近日，深圳大學化學與環境工程學院周禮傑副教授團隊在期刊《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，深圳大學为第一作者单位及通讯单位。
近年來，自養反硝化工藝被廣泛研究，逐漸成爲傳統異養反硝化工藝的替代品。其中，使用硫基化合物作爲電子供體的硫自養反硝化工藝已經實現了與異養反硝化工藝相當的硝酸鹽去除率。
在所有研究的硫組分中，硫代硫酸鹽由于其高水溶性和無毒性質，通常被認爲是自養反硝化的優秀電子供體。基于硫代硫酸鹽的反硝化是一個高效的過程，但硫代硫酸鹽的異化氧化需要多種酶，統稱爲硫氧化（SOX）系統，以協同作用將硫代硫酸鹽氧化爲硫酸鹽。盡管已經測量了微生物群落和功能基因，但複雜的微生物群落和不完整的功能基因導致硫代硫酸鹽驅動的自養反硝化作用機制未知。因此，需要運用關鍵細菌來解釋硫代硫酸鹽驅動的自養反硝化微生物群落之間的關系。
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具有完整的硝酸鹽還原途徑。由于Thiobacillus缺乏SoxCD而不能催化SoxYZ-S-SH生成SoxYZ-S-SO3,並且只有Thauera 含有SoxCD，所以Thiobacillus和Thauera可以作爲硫代硫酸鹽氧化的關鍵菌在SOX系統上協同作用。
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圖1 (a)硫代硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫酸鹽的濃度變化；(b)硝酸鹽和亞硝酸鹽的濃度變化，硫代硫酸鹽的電子利用率
如圖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生物反應器對硫代硫酸鹽驅動自養反硝化的硝酸鹽去除率分別爲14.0%、56.5%、88.9%和85.0%，表明S/N比的提高可以實現高效的硫代硫酸鹽驅動的硫自養反硝化效率。有趣的是，S1-S4反應器的自養反硝化電子利用率分別約爲26%、31%、29%和29%。結果表明，隨著S/N比的提高，硫代硫酸鹽驅動的自養反硝化保持了穩定的電子利用效率。
圖2 硫代硫酸鹽驅動的自養反硝化硝酸鹽還原途徑
圖3 硫代硫酸鹽驅動的自養反硝化硫代硫酸鹽氧化途徑
圖2是硫代硫酸盐驱动的自养反硝化硝酸鹽還原途徑，從本研究中獲得的宏基因組中，只有Thiobacillus和Thauera有攜帶完整的硝酸鹽還原酶基因。圖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鹽氧化途徑。本次研究中鉴定出只有SOX系統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系統酶的功能基因SoxA、SoxX、SoxZ和SoxY在硫代硫酸鹽氧化过程中明显增加，这是对硫代硫酸鹽驅動的自養反硝化细菌比例增加的响应(圖4)。此外，催化SOX系統第一步的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。
圖4 基于功能基因鉴定的(a)All genus,(b)Thiobacillus和(c)Thauera的硫代硫酸鹽氧化途徑的基因丰度
圖5 基于功能基因鉴定的(a)All genus,(b)Thiobacillus和(c)Thauera的硝酸鹽還原途徑的基因丰度
圖5更直观地表示了Thiobacillus和Thauera都具有完整的硝酸鹽還原功能基因。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。如圖4所示，Thiobacillus是除SoxC和SoxD外，唯一一个含有SOX系統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 会将硫代硫酸鹽氧化所积累的 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系統硫代硫酸鹽氧化的其他部分。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鹽氧化而被传输到细胞外，这种现象导致硫代硫酸鹽驅動的自養反硝化作用的电子利用率较低。因此，Thiobacillus和Thauera作为SOX系統的关键细菌，实现硫代硫酸鹽氧化，但这导致胞外电子传输，進而自養反硝化的電子利用率低。
這項目得到了廣東省基礎與應用研究基金、深圳市科技計劃項目的支持。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723030528
