《Journal of Water Process Engineering》：Efficient nitrogen removal performance and its cold adaptation mechanism of a psychrotolerant bacterium
Pseudomonas umsongensis YL-1
编辑推荐：
•YL-1菌株在4°C下表现出高效的脱氮能力。•YL-1菌株主要通过氨同化作用去除氨氮。•揭示了反硝化途径和耐冷机制。•YL-1菌株显著增强了冬季人工湿地的脱氮效果。引言全球工业化的推进导致水体系统中氮过量积累，引发广泛富营养化，并对人类健康构成重大风险[52]。在现有的反硝
- •
YL-1菌株在4°C下表现出高效的脱氮能力。
- •
YL-1菌株主要通过氨同化作用去除氨氮。
- •
揭示了反硝化途径和耐冷机制。
- •
YL-1菌株显著增强了冬季人工湿地的脱氮效果。
引言
全球工业化的推进导致水体系统中氮过量积累，引发广泛富营养化，并对人类健康构成重大风险[52]。在现有的反硝化方法中，生物脱氮工艺（BNRP）被公认为处理含氮废水的有效策略[31]。然而，硝化细菌和反硝化细菌对氧气和碳源的差异化需求大大限制了BNRP的性能与发展[37]。在寒冷地区，低温进一步抑制硝化作用，恶化出水水质并使系统运行不稳定。这些局限性要求更高效、更稳健的脱氮技术。
近年来，能够同时进行硝化和反硝化的菌株——即异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）细菌——受到了广泛关注。众多菌株已从活性污泥、土壤、自然水体和海洋沉积物中分离出来。目前报道的HN-AD菌株涵盖多种属，如恶臭假单胞菌属、假单胞菌属、副球菌属等[23]、[38]、[41]。这些菌株通常具有较高的生长速率、更强的环境耐受性和更强的脱氮能力[39]。虽然目前报道的大多数HN-AD细菌为嗜温菌，但已有几项研究记录了耐冷的HN-AD细菌。例如，HS2无色杆菌在8°C下仍保持较高的氨氮降解能力[12]；而简单芽孢杆菌H-b在10°C下氨氮去除率可达82.16%[47]。然而，大多数耐冷HN-AD菌株在4°C以下温度时活性明显降低，无法满足低温废水处理的要求。因此，需要进一步努力分离更高效耐冷的HN-AD菌株，并阐明低温下脱氮的内在机制。
目前，大多数研究聚焦于室温条件下的脱氮途径，低温下氮代谢的调控网络在很大程度上仍未被探索。在报道的HN-AD途径中，氨氮首先被氧化为羟胺，然后通过硝酸氮和亚硝酸氮中间产物进一步转化为气态氮[46]。一些HN-AD菌株在环境压力下还会同化氨氮以维持其活性并节约能量[53]。然而，低温下HN-AD菌株脱氮途径的偏好性以及各途径的相对贡献仍不清楚。此外，碳源作为能源提供者和电子供体，是HN-AD过程不可或缺的[43]，但对低温条件下碳氮代谢耦合机制的了解非常有限。对低温下的HN-AD菌株而言，耐寒适应机制同样至关重要。已报道的策略包括通过不饱和脂肪酸调节膜流动性[33]；产生具有高催化效率的耐寒酶[25]；以及通过冷休克蛋白（CSPs）增强RNA稳定性和基因表达[22]。尽管耐寒适应机制已在各个方面得到广泛研究，但很少有研究系统地阐明HN-AD菌株的耐冷机制。因此，有必要应用先进的分子生物学技术深入阐明新型菌株的耐寒适应机制。
为解决上述问题，本研究系统评估了YL-1菌株在低温下的反硝化性能，并通过全基因组分析阐明了其反硝化途径和耐寒适应机制。具体而言，我们评估了其在不同温度、环境条件和氮负荷下的脱氮效率；并通过全基因组测序和功能注释确定了其耐冷策略。最后，将YL-1菌株接种到冬季的人工湿地中，以评估其对污染物去除的增强效果。
各章节摘要
培养基
在整个研究过程中，使用了六种培养基：异养硝化培养基（HNM）；好氧反硝化培养基（DM）；异养硝化-好氧反硝化培养基1和2（HNDM-1和HNDM-2）；微量元素溶液；以及LB培养基。在HNM、DM和HNDM中，C和N组分的浓度分别维持在0.5 g/L和0.05 g/L，碳氮比为10:1。培养基的详细组成见补充材料（文本S1）。
菌株鉴定
检查了YL-1菌株的形态学、生理学和生化特征。菌落呈圆形、黄白色、不透明，短杆状细胞，大小为（1.0–3.0）μm ×（0.5–1.0）μm（图1a）。革兰氏染色确认为革兰氏阴性菌。生理和生化试验结果汇总于表S3。YL-1菌株利用柠檬酸盐，具有氧化酶活性，并还原硝酸氮和亚硝酸氮。基因组序列同源性分析显示，YL-1菌株共享超过
结论
YL-1菌株在广泛的温度范围内高效生长和反硝化。在4°C下，该菌株氨氮去除效率达97.32%，硝酸氮去除效率达84.76%。在低温下，它能适应变化的氮负荷，并在混合基质中优先利用氨氮进行硝化作用。氮平衡分析表明，脱氮主要通过同化作用进行，约83.80%的初始氨氮和84.68%的初始硝酸氮被同化并
CRediT作者贡献声明
张碧涵：写作——审阅与编辑，写作——初稿，形式分析，概念构思。杨雷：写作——审阅与编辑，监督，调查，资金获取。铁军：写作——审阅与编辑，可视化，方法学。李艳丽：验证，数据整理。卢浩奇：写作——审阅与编辑。邓超文：可视化，资源。李小亮：验证，监督，方法学。兰军：项目管理，方法学。任永祥：写作——
利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本稿件中报告工作的竞争性经济利益。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（批准号52300216）和干旱地区水工程生态与环境国家重点实验室科研计划项目（2025KFKT-20）的资助。
张碧涵|杨雷|铁军|李艳丽|卢浩奇|邓超文|李小亮|兰军|任永祥
