《Bioresource Technology》：Microcurrent stimulation Reactivates the electron transport chain to resuscitate Ammonia-Oxidizing bacteria from Low-Temperature stress
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低温抑制微生物氮代谢，阻碍污水处理。本研究通过微电流刺激恢复模式菌Nitrosomonas europaea的氨氧化活性，发现其通过激活电子传递链（ETC）及关键基因（nuoD/sdhA/coxA/atpE）调控，显著提升峰值氨氮去除率20倍，并重建质子动力势与ATP合成能力。研究为低温生物脱氮提供新机制。
唐子阳|兰邦瑞|于龙斌|詹春晖|张楠|王照文|宋子曼|李晨宇|蔡新晨|王珊云|朱贵兵
中国科学院生态环境科学研究中心，北京 100085，中国
摘要
低温会严重抑制微生物的氮代谢，这在寒冷季节对稳定处理废水构成了重大瓶颈。为了解决这一问题，研究了微电流刺激如何在低温胁迫条件下恢复模型氨氧化菌Nitrosomonas europaea的活性。微电流处理显著逆转了低温引起的抑制作用，与低温对照组相比，氨的去除率峰值提高了20倍。实时定量聚合酶链反应（RT-qPCR）和数据独立获取（DIA）蛋白质组学分析表明，微电流通过重新激活电子传递链（ETC）发挥作用。转录谱分析显示，编码关键呼吸复合体的基因（包括nuoD（复合体I）、sdhA（复合体II）和coxA（复合体IV）以及ATP合成酶atpE）持续上调。比较蛋白质组学证实，这些转录变化转化为呼吸酶和上游脱氢酶的功能积累，有效地恢复了质子动力（PMF）和ATP合成能力。恢复的生物能量状态进一步支持了核糖体蛋白和伴侣蛋白（如GroES）的富集，从而在低温下促进了蛋白质合成和蛋白质稳态的维持。本研究为利用低能量电刺激在低温条件下稳定生物硝化过程提供了机制基础。
引言
废水中的氮污染会导致富营养化、生物多样性丧失和气候变化，因此生物氮去除成为现代废水处理系统中的关键组成部分（Zheng等人，2024年）。然而，在寒冷高纬度地区运行的污水处理厂和人工湿地面临严重的性能限制。低温会降低膜流动性并损害膜结合的呼吸复合体，从而干扰电子传递链（ETC），限制质子动力（PMF）和ATP的生成。这种生物能量限制逐渐抑制微生物活性（Sun等人，2025年；Tang等人，2024年）。随着细胞能量可用性的降低，微生物的呼吸和合成活动减弱，微生物可能最终进入休眠状态以作为生存策略。总体而言，这些生理限制降低了寒冷地区处理系统中的微生物活性和污染物去除效率（Lennon等人，2011年）。
电子传递链（ETC）的抑制也限制了氮转化过程。生物氮循环由一系列专门的微生物驱动。关键的功能群体包括氨氧化菌（如Nitrosomonas和Nitrosospira）、亚硝酸盐氧化菌（如Nitrobacter和Nitrosospira）以及各种反硝化菌（如Pseudomonas和Paracoccus（Zhu等人，2025年）。这些微生物群落在中性温度范围内（通常为20°C至30°C）表现出最佳代谢活性（Kailong等人，2023年）。然而，低温会严重抑制它们的酶反应和生长速率（Qi等人，2024年）。具体来说，低温环境会破坏ETC，导致生物能量代谢紊乱，这不仅影响单个细胞，还从根本上破坏了不同功能群体之间的共生关系，例如氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌之间的紧密耦合（L. Huang等人，2022年；Jakub等人，2021年）。因此，由于电子传递抑制引起的微生物协同作用崩溃会导致有毒氮中间体的积累、氮去除效率降低以及N2O排放增加（Conthe等人，2019年）——这加剧了水污染控制与温室气体缓解之间的权衡，给寒冷环境中的可持续水处理带来了双重挑战。
电刺激已在生物医学领域得到广泛应用，以增强细胞活性、促进细胞成熟和调节信号转导，特别是在靶向治疗和器官移植中（Karbassi等人，2020年；Simon等人，2009年）。基于这些生物学原理，最近提出了微电流刺激作为一种低能量策略，以缓解低温对微生物活性的限制。从技术上讲，微电流被定义为低强度的电流，通常在微安范围内——其幅度与内源性生物电流相当——并且不会引起组织加热或神经纤维去极化（Jonik等人，2025年）。先前的研究表明，微电流刺激可以调节细胞内的氧化还原平衡，加速电子转移速率，并作为补充能量来源刺激微生物的代谢活性（Dehghani等人，2018年；Wei等人，2011年）。通过这些生物电化学效应，微电流刺激有可能影响氮转化动力学，并在低温抑制条件下部分恢复氨向NO2–和氮气的转化。尽管电刺激已被证明可以提高生物反应器和人工湿地中的污染物去除效率，但其背后的分子机制仍不甚清楚（Lan等人，2025年；J. Wang等人，2017年）。
为了解决这一知识空白，本研究聚焦于模型氨氧化菌Nitrosomonas europaea，其能量产生主要依赖于由氨单加氧酶（AMO）和羟胺氧化还原酶（HAO）驱动的专门ETC（Arp等人，2002年；Chain等人，2003年）。低温胁迫会严重抑制这些酶的活性，并破坏关键电子载体（如细胞色素c554）的合成（Bollmann等人，2005年；Whittaker等人，2000年）。选择2°C的培养温度作为接近冰点的保守性胁迫测试条件，以避免结冰。通过整合转录组和蛋白质组学分析，本研究揭示了微电流刺激通过上调关键ETC基因和调节应激反应途径来恢复PMF和ATP合成的分子机制。这项研究不仅为优化废水处理过程的低温适应性提供了机制见解，还为合成生物学中的工程化功能性微生物制剂奠定了基础（Sami等人，2017年），对解决寒冷地区的水环境管理挑战具有重要的科学和工程价值。
章节片段
细菌菌株和培养
为了研究微电流刺激对氨氧化菌（AOB）活性的影响及其在低温条件下促进AOB恢复的作用，选择了N. europaea ATCC 19718进行培养实验。作为典型的AOB模型菌株，该菌株具有明确的氨氧化途径和呼吸链机制，为转录组和蛋白质组学反应提供了机制基础。此外，该菌株没有电活性。
氨氧化动力学和电学特性
为了研究常温和低温条件下的氮转化动力学，特别是缓解低温胁迫，构建了一个微电流实验系统（图1a）。连续监测电化学性能显示，输出从最初的高水平逐渐趋于稳定平衡。具体来说，在初始阶段之后，两种温度条件下的电流输出从第3天开始趋于平衡，保持稳定
结论
本研究表明，微电流刺激可以有效使Nitrosomonas europaea从严重的低温胁迫中恢复。微电流处理显著逆转了低温引起的抑制作用，导致氨氧化显著恢复。多组学证据支持这一恢复背后的生物能量机制。RT-qPCR显示，编码呼吸复合体和ATP合成酶的关键基因（如nuoD、sdhA、coxA和atpE）持续上调
未引用的参考文献
Lennon和Jones，2011年；Sami和Dani，2017年；Sarewicz和Osyczka，2015年；Wahman和Speitel，2015年；Wikstr?m和Hummer，2012年；Zheng和Liu，2024年。
CRediT作者贡献声明
唐子阳：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法学、研究、数据管理、概念化。兰邦瑞：方法学、研究、正式分析、数据管理、概念化。于龙斌：撰写——审阅与编辑。詹春晖：撰写——审阅与编辑。张楠：撰写——审阅与编辑。王照文：撰写——审阅与编辑。宋子曼：撰写——审阅与编辑。李晨宇：撰写——审阅与编辑。蔡新晨：撰写——
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了中国科学院的战略重点研究计划（资助编号XDB0750400）和国家自然科学基金（编号42177063和42577109）的财政支持。作者王珊云和朱贵兵衷心感谢中国科学院青年创新促进协会的支持。
