《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Dual-phase transcriptional regulation enables efficient denitrification by
Stutzerimonas degradans BP under saline stress
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高鹽氮廢水處理中鹵耐菌Stutzerimonas degradans BP的研究表明其在4%鹽度下實現96.43%總氮去除率，最佳鹽度為2.2%。通過基因組注釋和實時熒光定量PCR證實，高鹽條件下該菌采用雙階段轉錄調控策略，適應期上調napA、nirS、nosZ基因，脫氮期narG主導并下調相關基因表達。
牛彥杰|畢秋文|王進|岳正波|王美晨|姜一帆|王書
安徽工業大學資源與環境工程學院，中國合肥230009
摘要
高鹽度含氮廢水的處理是一個重大挑戰，因為這會抑制微生物的氮去除作用，而有效的耐鹽厭氧細菌可以緩解這一問題。本研究表明，在30°C溫度下，以乙酸鈉作為碳源時，耐鹽反硝化菌株Stutzerimonas degradans BP即使在4%的高鹽度下也表現出優異的反硝化性能，總氮去除效率達到了96.43% ± 0.37%。高斯函數模型預測，最佳反硝化效率出現在鹽度為2.2%時。基因組注釋和氮平衡分析結合RT-qPCR驗證證實，在厭氧高鹽條件下，99.41% ± 4.53%的還原硝酸鹽通過反硝化途徑轉化為N2。在高鹽度脅迫（≥ 4%）下，S. degradans BP采用了兩相轉錄調控策略。在鹽度適應階段，napA、nirS和nosZ的基因表達水平相比2%鹽度組上調，以抵消抑制作用；而在進入氮去除階段時，表達模式轉變為以narG為主，而nirS、norB和nosZ的表達水平下調。適應過程中電子向兼容溶質（脯氨酸/谷氨酸）的重新分配導致初始活性受到抑制。本研究闡明了耐鹽厭氧反硝化菌在高鹽度脅迫下的響應機制，并提出了其調控層次結構的鹽度依賴性簡化方案。這些發現為高鹽度廢水處理的生物強化提供了理論基礎和微生物資源。
引言
隨著全球環境管理要求和標準的不斷提高，來自食品加工、海洋水產養殖和石油化工行業的高鹽度和高氮工業廢水的處理成為傳統污水處理廠面臨的主要挑戰[1]、[2]。高鹽度和高氮負荷嚴重抑制了微生物活性，降低了生物反硝化過程的系統效率[3]、[4]。此類廢水中的鹽分通過滲透壓應力破壞細胞膜完整性，干擾酶的構象，并干擾電子傳遞[5]、[6]。這種抑制作用在反硝化過程中的亞硝酸鹽還原酶（Nir）上尤為明顯，導致NO–2-N的積累[7]。盡管已經開發了物理化學方法（如離子交換法和反滲透法）來去除廢水中的氮，但其成本和二次污染風險較高。因此，開發高效的生物處理技術以提高反硝化單元的生物活性仍是一個緊迫的任務。
據報道，好氧耐鹽反硝化菌（如
Pannonibacter phragmitetus B1和
Acinetobacter oleivorans AHP123）由于缺乏
nos基因，能夠將NO
–3-N轉化為N
2O，但這仍然存在環境風險[8]、[9]。相比之下，兼性厭氧反硝化菌
Marinobacter sp. W-8在低氧條件下實現了高效反硝化，即使在6%的鹽度下也能去除87.63%的氮，并且N
2O的排放量低于1%[10]。然而，關于厭氧或兼性厭氧耐鹽反硝化菌的研究相對較少，對其適應機制的深入分析也缺乏[11]、[12]。
耐鹽微生物通常通過積累兼容溶質（脯氨酸、谷氨酸）或調節離子平衡（K
+/Na
+）來應對高鹽度脅迫，以減輕生理損傷[13]、[14]。目前，關于不同鹽度脅迫下生物反硝化響應機制的研究主要集中在生物反應器群落上。鹽度變化顯著調節了生物電化學反應器中
napA、
nirK和
nirS等反硝化基因的豐度和表達，從而影響反硝化性能[11]。鹽度脅迫（Na
+）破壞了序貫批次反應器中的細菌群落平衡，并增強了
narH基因的表達，導致亞硝酸鹽的積累[15]。然而，目前仍難以區分反硝化性能的變化是由于功能菌株對鹽度的直接生理反應，還是由于不同微生物之間的復雜相互作用（包括競爭和共生）[16]、[17]。因此，迫切需要在單菌株水平上進行全面研究，以表征反硝化性能，并闡明耐鹽反硝化菌在鹽度梯度下的代謝途徑和內在分子調控機制（基因表達、酶活性）。
本研究使用了一種高效厭氧反硝化菌Stutzerimonas degradans BP，該菌株之前從工業廢水處理廠的活性污泥中分離得到，旨在直接研究其在單菌株水平上對鹽度脅迫的反硝化響應[18]。具體目標是：(1) 系統分析鹽度范圍從0%到8%對特定生長率、NO–3-N去除率和總氮去除效率的影響；(2) 識別厭氧高鹽條件下的氮去除途徑和最終產物；(3) 闡明鹽度脅迫期間基因表達、酶活性和反硝化功能之間的響應機制。本研究旨在為高鹽度條件下的生物反硝化適應機制提供新的見解，從而為廢水工程中的靶向生物強化奠定微生物和理論基礎。
材料
S. degradans BP是從一家工業廢水處理廠的活性污泥中分離得到的，已存入廣東省微生物保藏中心（GDMCC編號64297）[18]。實驗中使用的反硝化培養基（g·L–1）包含KNO3（相當于150 mg·L–1 NO–3-N）；CH3COONa（相當于1,200 mg·L–1 TOC）；K2HPO4·3H2O（6.26）；KH2PO4（1.24）；MgSO4（0.20）；微量元素溶液（2 mL·L–1）；并根據需要添加NaCl
鹽度脅迫對S. degradans BP生長和反硝化的影響
通過對S. degradans BP在不同鹽度下的生長動力學和反硝化性能進行系統評估，結果表明其生理活性和反硝化效率具有鹽度依賴性（圖1a–d）。S. degradans BP在0%到4%的鹽度范圍內表現出高效的氮去除能力。具體來說，在0%和2%的鹽度下，該菌株在24小時內完成了大部分NO–3-N的去除
S. degradans BP的氮去除性能優勢和鹽度適應性
S. degradans BP在反硝化性能和鹽度適應性方面表現出顯著優勢。高斯函數模型擬合的結果（圖1e）顯示，其最佳反硝化鹽度為2.2%，此時特定生長率（0.19 h–1）和NO–3-N去除率（29.61 mg·L–1·h–1）幾乎同時達到峰值。這一最佳值反映了滲透調節的能量成本和離子毒性之間的平衡。當鹽度低于2.2%時
結論
本研究顯示，厭氧反硝化菌S. degradans BP在鹽度范圍從0%到4%的情況下，通過反硝化作用實現了超過96.43% ± 0.37%的總氮去除率，高斯模型預測最佳反硝化鹽度為2.2%。在高鹽度脅迫（≥ 4%）下，S. degradans BP采用了兩相轉錄調控策略。在鹽度適應階段，napA、nirS和nosZ的基因表達水平相比2%鹽度組上調
CRediT作者貢獻聲明
畢秋文：寫作 – 審稿與編輯、驗證、方法學、調查、數據管理、概念構建。
牛彥杰：寫作 – 原稿撰寫、可視化、驗證、方法學、概念構建。
岳正波：寫作 – 審稿與編輯、監督、資源協調、項目管理、資金獲取。
王書：寫作 – 審稿與編輯、驗證、監督、資金獲取、概念構建。
姜一帆：方法學研究。
王美晨：方法學研究。
王進：寫作 –
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文報告的工作。
致謝
本工作得到了國家自然科學基金（項目編號42577236、42472373、22306050）和中央高校基本科研業務費（項目編號JZ2024HGTB0247）的支持。
