华中农业大学讯（通讯员 郑悦颖 王洁）近日，我校水产学院设施渔业何绪刚/侯杰团队于Water Research在线发表题为“Substrate-starved aeration drives convergent metabolic reprogramming for dissolved organic nitrogen removal”的研究论文。该研究通过精准调控微生物的代谢状态，实现了集约化养殖尾水深度处理中溶解性有机氮（DON）的高效削减，对优化尾水处理工艺、防控受纳水体富营养化具有重要意义。
水产养殖业的高速发展正持续加剧尾水排放压力。随着溶解性无机氮逐步得到有效控制，溶解性有机氮（DON）已成为养殖尾水中残留氮的主要存在形态。其中，微生物源DON（mDON）因其高度生物可利用性，被视为驱动水体富营养化的“隐形活性氮源”。相较于无机氮，mDON不仅更易被藻类快速吸收利用，显著增强其增殖速率，还可持续诱发水华暴发并加剧生态系统失衡。同时，DON还能为有害细菌与真菌提供持续营养供给，促进潜在致病微生物富集扩张，直接威胁养殖生物安全。此外，DON亦是含氮消毒副产物的重要前体，可在后续消毒过程中生成具有细胞毒性与遗传毒性的有害物质，对养殖动物健康及水环境安全构成叠加性长期风险。因此，DON已不再是尾水中的“残余污染物”，而正快速演变为制约养殖生产可持续性与水环境安全提升的关键瓶颈。
当前主流的DON控制策略多依赖微生物群落的长期驯化与定向重构，意在富集特定降解菌群。但群落重构过程耗时长、能耗高，而且在水质波动和温度变化等实际工况下，这种高度依赖特定菌群的方法效果很不稳定。事实上，微生物具有极强的代谢可塑性：群落结构不变时，代谢状态的转变也可改变DON的转化方向。
图1 通过调控微生物代谢状态的DON降解效果
针对上述难题，研究团队提出了“调控微生物代谢状态”降解DON的新策略。通过在污水处理工艺末端精准营造“好氧条件下，氨氮和碳源耗竭（substrate-starved aeration）”的特定环境，并结合宏转录组学与高分辨质谱等技术，系统分析了微生物代谢响应机制和出水DON分子组分的变化。研究发现，好氧条件下的氨氮和碳源耗竭状态是驱动溶解性有机氮代谢逆转的关键控制点，能直接诱导核心微生物发生趋同的代谢重编程——全面抑制合成路径，同时激活降解路径。这一调控方式无需添加化学药剂，也无需漫长的生物强化，仅通过控制反应条件即可稳定去除内源性和外源性DON，并优先清除类蛋白质、类脂质等高生物利用度组分，使出水藻类生长潜能大幅降低18%–48%。该发现挑战了“深度脱氮必须依赖群落演替”的传统认知，将“代谢状态调控”确立为低碳、稳定且易于推广的DON控制新策略，为从源头精准防控水体富营养化提供了可规模化应用的技术路径。
图2 DON降解前后藻类生物量对比
华中农业大学博士研究生郑悦颖和博士后王洁为论文共同第一作者，侯杰副教授和何绪刚教授为论文共同通讯作者。研究受到国家重点研发项目、国家自然科学基金、中国博士后科学基金和国家现代农业产业技术体系建设项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.126120
【英文摘要】
Dissolved organic nitrogen (DON) has become the dominant residual nitrogen form in effluents from advanced wastewater treatment systems, yet remains poorly controlled, posing an overlooked risk to downstream eutrophication. Here, we demonstrate that DON can be removed by steering microbial metabolic states rather than altering community composition. Substrate-starved aeration emerged as a critical control point, where aerobic conditions under simultaneous labile carbon and ammonium depletion shifted microbial systems from net DON production to consumption through convergent metabolic reprogramming. A 2 h substrate-starved aeration phase could suppress endogenous DON production by >80% and remove >60% of exogenous DON from municipal wastewater effluent without chemical addition, bioaugmentation, or prolonged acclimation. FT-ICR-MS further showed preferential elimination of bioavailable protein- and lipid-like DON fractions. Algal bioassays using Selenastrum capricornutum confirmed that DON removal reduced algal growth potential by 18-48%, highlighting the direct ecological relevance of this process. Together, these findings establish metabolic-state manipulation as a practical and scalable strategy for advanced DON control and highlight bioavailable DON as a critical but overlooked target in wastewater management.
审核人：何绪刚、侯杰
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