正文
图
1
：
(a)
进水和出水的氮浓度。
(b)
氮去除效率、氮去除率和氮负荷率的变化。
(c)
出水
TOC
浓度的变化。
(d)
基于
MAGs
的门水平群落组成。
在稳定期，出水
NO
2
-
-N
浓度接近
0 mg N/L
，
NO
2
-
-N
、
NH
4
+
-N
和
TN
的去除效率分别在
99%
、
87%
和
87%
以上，反应器脱氮性能稳定。在崩溃期间
，
出水
NO
2
-
-N
浓度最高升到
243 mg N/L
（
84 mg N/gVSS
），氮去除负荷从
1900 mg N/L/d
以上下降到
1400 mg N/L/d
左右，
TN
去除率降至
69%
，并观察到颗粒污泥解体。使用血清瓶测定厌氧氨氧化体系的脱氮能力后，降低氮负荷并通过缓慢提高的方式对反应器性能进行恢复。
厌氧氨氧化系统脱氮基因表达量及脱氮效率的变化
图
2
：
(a)
厌氧氨氧化菌群落和
(b)AMXB1
基因组脱氮基因表达量变化。表达量用
TPM
表示，为同一期样本的平均值。
(c)
总氮去除率和
AMXB1
的相对丰度变化。
(d)
厌氧氨氧化系统生物量变化。
出乎意料的是，通过计算反应器中厌氧氨氧化细菌
Ca. Brocadia
sapporoensis
（
AMXB1
）基因组在不同时期的氮代谢基因表达情况（图
2b
）发现，过量亚硝酸盐并未抑制
AMXB1
的脱氮基因的表达量，反而能够明显上调
anammox
途径的基因表达。这可能是
AMXB1
在面对高浓度亚硝酸盐应激源时，采取的一种对抗或减轻损伤的代偿机制。当考虑了
AMXB1
生物量（图
2d
）变化后，对厌氧氨氧化群落进行脱氮基因表达量计算，发现崩溃期间
anammox
途径的基因表达量明显下调（图
2a
），这与反应器脱氮性能骤减现象相吻合（图
2c
）。因此，我们提出假设，亚硝酸盐造成体系崩溃的原因是破坏
AMXB1
的
繁殖能力而非抑制其脱氮基因表达。
亚硝酸盐对
AMXB1
细胞复制能力的抑制机制
图
3
： （
a
）
AMXB1
在不同时期的基因表达差异概况。（
b
）
AMXB1
在不同时期的代谢通路表达的变化倍数（
c
）
AMXB1
在不同时期的功能模块表达的变化倍数。其中
T1
为胁迫期和稳定期的对比，
T2
为崩溃前期和稳定期的对比，
T3
为崩溃后期和稳定期的对比，
T4
为恢复期和崩溃后期的对比。
首先，过量亚硝酸盐破坏了
AMXB1
的自我保护机制，鞭毛组装、细菌趋向性及双组分系统功能在崩溃期严重下调，导致
AMXB1
丧失趋利避害能力（图
3b
）。其次，构成细胞膜和细胞壁的重要成分如磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺、脂多糖等功能被亚硝酸盐严重抑制，导致重要细胞结构合成受损（图
3c
）。此外，
DNA
复制能力被抑制，具体表现为涉及
DNA
复制的原料
ADP
、
UDP
及
CDP
的合成能力在崩溃期显著下调（图
3c
）。然而，更多能量被用于增强氮代谢和碳水化合物代谢包括糖酵解、
TCA
循环、磷酸戊糖途径（图
3c
），更少的能量用于鞭毛组装、细胞结构生成及
DNA
复制。加之在崩溃期间
ATP
合成减少，更加阻碍了微生物的正常繁殖。因此，过量亚硝酸盐导致的代谢途径能量分配不均阻碍了
AMXB1
的细胞增殖。
AMXB1
及共生菌互养关系的转变
图
4
：（
a
）基于微生物相对丰度的聚类热图。（
b
）不同分组微生物的相对丰度变化。（
c
）
AMXB1
及共生菌的互养策略。
厌氧氨氧化细菌并未实现纯培养，共生菌的功能变化也会影响厌氧氨氧化细菌的功能变化。因此，通过对基因组在各个样品中的相对丰度进行聚类（图
4a
），
B
组微生物与
AMXB1
丰度变化一致（图
4b
），说明他们之前存在密切的相互关系，表明
AMXB1
和
B
组微生物对反应体系的稳定运行具有至关重要的作用。通过对
B
组微生物的核心代谢（能量代谢、碳氮代谢、氨基酸合成、辅酶和维生素合成、糖类和脂质合成、物质转运）进行分析，构建了关键物种与
AMXB1
的互营关系模型（图
4c
）。由此发现，过量亚硝酸盐抑制了
AMXB1
和
CHL7
的氨基酸（如
天门冬氨酸、赖氨酸、亮氨酸和苏氨酸
）、辅酶（如钼辅因子、
C
10
-C
20
isoprenoid
）和维生素（如微生物
B6
）的交叉喂养。而在恢复期，这些交叉喂养关系逐步恢复，表明这种密切的交叉喂养关系有助于提高必需物质的相互交换，对厌氧氨氧化体系脱氮性能恢复具有重要作用。
小结
本研究解析了厌氧氨氧化菌对过量亚硝酸盐胁迫的分子响应机制（如能量分配、核心代谢转移），并揭示了亚硝酸盐冲击后微生物互养作用在系统功能恢复中的关键角色。主要发现如下：（
