第一作者：叶宇航 2024级博士生

通讯作者：熊炜平副教授、何丹丹副研究员、王冬波教授

论文DOI：10.1021/acs.est.5c04539

图文摘要

成果简介

该文提出了自养硝化细菌（AOB）Nitrosomonas在短程硝化系统中以蛋白质合成为核心的独特适应机制，有望为实现稳定的自养氮去除提供理论基础。

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部分硝化（PN）在实现自养氮去除方面具有重要实践意义，可带来显著的经济和环境效益。然而，短程硝化系统中氨氧化细菌的适应机制和生存策略很大程度上是未知的。本研究鉴定Nitrosomonas eutropha为基于游离氨建立的PN系统中主导氨氧化过程的关键物种，并进一步揭示了其在PN系统中独特的生存策略。具体而言，N. eutropha的初级代谢和应激响应系统显著增强，同时蛋白质合成机器（如核糖体蛋白和翻译因子）的表达水平显著上调。值得注意的是，细胞分裂蛋白FtsA的过表达被检测到，该蛋白已知会破坏Z环形成并抑制细胞分裂。这些结果表明，N. eutropha采用以蛋白质合成为核心的生存策略，即在维持强劲蛋白质合成能力的同时延缓细胞增殖。本研究为氨氧化菌在PN系统中的生存策略提供了多维度见解，对优化自养氮去除的工程策略具有重要实际意义。

引言

基于短程硝化的自养脱氮工艺对于实现污水处理厂的“双碳”目标，建立“可持续发展”的污水处理具有重要意义。短程硝化的核心在于使硝化作用停止在氨氧化阶段（即NH₃-NO₂^-），这要求在抑制亚硝酸盐氧化细菌（NOB）活性的同时，保留氨氧化细菌（AOB）的活性。此前的大部分研究致力于实现稳定的NOB抑制，并开发了一系列的策略用于选择性抑制NOB以实现亚硝酸盐积累。然而，目前的研究忽视了短程硝化系统中AOB的适应机制与生存策略，在实际的污水处理工艺中可能造成系统不稳定、效率低下等不利影响。本研究选择了游离氨处理作为实现短程硝化的代表性策略，通过基于宏基因组的宏蛋白组分析揭示了短程硝化系统中AOB在物种层面的生态位分化，并进一步探究了优势物种的适应策略，为短程硝化系统的稳定运行提供了重要理论支撑。

图文导读

短程硝化系统运行性能与AOB的生态位分化

在反应器运行第100天时建立了相对稳定的短程硝化，并持续到了第200天后，采集微生物样品进行分析。值得注意的是，宏基因组的相对丰度分析与宏蛋白组的相对丰度分析得出了不同的结果。考虑到宏基因组的丰度分析是基于DNA含量的，无法区分微生物的死活，而宏蛋白组分析中可以将蛋白质表达量分配到具体物种，进而确定真正的活性物种，因此，本研究通过宏蛋白质组分析发现，虽然亚硝基单胞菌Nitrosomonas在短程硝化系统中一直都是优势属，但其属内的优势物种从N. europaea和N. mobilis转变为了N. eutropha。因此，在后续研究中，根据差异表达蛋白（DEP）重点探究了N.eutropha在短程硝化系统的适应机制。

Figure 1 The performance of the PN reactor(A). The dominant nitrifiers in the CK and PN reactor: (B) genus and (C) species. Comparisons between the relative abundance of top 8 nitrifier species based on metaproteomic and metagenomic analysis (D). The volcano plot shows the number of DEPs, and most proteins are upregulated in the PN reactor compared to the CK reactor(E).

N.eutropha在短程硝化系统中的代谢变化

首先，N. eutropha的初级代谢，包括碳固定、中心碳代谢、氨基酸代谢和能量代谢在内，在短程硝化系统中表现为显著增强。增强的初级代谢能够为N. eutropha提供更多的细胞资源（包括细胞基质和能量），从而为抵抗PN系统的不利生长环境提供物质基础。另一方面，N.eutropha的应激系统，包括氧化应激系统、DNA/蛋白质修复系统以及通用应激蛋白，也被激活，以帮助N. eutropha抵抗和适应不利环境。

Figure 2 A schematic diagram of the enhanced primary metabolism within N. eutropha, including carbon metabolism, amino acid biosynthesis and energy generation. The enzyme in the gold box indicates it was significantly upregulated in the PN reactor. Due to the complexity of the amino acid biosynthesis pathway, multi-step reactions are not specifically exhibited, and all upregulated enzymes are detailed in Supporting Table 1.

N. eutropha调整细胞资源分配以实现繁殖与存活之间的权衡

Figure 3 Schematic diagram of upregulated protein synthesis machinery and block of cell division (A); the PPI network (B) shows the top 400 interaction groups, the left circle shows the interactions between the protein synthesis machinery, and the simple interaction networks on the right belong to energy generation (pink), carbon fixation (green), biosynthesis of amino acids (orange) and others (purple); log₂foldchange of expression of relevant proteins within N. eutropha(C).

初级代谢的增强和应激系统的激活均依赖于大量蛋白质的参与，因此，进一步评估了蛋白质合成情况。结果发现，在PN系统中N. eutropha的蛋白质合成机器（包括核糖体、RNA聚合酶和翻译因子）表达量均显著增强，这能够为其提供充足的蛋白质以保障活性。然而，蛋白质合成机器是细胞内细胞资源消耗最大的组成部分。同时，DEP分析结果表明，N. eutropha中细胞分裂过程中的关键蛋白FtsA出现了过表达，这意味着N. eutropha的分裂繁殖在起始阶段就被抑制了。值得注意的是，类似的DEP情况旨在N. eutropha中观察到了。

N. eutropha在PN系统中多层次的适应机制

Figure 4 Schematic diagram of the adaptation mechanism within N. eutropha; the black boxes represent metabolic pathways contributing to the adaption, while the green boxes represent the upregulated enzymatic and non-enzymatic proteins.

综上所述，本研究提供了N. eutropha在PN系统中整合代谢、应激响应和细胞资源分配的复杂生存策略的多维证据。在基础层面，增强的一级代谢（包括物质和能量代谢）为后续适应提供了必要的细胞资源。同时，多种损伤响应机制（如抗氧化系统、DNA/蛋白质修复系统和普遍应激响应系统）被激活以维持内部稳态。最后，资源分配向蛋白质合成而非生长倾斜，确保了维持活性所需关键蛋白质的持续合成。这些协调的调控过程使N. eutropha能够在不利的PN条件下维持稳定的氨氧化和细胞活力，为未来优化工程化PN/A过程提供了重要的理论和实践见解。

小结与展望

本研究通过基于宏基因组的蛋白质组学分析，鉴定了PN系统中的活性氨氧化物种，并提出了其潜在的适应机制与生存策略。尽管本研究仅评估了一组特定的运行条件，且提出的机制可能并不适用于所有AOB物种，但至少是对PN系统中生态位分化及微生物适应机制现有认识的重要补充。更重要的是，本研究的结果强调了对工程化生物系统中生态位分化和微生物适应机制进行更广泛探究的必要性。除了PN/A系统外，其他生物工程中也存在类似被忽视的微生物组装和生态位分化过程。因此，有必要识别、表征并调控由环境条件和运行参数决定的特定工程化系统中的功能微生物群落，以促进工程化系统性能的管理与优化。