电化学反应器采用亚克力板构建。工作室和对比室的工作容积分别为2.5 L（28 cm × 8 cm × 15 cm）和1.5 L（28 cm × 5 cm × 15 cm），由CMI-7000S阳离子交换膜（Membranes International, New Jersey, USA）隔开。四片石墨片（每片10 cm × 3 cm × 1.5 cm）作为工作电极，而镀铂金属网格板则作为对比电极。Ag/AgCl参比

通过不同途径持续去除硝酸盐

在所有测试条件下，运行稳定的采样期内（一个HRT内硝酸盐去除率波动±10%，图1a）均维持超过90%的硝酸盐去除。然而，各条件之间的氮中间产物积累和电流产生存在显著差异。条件1（C1）的特征为室温（25 °C）和较短的HRT，导致较高的氮负荷，实现了最高的硝酸盐去除速率（57.0 mg NO₃^-/天），比C2-C4所观察到的（37.3-39.8 mg NO₃^-

结论

本研究将反应器性能与基因组解析宏基因组学和宏转录组学相结合，考察了不同BED运行条件下微生物的功能组织。在所有测试条件下，硝酸盐去除率均保持在90%以上，尽管氮中间产物积累、电流产生和理论电子平衡存在显著差异。一项关键发现是分类学丰度、基因组功能潜力和转录

CRediT作者贡献声明

Jiang Daqian：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。Kwon Hyejeong：撰写——初稿、可视化、方法论、调查研究、形式分析、数据整理、概念构思。Wang Qingshi：撰写——初稿、方法论、调查研究、形式分析、数据整理。Riveros Adriana：撰写——审阅与编辑、调查研究。Li Yanli：撰写——审阅与编辑、调查研究

未引用参考文献

Yang等, 2020。

AI辅助声明

在本工作的准备过程中，作者使用了ChatGPT以修改图形摘要并改善语言表达。在使用该工具/服务后，作者对所修改的内容进行了审阅和编辑，并承担已发表文章内容的全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或可能影响本文所报告工作的个人关系。

致谢

本工作得到了美国农业部（资助编号2017–67030–27659）、美国国家科学基金会（资助编号2329227）的支持，并部分得益于阿拉巴马州超级计算管理局提供的高性能计算资源和技术支持。

Kwon Hyejeong|Wang Qingshi|Riveros Adriana|Li Yanli|Jiang Daqian

Department of Civil, Construction, and Environmental Engineering, The University of Alabama, Tuscaloosa, AL, USA