环境中过量的氮、砷（As）及芳香化合物会造成污染。氮污染已成为目前最为严重的环境问题之一。生物修复法因其除氮效率高和环境友好型等特性被广泛应用,而异养硝化-好氧反硝化细菌的出现使得氮污染的治理更加高效便捷。但是,目前许多生物除氮过程是在中性或弱碱性条件,对溶氧量要严格或对亚硝酸盐去除率偏低。砷是一种剧毒的类金属,环境中主要以亚砷酸盐[Arsenite,As（Ⅲ）]和砷酸盐[Arsenate,As（Ⅴ）]的形式存在。其中,As（Ⅲ）毒性强,且不易被吸附去除;As（Ⅴ）毒性较弱,且易被吸附去除。因此,将能将As（Ⅲ）氧化为As（Ⅴ）的砷氧化菌对于环境解毒及砷的污染治理都有着非常重要的意义。苯甲酸和羟基苯甲酸是一类被广泛利用的芳香化合物,有些微生物可利用其为碳源和能源进行生长而将其降解为无毒的小分子物质。过量的氮、砷及芳香化合物有时会共存,但利用微生物制剂对其同时去除还未见研究,其微生物共代谢机制也不清晰。本研究发现了一株能够同时除氮、氧化As（Ⅲ）和降解芳香化合物的细菌,鉴定命名为氢噬胞菌H7（Hydrogenophaga sp.H7）,通过微生物分析、化学分析、基因敲除与回补、蛋白质组学、实际废水或模拟废水污染物去除实验等,对其除氮、As（Ⅲ）氧化和芳香化合物降解的特征及其相互之间的关联机制开展了研究。1.氢噬胞菌H7是一株异养硝化-好氧反硝化细菌,能氧化As（Ⅲ）至As（Ⅴ）,As（Ⅴ）通过添加三价铁离子而去除,其还能降解苯甲酸、3-羟基苯甲酸（3-HBA）和4-羟基苯甲酸（4-HBA）。菌株H7还能同时进行除氮、砷氧化和降解3-HBA或4-HBA。本研究对一株分离至铜铁矿土壤的氢噬胞菌H7开展了研究。发现该菌株为革兰氏阴性菌、能运动、杆状、兼性厌氧,其基因组大小为4.59 Mb,G+C含量为67.7%,有4,207个编码蛋白序列。菌株H7能够氧化毒性强的As（Ⅲ）至毒性弱的As（Ⅴ）,As（Ⅴ）可以通过添加FeCl3而去除。同时发现H7菌能降解苯甲酸、3-羟基苯甲酸（3-HBA）和4-羟基苯甲酸（4-HBA）,其还是一株异养硝化-好氧反硝化细菌。在模拟As（Ⅲ）污染的湖水中,加入3-HBA或者4-HBA（3-/4-HBA）作为碳源可形成复合污染的湖水。模拟污水中不加菌株H7时,As（Ⅲ）不能被氧化为As（Ⅴ）,加入加FeCl3只能去除一半左右的As（Ⅲ）且对3-/4-HBA无作用;加入菌株H7时,其在28 h内完全降解250 mg/L 3-/4-HBA,并在此过程中将30 mg/L As（Ⅲ）氧化为As（Ⅴ）,随后As（Ⅴ）被FeCl3完全去除。这表明菌株H7结合FeCl3对As（Ⅲ）及3-/4-HBA复合污染具有良好的应用潜能。本研究发现菌株H7能够分别进行除氮、氧化As（Ⅲ）和降解苯甲酸、3-HBA和4-HBA后,我们以NO3--N为唯一氮源,3-HBA或4-HBA为唯一碳源,检测了菌株H7同时脱氮、降解3-/4-HBA和氧化As（Ⅲ）的能力。经研究发现,菌株H7能在20 h内能完全降解500 mg/L 3-/4-HBA,并将30 mg/L As（Ⅲ）氧化为As（Ⅴ）;于此同时,菌株H7对NO3--N的去除率为和TN的去除率分别为99.5%和95.2%（3-HBA为碳源）[99.1%和96.2%（4-HBA为碳源）]。该结果表明菌株H7能够同时进行除NO3--N、氧化As（Ⅲ）和降解3-/4-HBA,菌株H7可作为潜在的修复以上化合物复合污染的生物材料。2.菌株H7对低浓度含氮污染废水具有高效除氮能力对菌株H7的硝化和反硝化性能进行研究得出以下结论:A.单因素实验表明菌株H7硝化和反硝化的最佳条件为葡萄糖为碳源,C/N为5,温度为28℃,pH为8.0,且转速不超过200 rpm时对其几乎无影响,这表明菌株H7在除氮时对溶氧量要求不严苛,适应性更广;B.pH为10.0时,菌株H7生长不受影响且其对NH4+-N、NO3--N和NO2--N的去除率均超过97.3%,这表明菌株H7能够应用在偏碱性环境中除氮;C.当分别以NH4+-N、NO3--N和NO2--N为唯一氮源时,菌株H7在20 h内对其的去除率分别为99.50%、99.82%和100%;当以NH4+-N+NO3--N（或者NH4+-N+NO2--N）为混合氮源进行同步异养硝化-好氧反硝化实验时,菌株H7对NH4+-N和NO3--N（或者NH4+-N和NO2--N）去除率分别为99.67%和100%（或者99.53%和100%）,菌株H7在除氮过程中均能够完全去除NO2--N;D.在实际低浓度氮污染废水中,菌株H7在16 h内能够去除98.3%NH4+-N（20.2 mg/L）、98.0%NO3--N（12.3 mg/L）和 95.0%总氮（TN）（35.6 mg/L）,这说明菌株H7对此低浓度氮污染废水的治理有良好的应用潜能。3.As（Ⅲ）氧化与反硝化及As（Ⅲ）氧化与3-/4-HBA降解之间的关联机制As（Ⅲ）氧化、反硝化及芳香化合物降解均为氧化还原反应。我们发现加入NO3--N能够促进菌株H7的As（Ⅲ）氧化;不加As（Ⅲ）时菌株H7在反硝化除NO3--N过程中生成大量NO2--N,而在加As（Ⅲ）时菌株H7则几乎无NO2--N的积累。该结果表明菌株H7中As（Ⅲ）可能促进了硝酸盐还原的产物NO2--N的还原。此外,一方面,我们还发现无As（Ⅲ）时,菌株H7降解250 mg/L 3-/4-HBA需要20 h,而在有As（Ⅲ）时,其降解250 mg/L 3-/4-HBA需要16 h;另一方面,在无3-/4-HBA时,菌株H7能在16 h内氧化30 mg/L As（Ⅲ）,而有3-/4-HBA时,菌株H7氧化30 mg/L As（Ⅲ）分别需要20 h（3-HBA）和24 h（4-HBA）。该结果表明菌株H7中加入As（Ⅲ）能够促进3-/4-HBA的降解,而3-/4-HBA则会使As（Ⅲ）氧化延迟。4.As（Ⅲ）促进4-HBA的降解是因为其选择了儿茶酚2,3双加氧酶降解路径。为了进一步研究As（Ⅲ）促进菌株H7降解3-/4-HBA的机制,分析菌株H7的基因组,其含有砷氧化/抗性相关基因以及3-/4-HBA可能的降解代谢通路（原儿茶酸4,5双加氧酶降解代谢路径和儿茶酚2,3双加氧酶降解代谢路径）。比较蛋白质组学结合酶活实验结果显示在无As（Ⅲ）时菌株H7降解4-HBA是通过原儿茶酸4,5双加氧酶降解代谢路径;而在有As（Ⅲ）时,菌株H7可以通过原儿茶酸4,5双加氧酶和儿茶酚2,3双加氧酶降解代谢路径降解4-HBA。此外,加入As（Ⅲ）时,菌株H7在降解4-HBA时能产生更多的能量物质NADH,而该NADH可由儿茶酚2,3双加氧酶降解代谢路径的表达和/或As（Ⅲ）氧化产生。对儿荼酚2,3双加氧酶降解路径的关键酶儿茶酚2,3双加氧酶基因dmpB和As（Ⅲ）氧化酶小亚基aioB分别进行敲除,在dmpB突变株中,加As（Ⅲ）促进4-HBA降解的表型消失且在其互补株dmpB-C中表型回复;但是在aioB突变中,As（Ⅲ）仍然能促进4-HBA的降解,这就进一步证实菌株H7中加As（Ⅲ）促进4-HBA的降解是主要是因为加As（Ⅲ）时菌株H7降解4-HBA可以通过儿茶酚2,3双加氧酶降解路径。综上所述,本研究鉴定到了一株异养硝化-好氧反硝化细菌氢噬胞菌H7,其能高效除NH4+-N、NO3--N和NO2--N,特别是对NO2--N,其在偏碱性环境中仍然有很高的除氮效率且对溶氧量要求不严苛。在低氮浓度污染的废水中,菌株H7仍然具有很好的除氮效果。菌株H7是首例被报道能够同时除氮、氧化As（Ⅲ）和降解芳香化合物的细菌,其氧化后的As（V）可以利用添加FeCl3去除。研究还发现菌株H7中的NO3--N可以促进As（Ⅲ）氧化而As（Ⅲ）氧化则可能促进了NO3--N还原的产物NO2--N的还原。此外,本研究还首次发现了 As（Ⅲ）能够促进芳香化合物的降解并对其中的机制进行了阐明。