Ecophysiology and Comparative Genomics of Nitrosomonas mobilis Ms1 Isolated from Autotrophic Nitritifying Granules of Wastewater Treatment Bioreactor

從污水處理生物反應器自養(yǎng)硝化顆粒中分離的移動硝化單胞菌Ms1的生態(tài)生理學和比較基因組學

來源：Frontiers in Microbiology, Volume 7, 2016, Article 1869

《微生物學前沿》，第7卷，2016年，文章編號1869

 

摘要

摘要指出，氨氧化細菌（AOB）在廢水處理系統(tǒng)中氧化氨為亞硝酸鹽，扮演重要角色。Nitrosomonas mobilis是多種廢水處理系統(tǒng)中重要且優(yōu)勢的AOB，但由于純培養(yǎng)分離成功有限，其詳細生理和基因組特性尚未徹底研究。本研究調(diào)查了先前從廢水處理生物反應器硝化顆粒中分離純化的N. mobilis Ms1的關鍵生理特性，包括溫度、pH、生長率、動力學參數(shù)等。Ms1在27°C和pH 8.0下呈現(xiàn)最佳生長，最大生長率0.05-0.07 h?1，世代時間10-14小時。銨攝取半飽和常數(shù)為30.70 μM，最大銨攝取率0.01 pmol cells?1 h?1。Ms1的氨氧化活性高于N. europaea，氧攝取動力學參數(shù)為Km(O2)=21.74 μM，Vmax(O2)=0.06 pmol cells?1 h?1。Ms1能耐受高達100 mM銨和500 mM NaCl，亞硝酸鹽耐受性極高（達300 mM）。基因組比較顯示Ms1與其他Nitrosomonas物種 distant關系，氨氧化和硝化菌反硝化相關基因組織不同。本研究提供了N. mobilis類細菌的生理和基因組特征，促進對其在廢水處理系統(tǒng)中生態(tài)生理學的理解。

 

研究目的

研究目的是詳細調(diào)查Nitrosomonas mobilis Ms1的生理特性和基因組屬性，以填補該菌株因純培養(yǎng)困難而導致的知識空白，并通過比較分析更好地理解其在廢水處理系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)生理學角色和適應性。

 

研究思路

研究思路包括使用從硝化顆粒中分離的純培養(yǎng)N. mobilis Ms1，進行一系列生理實驗測定其生長條件（溫度、pH、NaCl濃度）、動力學參數(shù)（銨和氧攝取率）、耐受性（銨、亞硝酸鹽）等。同時，進行基因組測序和注釋，比較與其他AOB的基因組成和進化關系。實驗采用批量培養(yǎng)、微電極測量（如氧微電極）和分子生物學方法，結(jié)合熒光顯微鏡和化學分析，以全面表征菌株特性。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 數(shù)據(jù)來自圖1：測量了溫度（17-37°C）、pH（4-13）和NaCl濃度（0-1000 mM）對Ms1生長的影響，顯示最適溫度為27°C、pH為8.0，NaCl耐受達500 mM。研究意義是確定了Ms1的生存范圍，表明其適應中溫、微堿性和中鹽環(huán)境，有助于優(yōu)化廢水處理工藝條件。

 

2 數(shù)據(jù)來自圖2：通過監(jiān)測銨消耗、亞硝酸鹽生產(chǎn)和細胞數(shù)量隨時間變化，計算了最大生長率（0.06 h?1）和世代時間（11.87小時）。研究意義是量化了Ms1的生長動力學，顯示其快速生長特性，支持其在高速轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的優(yōu)勢。

 

3 數(shù)據(jù)來自圖3和圖4：使用銨攝取實驗和氧微電極（Unisense）測量了銨和氧攝取動力學，得到Km(NH4+)=30.70 μM、Vmax(NH4+)=0.01 pmol cells?1 h?1、Km(O2)=21.74 μM、Vmax(O2)=0.06 pmol cells?1 h?1。研究意義是揭示了Ms1的高底物親和力和代謝活性，表明其在低銨環(huán)境中可能更具競爭力。

 

 

4 數(shù)據(jù)來自圖5：測試了銨（ up to 500 mM）和亞硝酸鹽（ up to 500 mM）耐受性，顯示Ms1在高達300 mM亞硝酸鹽下仍能氧化銨。研究意義是證明Ms1具有極高耐毒性，適合高負荷廢水處理系統(tǒng)。

 

5 數(shù)據(jù)來自表1和表2：比較了Ms1與其他AOB的生理和基因組特征，如基因組大小3.09 Mbp、G+C含量48.5%，氨單加氧酶基因有兩個拷貝。研究意義是通過比較基因組學突出Ms1的獨特性，如基因組織差異，可能影響其生態(tài)位適應。

 

 

 

結(jié)論

1 N. mobilis Ms1具有寬溫度（17-37°C）和pH（7-9）范圍，最適條件27°C和pH 8.0，生長快速（世代時間10-14小時），適應廢水處理環(huán)境。

2 Ms1顯示高銨和亞硝酸鹽耐受性（分別達100 mM和300 mM），氧攝取活性高，表明其在高壓環(huán)境中具有代謝韌性。

3 基因組分析顯示Ms1與其他Nitrosomonas物種平均核苷酸同一性低（如與N. europaea為70.7%），基因為氨氧化和反硝化途徑的組織獨特，支持其作為獨立譜系的分類。

4 生理和基因組數(shù)據(jù)結(jié)合表明Ms1在廢水處理系統(tǒng)中可能作為優(yōu)勢AOB，尤其在較高銨和亞硝酸鹽條件下，為工程應用提供參考。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense氧微電極（型號OX-MR13831）測量N. mobilis Ms1的氧攝取動力學，提供了高精度的溶解氧濃度實時數(shù)據(jù)，使能準確計算氧攝取參數(shù)Km(O2)和Vmax(O2)。研究意義在于，這種微電極技術允許在細胞水平直接量化代謝活性，避免了傳統(tǒng)方法可能引入的誤差。通過測量氧濃度隨時間變化，并結(jié)合細胞計數(shù)，推導出動力學參數(shù)（Km(O2)=21.74 μM, Vmax(O2)=0.06 pmol cells?1 h?1），這些數(shù)據(jù)揭示了Ms1的呼吸效率和對氧的親和力，表明其適應微好氧環(huán)境。與銨攝取動力學結(jié)合，微電極數(shù)據(jù)幫助全面評估Ms1的能代謝，支持其在廢水生物膜或顆粒系統(tǒng)中的競爭優(yōu)勢。此外，這種高分辨率測量為比較不同AOB的生理特性提供了可靠方法，增強了我們對微生物適應機制的理解，并可為優(yōu)化廢水處理過程中的曝氣策略提供依據(jù)。總體而言，Unisense電極的應用提升了生理研究的準確性和深度，突出了微傳感器在環(huán)境微生物學中的價值。