工业和农业的快速发展导致大量未经处理或处理不彻底的废水被排放到自然水体中，这不仅会导致水体富营养化，还会威胁人类健康。微生物脱氮可将无机氮转化为氮气，从而达到净化废水的目的。
近日，贵州大学生命科学学院何腾霞教授在国际著名期刊Critical Reviews in Environmental Science and Technology（中科院一区，IF=12.6）上发表题为“Key enzymes, functional genes, and metabolic pathways of the nitrogen removal-related microorganisms”的综述论文，系统阐明了脱氮相关微生物在脱氮过程中的关键酶、功能基因及代谢途径。
传统的生物脱氮过程包含两个过程，即硝化和反硝化。硝化过程由两种不同微生物种群分两个步骤完成，其中AOB或AOA首先将铵氧化为亚硝酸盐，随后由NOB氧化为硝酸盐。Comammox的发现推翻了一个世纪以来微生物对的铵氧化分两步转化为硝酸盐的观点（Fig. 1）。与典型的硝化菌相比，Comammox菌对重金属的耐受性和营养限制条件的适应性更有优势。
Fig. 1 Ammonia oxidation pathways and related microorganisms
反硝化是一种众所周知的氮损失途径，前期大量研究者这认为，反硝化仅能发生在厌氧环境下，以有机物作为电子供体，将硝态氮或亚硝态氮逐渐还原为气态氮（Fig. 2）。近些年研究发现了大量的好氧脱氮微生物，且脱氮途径各异。此外，微生物还可通过同化作用将硝态氮还原为铵，随后转化为胞内氨基酸，进而实现氮回收。随着研究的深入发现，环境中的硝酸盐和亚硝酸盐也可以通过异化硝酸还原为铵的途径实现土壤氮素蓄持，异化形成的铵态氮不被微生物同化，但很容易被初级生产者利用。
Fig. 2 The biological nitrogen removal pathways through denitrification
近年来，异养硝化-好氧反硝化脱氮微生物因其在好氧条件下能同时进行硝化和反硝化作用而备受研究者们的关注。在充足的有机碳条件下，异养硝化-好氧反硝化微生物可快速增殖并迅速完成硝化和反硝化过程（Fig. 3）。参与异养硝化-好氧反硝化的细菌具有复杂的氮代谢途径，可以利用铵氮、硝态氮或亚硝态氮作为氮源，通过同化或异化还原途径迅速被转化。
Fig. 3 Key enzymes and nitrogen metabolism pathways in HN-AD process
该论文结合了本实验室近些年的研究成果（He et al.,2020，Journal of Hazardous Materials; Zhang et al., 2022，Bioresource Technology; Wu et al., 2022，Bioresource Technology），详述了不同铵氧化、反硝化和异养硝化-好氧反硝化微生物的脱氮机理及优势，明晰了目前研究氮代谢途径的策略和局限性。全面评估了脱氮微生物与氮循环代谢特征及其在废水处理中的应用潜力。这将有助于开发和使用可持续的BNR工艺，以提高脱氮效率，同时最大限度地降低能源消耗和节约成本，特别是通过不同微生物菌群之间的协同作用，更有助于提高废水处理速率。
贵州大学生命科学学院硕士研究生郑春霞为第一作者，何腾霞教授为该论文的通讯作者，该论文受到了国家自然科学基金（Nos. 42167019 和 42007223）的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1080/10643389.2024.2350317
