【ESE研究论文】氢氧化细菌对含硝态氮污水的可持续处理
ESE创刊仅两年即被SCI收录
微生物是去除污水中硝态氮污染物的关键媒介。传统生物反硝化以异养型细菌为主导，往往会伴有二氧化碳和一氧化二氮等温室气体排放。自养反硝化菌利用无机碳源，能够有效减缓污水处理过程中温室气体排放问题。氢氧化细菌（Hydrogen-oxidizing bacteria, HOB）是一类典型的自养细菌，能够利用氢氧化过程释放的大量能量，通过Calvin循环固定二氧化碳。本课题组的前期研究发现，HOB能够实现高效生物脱氮和生物质资源同步回收。在有氧条件下，HOB能够快速地将氨氮和二氧化碳同化为蛋白质和生物聚合物，提高污水处理过程的可持续性。目前，HOB自养氮同化以混合菌株为主，难以剖析其具体的氮转化途径和代谢机理。因此，探寻新型HOB菌株，采用分子生物学手段探究其特有的氮利用途径，有望为污水的可持续处理提供技术支撑。
本研究分离得到一株新型HOB菌株Rhodoblastus sp. TH20，分别以氢气和二氧化碳作为能源和无机碳源，高效去除污水中的硝态氮污染物。研究结果表明，在好氧条件下，TH20能够以硝态氮为主要电子受体，进行好氧脱氮反应。高达99%硝态氮被去除，总去除速率达到1.1 mg L−1 h−1。全基因组扫描结果显示，TH20中存在12种脱氮功能基因，包括7种反硝化相关基因（narI, narH, narG, nirS, nirK, norB和norC）和5种氮同化相关基因（nasA, nirB, glnA, gltB和gltD）。结合15N同位素标记实验结果，可知TH20中同时存在氮同化、反硝化和硝酸盐异化还原成铵途径，氮同化效率和反硝化效率分别为58%和42%。同时，每去除1 mol硝态氮，TH20能够固定3.25 mol二氧化碳。在72 h内，TH20生物量约为0.71 g L−1，其细胞分子式可估算为C5.60H12.69O3.52N，包含17种氨基酸，细胞有机氮和有机碳含量分别为9.32%和44.74%。因此，TH20可用于污水处理厂的水质净化，通过合成高附加值的生物质资源来减少生物圈的氮流失，同时有效减缓温室气体排放。
文章亮点
1. 分离出一株新型氢氧化菌株，命名为Rhodoblastus sp. TH20；
2. 自养TH20可实现污水中硝态氮的完全去除及二氧化碳固定；
3. TH20中同时存在氮同化及好氧反硝化途径，其氧气耐受性强；
4. 42%硝态氮被转化为氮气，无亚硝态氮积累和一氧化二氮排放；58%硝态氮被同化为氨基酸，可用于微生物蛋白质资源回收。
关键图表
图1 新型 HOB 菌株的氮同化生成氨基酸与好氧反硝化途径
图2 最适生长条件下TH20（a）去除硝态氮（80 mg L-1）；（b）脱氮基因表达；（c）一氧化二氮还原酶（N2OR）活性；（d）氮代谢途径及相关基因表达（copies per µg RNA）和（e）15N同位素示踪
作者信息
第一作者 陈艺贞，博士研究生，北京大学环境科学与工程学院，从事污水中营养物去除与资源回收方面的研究工作。
通讯作者 陶虎春，教授，北京大学深圳研究生院环境与能源学院，从事水污染治理研究。
通讯作者 张丽娟，副研究员，北京大学深圳研究生院环境与能源学院，从事环境微生物在污染控制与能源回收领域的应用研究。
论文ID
引用信息 Chen, Y. Z., Zhang, L. J., Ding, L. Y., Zhang, Y. Y., Wang, X. S., Qiao, X. J., ... & Tao, H. C. (2022). Sustainable treatment of nitrate-containing wastewater by an autotrophic hydrogen-oxidizing bacterium. Environmental Science and Ecotechnology 9: 100146.
本期编辑 陈卓
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期刊简介：
Environmental Science and Ecotechnology是由中国环境科学学会、哈尔滨工业大学、中国环境科学研究院共同主办，Elsevier集团出版发行的高定位、同行评议、开放获取国际学术期刊。ESE期刊的国内统一连续出版物号为CN10-1631/X (英文，季刊)，国际刊号为ISSN 2666-4984。
ESE创刊于2020年1月，由生态环境部部长黄润秋同志亲自提出并指导办刊，哈尔滨工业大学任南琪院士担任主编，生态环境部环境规划院王金南院士和中国环境科学研究院吴丰昌院士担任副主编，美国工程院Danny Reible院士等13位有国际影响力的学者担任执行主编和执行副主编。
ESE期刊的选题与联合国可持续环境发展目标紧密结合。期刊主要报道环境科学与生态技术领域的热点问题和突破性研究成果，重点关注生态技术与工程、气候变化、生物多样性保护、可持续发展标准与政策、绿色能源与技术、环境与健康等。
ESE期刊创刊两年内相继被DOAJ、Scopus、ESCI、SCIE数据库收录。