近日，深圳大学化学与环境工程学院周礼杰副教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》（影响因子15.1，中科院JCR 1区，TOP期刊）上发表了题为《Keystone bacteria in a thiosulfate-driven autotrophic denitrification microbial community》的研究论文。该团队周礼杰副教授为论文第一作者及通讯作者，深圳大学为第一作者单位及通讯单位。

近年来，自养反硝化工艺被广泛研究，逐渐成为传统异养反硝化工艺的替代品。其中，使用硫基化合物作为电子供体的硫自养反硝化工艺已经实现了与异养反硝化工艺相当的硝酸盐去除率。

在所有研究的硫组分中，硫代硫酸盐由于其高水溶性和无毒性质，通常被认为是自养反硝化的优秀电子供体。基于硫代硫酸盐的反硝化是一个高效的过程，但硫代硫酸盐的异化氧化需要多种酶，统称为硫氧化（SOX）系统，以协同作用将硫代硫酸盐氧化为硫酸盐。尽管已经测量了微生物群落和功能基因，但复杂的微生物群落和不完整的功能基因导致硫代硫酸盐驱动的自养反硝化作用机制未知。因此，需要运用关键细菌来解释硫代硫酸盐驱动的自养反硝化微生物群落之间的关系。

本研究采用5个实验室规模的厌氧生物反应器并联运行，编号为S0-S4，处理含120 mg NO3--N/L的合成废水。同时，硫代硫酸盐（由Na2S2O3提供）作为唯一的电子供体，5种不同S2O32--S与NO3--N(w/w)比(S/N)分别为0、0.7、2.4、4.0、5.7。所有反应器共运行104天，包含8个周期。结果表明，生物反应器中S1-S4的硝酸盐去除率分别为14.0%、56.5%、88.9%和85.0%。微生物生态学分析显示，Proteobacteria (42-66%)、Bacteriodetes (15-30%)和Firmicutes (15-28%)是生物反应器中的主要菌门。Thiobacillus、Pseudomonas、Arenimonas和Thauera是生物反应器中的优势属。功能基因分析进一步表明，只有Thiobacillus和Thauera具有完整的硝酸盐还原途径。由于Thiobacillus缺乏SoxCD而不能催化SoxYZ-S-SH生成SoxYZ-S-SO3,并且只有Thauera 含有SoxCD，所以Thiobacillus和Thauera可以作为硫代硫酸盐氧化的关键菌在SOX系统上协同作用。

(a)

(b)

图1  (a)硫代硫酸盐、亚硫酸盐、硫酸盐的浓度变化；(b)硝酸盐和亚硝酸盐的浓度变化，硫代硫酸盐的电子利用率

如图1所示，以硫代硫酸盐为电子供体的S1-S4生物反应器对硝酸盐的去除效果明显，而S0生物反应器对硝酸盐几乎没有还原作用。S1-S4生物反应器对硫代硫酸盐驱动自养反硝化的硝酸盐去除率分别为14.0%、56.5%、88.9%和85.0%，表明S/N比的提高可以实现高效的硫代硫酸盐驱动的硫自养反硝化效率。有趣的是，S1-S4反应器的自养反硝化电子利用率分别约为26%、31%、29%和29%。结果表明，随着S/N比的提高，硫代硫酸盐驱动的自养反硝化保持了稳定的电子利用效率。

图2  硫代硫酸盐驱动的自养反硝化硝酸盐还原途径

图3  硫代硫酸盐驱动的自养反硝化硫代硫酸盐氧化途径

图2是硫代硫酸盐驱动的自养反硝化硝酸盐还原途径，从本研究中获得的宏基因组中，只有Thiobacillus和Thauera有携带完整的硝酸盐还原酶基因。图3显示了S1-S4中基于宏基因组的硫代硫酸盐驱动自养反硝化的硫代硫酸盐氧化途径。本次研究中鉴定出只有SOX系统具有完整的功能基因，而同化硫酸盐还原或异化硫酸盐还原只有部分功能基因。这一结果预示了本研究中硫代硫酸盐的氧化主要依赖于SOX体系，这与以往的研究不同。此外，编码SOX系统酶的功能基因SoxA、SoxX、SoxZ和SoxY在硫代硫酸盐氧化过程中明显增加，这是对硫代硫酸盐驱动的自养反硝化细菌比例增加的响应(图4)。此外，催化SOX系统第一步的SoxA和SoxX比催化硫代硫酸盐→亚硫酸盐→硫酸盐的第一步的TST、MPST、sseA增加得更快。

图4  基于功能基因鉴定的(a)All genus,(b)Thiobacillus和(c)Thauera的硫代硫酸盐氧化途径的基因丰度

图5  基于功能基因鉴定的(a)All genus,(b)Thiobacillus和(c)Thauera的硝酸盐还原途径的基因丰度

图5更直观地表示了Thiobacillus和Thauera都具有完整的硝酸盐还原功能基因。特别是随着硫代硫酸盐的增加，属水平上的Thiobacillus丰度增加，导致编码硝酸还原酶的功能基因总量增加。如图4所示，Thiobacillus是除SoxC和SoxD外，唯一一个含有SOX系统的全功能酶基因的属。由于缺乏SoxC和SoxD酶，硫代硫酸盐通过Thiobacillus氧化会积累SoxYZ-S-SH。此外，本研究仅鉴定出Thauera携带SoxC和SoxD基因，这意味着Thauera可能具有将SoxYZ-S-SH氧化为SoxYZ-S-SO3的能力。基于硫代硫酸盐驱动的反硝化微生物群落中Thiobacillus和 Thauera 的丰度较高，并且Thauera 会将硫代硫酸盐氧化所积累的 SoxYZ-S-SH 催化为硫酸盐，这意味着Thiobacillus和 Thauera 共同作用以实现硫代硫酸盐减少自养反硝化作用的电子供给。 Thauera主要负责SoxYZ-S-SH催化，Thiobacillus完成SOX系统硫代硫酸盐氧化的其他部分。随着硫代硫酸盐的添加，Thiobacillus表现出明显的增加，而Thauera则保持相对稳定的比例，成为硫代硫酸盐驱动自养反硝化的第二优势属。这一结果表明，部分电子因硫代硫酸盐氧化而被传输到细胞外，这种现象导致硫代硫酸盐驱动的自养反硝化作用的电子利用率较低。因此，Thiobacillus和Thauera作为SOX系统的关键细菌，实现硫代硫酸盐氧化，但这导致胞外电子传输，进而自养反硝化的电子利用率低。

这项目得到了广东省基础与应用研究基金、深圳市科技计划项目的支持。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723030528