不动杆菌XF-5同时降解石油烃与脱氮：降解机制及代谢重编程的时间动态

《Environmental Research》：Simultaneous petroleum hydrocarbon degradation and nitrogen removal by Acinetobacter sp. XF-5: Degradation mechanisms and temporal metabolic reprogramming

　　

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  菌株XF-5中的HN-AD功能基因是非传统的。
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  菌株XF-5产生的烷烃单加氧酶表现出底物特异性。
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  时间调控在不同生长阶段维持代谢活性。
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  菌株XF-5通过C-N偶联实现烷烃与氮的协同去除。

引言

近年来，世界各国逐步加大了对非常规油气资源的开发力度。加强页岩油的开发有助于缓解石油资源的高需求并促进能源结构转型。在页岩油开采过程中，通常采用水力压裂技术来提高产量，但这一过程会产生大量压裂返排液（Acharya等，2020）。页岩油压裂返排液中的有机组分复杂，含有铵氮（NH₄⁺-N），其可能直接来自地层，也可能是由微生物共同作用产生的（An等，2019）。当此类废水未经处理直接排放时，多环芳烃等有机污染物将在自然环境中积累，对生态系统造成严重危害。此外，铵离子的存在还会促进水系统中藻类的生长。

目前，普遍认为对压裂返排液进行再利用或经处理后直接排放可能是页岩油气行业最优的管理方案。目前有多种处理页岩油压裂返排液的技术策略可供选择。主要的物理化学处理技术包括膜处理、混凝、电混凝和高级氧化技术（Wang等，2021）。尽管这些方法具有有效的处理效果，但它们也存在固有的缺点，包括成本高、能耗大以及产生有毒副产物和低分子量有机物。

与物理化学技术相比，生物技术具有成本低、效率高和环保等优点，使其广泛应用于压裂返排液处理领域。异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）细菌已被证明能够同时实现脱氮和碳去除，将氮完全转化为气态氮并有效降解有机物（Huang等，2022）。红假单胞菌CC01（Rhodotorula sp. CC01）（Lin等，2022）通过HN-AD过程在脱氮的同时降解了石油烃。不动杆菌YY1（Acinetobacter sp. YY1）、鞘氨醇单胞菌YY2（Sphingomonas sp. YY2）和假单胞菌YY3（Pseudomonas sp. YY3）（Lang等，2019）表现出以难降解石油有机物为碳源的好氧反硝化能力，凸显了HN-AD菌株在石化废水生物处理中的潜力。然而，驱动双功能细菌降解烷烃的多尺度偶联机制，以及同时降解烷烃和脱氮过程中强烈电子与碳需求动态平衡的机制仍然不清楚。具体而言，其时间代谢重编程机制需要进一步阐明。

本研究筛选出了一种可同时降解总石油烃（TPH）并通过HN-AD途径脱氮的双功能细菌。本研究旨在验证功能菌株在压裂返排液中同时降解TPH和高效脱氮的可行性，通过转录组学分析代谢途径的时间调控和碳氮偶联机制，并在分子水平探索酶-烷烃的多尺度偶联机制。具体而言，本研究聚焦以下方面：(i) 优化细菌降解条件并考察其耐受性；(ii) 研究TPH降解特征，包括气相色谱-质谱（GC-MS）检测和降解动力学分析；(iii) 考察不同氮源条件下的脱氮过程并进行氮平衡分析；(iv) 评估该菌株对实际压裂返排液复杂水基质的适应性；(v) 通过全基因组测序鉴定烷烃降解和氮代谢途径，并进行转录组学研究这些途径的时间调控及相关碳氮偶联机制；(vi) 对不同烷烃单加氧酶介导的烷烃降解过程进行分子动力学（MD）模拟。本研究阐明了菌株同时降解TPH并进行HN-AD过程的机制，并拓展了可用于页岩油压裂返排液生物技术处理的微生物资源。

各章节摘要

培养基

菌株活化使用Luria-Bertani培养基（胰蛋白胨10 g/L、酵母浸粉5 g/L、NaCl 10 g/L）。配制了油异养硝化培养基（油-HNM）、油反硝化培养基（油-DM）和油同步硝化反硝化培养基（油-SNDM），以研究该菌株的代谢特性。培养基组分详见补充信息（SI）表S1。由于页岩油压裂返排液中含有500–4000 mg/L的氯化物（主要盐度来源

菌株XF-5的鉴定

在所有筛选菌株中，菌株XF-5表现出最佳的TPH和NH₄⁺-N降解能力。它是一种革兰氏阴性细菌，菌落呈乳白色、圆形，细胞为短杆状、无鞭毛（图1a–b）。BLAST分析鉴定其为不动杆菌属（Acinetobacter sp.），与ATCC 17906号溶血不动杆菌（Acinetobacter haemolyticus）和MTCC 9819T号溶血不动杆菌株具有99.81%的相似度（图1c）。不动杆菌属细菌能够降解石油烃并进行HN-AD（Wang等，2022，

结论

从页岩油压裂返排液处理厂中分离得到的不动杆菌XF-5（Acinetobacter sp. XF-5）能够通过HN-AD过程同时降解TPH并去除NH₄⁺-N。其最佳生长和降解条件为：以醋酸钠为共同代谢底物、C/N比为25、pH为7、接种量为10%。该菌株能够耐受较广范围的石油浓度，并能够很好地适应NH₄⁺-N浓度<300 mg/L和NaCl浓度<60 g/L的环境。菌株XF-5能够降解多种烷烃和芳香族化合物，且

CRediT作者贡献声明

马芳：写作——审阅与编辑，监督，资源，经费获取，概念构思。郭海娟：写作——审阅与编辑，监督，资源，经费获取，概念构思。隋然：写作——初稿撰写，可视化，验证，方法论，形式化分析，数据管理，概念构思。孟冠涵：形式化分析，概念构思。杜浔：方法论，调查研究。宋惟旭：验证，数据管理

未引用参考文献

Chen等，2025。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到辽宁省科学技术厅重点研究项目（2024JH2/102500090）、辽宁省教育厅重点项目（JYTZD2023069）以及城市水资源与环境国家重点实验室（哈尔滨工业大学）（编号：2025DX17）的资助。

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