Molecular mechanisms through which different carbon sources affect denitrification by Thauera linaloolentis: Electron generation, transfer, and competition

不同碳源影響丁香醇梭菌反硝化的分子機制：電子產生、傳遞和競爭

來源：Environment International 170 (2022) 107598

 

摘要核心發現

 

研究以反硝化模式菌株Thauera linaloolentis為對象，通過基因組測序（KEGG注釋）重建代謝網絡（圖2），探究四種碳源（乙醇/乙酸鈉/葡萄糖/檸檬酸鈉）對反硝化過程的影響機制：

 

簡單碳源（乙醇、乙酸鈉） 促進菌體增殖（μ_max=0.145 h?1）和完全反硝化（無中間產物累積）

復雜碳源（葡萄糖、檸檬酸鈉） 導致嚴重中間產物累積：

NO??峰值117.00 mg/L（葡萄糖組，較乙醇組高1.51倍）

NO峰值363.02 μg/L（葡萄糖組，較乙醇組高7.35倍）

N?O峰值22.58 mg/L（葡萄糖組，較乙醇組高26.56倍）

分子機制：碳源代謝復雜度通過影響 電子生成效率（TCA循環酶活）→ 電子傳遞系統活性（ETSA）→ 反硝化還原酶電子競爭 三級級聯效應決定脫氮效能

 

研究目的

 

揭示碳源類型影響反硝化的分子機制（電子生成-傳遞-競爭鏈條）

建立碳源代謝網絡與脫氮效能關聯模型（圖2代謝網絡重構）

 

指導污水處理廠碳源精準投加（降低N?O排放與運行成本）

 

研究思路與技術路線

 

graph LR

A[菌株培養] --> B[基因組測序+代謝網絡重構]

B --> C[四組碳源批式實驗]

C --> D1[污染物動態監測] --> D2[Unisense電極實時氣體分析]

C --> E1[酶活檢測] --> E2[TCA循環/乙醛酸循環關鍵酶]

C --> F[電子傳遞系統活性測定]

D2 & E2 & F --> G[電子競爭機制解析]

 

關鍵數據及科學價值

1. 反硝化性能差異（圖3）

 

數據來源：200mL血清瓶批式實驗（四組碳源，12個重復）

核心發現：

乙醇組：NO?? 24h內完全去除，無NO??/N?O累積

葡萄糖組：NO??累積117mg/L，N?O累積22.58mg/L

意義：首次量化碳源復雜度與反硝化中間產物累積的劑量效應

 

2. 電子分配模式（圖4）

 

數據來源：基于反應計量學的電子流計算

核心發現：

簡單碳源：電子均勻分配至四步反硝化酶（NAR/NIR/NOR/NOS）

復雜碳源：90%電子被NAR（NO??→NO??步驟）獨占

意義：揭示中間產物累積的電子競爭本質

 

3. 代謝酶活響應（圖5,6）

 

 

數據來源：CS（檸檬酸合酶）、IDH（異檸檬酸脫氫酶）等酶活檢測

核心發現：

乙酸鈉組CS活性55.50 μmol·g?1·min?1（葡萄糖組僅11.29）

檸檬酸鈉組ICL（異檸檬酸裂解酶）活性達1.26 μmol·g?1·min?1

意義：證實復雜碳源激活乙醛酸分流補償電子供給不足

 

丹麥Unisense電極的核心價值

技術原理

 

微傳感器型號：NO-R/N?O-R（檢測限0.1μM，響應時間<1秒）

原位監測：實時追蹤氣體產物動態（避免傳統采樣擾動）

 

關鍵數據發現

 

瞬態氣體釋放規律（圖3e,f）：

葡萄糖組NO在48h突增至363μg/L（乙醇組僅49.4μg/L）

N?O釋放峰值滯后NO 12小時（電子競爭時序證據）

碳源復雜度與氣體累積關聯：

N?O累積量：檸檬酸鈉（15.2mg/L）>葡萄糖（22.58mg/L）>乙酸鈉（0.85mg/L）

證明碳源分子結構與反硝化副產物生成的正相關性

 

 

機制解析貢獻

 

電子競爭可視化：氣體釋放曲線直接反映電子分配失衡（NOR/NOS獲電子不足）

工藝優化依據：為低碳源投加策略提供量化基準（如乙酸鈉組N?O減排96%）

 

工程啟示：Unisense電極的秒級響應能力捕捉到傳統方法無法檢測的 瞬時N?O爆發峰（如葡萄糖組120h的22.58mg/L峰值），這對評估污水處理廠溫室氣體排放具有革命性意義。

 

結論

 

碳源代謝路徑復雜度 與 中間產物累積 呈正相關（檸檬酸鈉組N?O排放為乙醇組26倍）

電子競爭三階段機制：

簡單碳源→高效TCA循環→高ETSA活性→電子均勻分配→完全脫氮

復雜碳源→激活乙醛酸分流→ETSA抑制→電子被NAR獨占→NO??/N?O累積

碳源選擇優先級：乙醇≈乙酸鈉>檸檬酸鈉>葡萄糖（基于脫氮效率與N?O減排）

 

研究意義延伸

 

污水處理實踐：推薦乙酸鈉替代葡萄糖作碳源（降低63% N?O排放）

碳中和路徑：優化碳源可減少污水處理過程溫室氣體排放

方法論創新：電子流分析框架可推廣至其他反硝化菌研究

 

技術前瞻：結合Unisense電極與代謝組學，未來可構建 電子流實時調控系統，實現污水廠碳源精準動態投加。