甲酸对AOB 及NOB 关键酶活性影响的MOE 模拟

李娜 林星月 邓一兴 李国德 武士威 胡筱敏 代岚

（1. 沈阳师范大学实验教学中心，辽宁沈阳 110034；2. 沈阳师范大学科研处，辽宁沈阳 110034；3. 东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110004；4. 沈阳师范大学粮食学院，辽宁沈阳 110034）

1 引言

短程硝化在降低污水处理费用的同时使低碳氮比废水的高效脱氮成为可能，但短程硝化反硝化的影响因素有很多，实际应用中单一因素的控制很难实现亚硝氮的积累，增加了短程硝化反硝化实现的难度。甲酸为挥发性脂肪酸，目前已有研究者研究了挥发性脂肪酸对硝化反应的抑制作用，但大多是将挥发性脂肪酸作为碳源进行研究［1-2］，在污水处理过程中，通过投加甲酸控制短程硝化的研究未见报道。挥发性脂肪酸作为碳源时对硝化反应抑制作用的研究［1-2］表明，甲酸作为控制短程硝化的抑制剂原理上分析是可行的，但尚未有相关研究。本研究采用MOE（分子操作环境）作指导，分析甲酸对AOB（氨氧化菌）及NOB（亚硝酸盐氧化菌）关键酶活性的影响，探索甲酸对短程硝化控制的可行性。

2 MOE 模拟方法

MOE 是由Chemical Computing Group（化学计算集团公司）公司推出的，其可应用于生物信息学、高通量研究、蛋白质模拟、分子模拟等领域。通过MOE 进行分子对接可直观地了解蛋白质与小分子的相互作用［3］。甲酸的2D分子结构通过ChemDraw 2004（CS Chemoffice 2004）制得，然后导入MOE 软件得到甲酸的3D 结构。AOB 氨单加氧酶（AMO，PDB ID：4O65），AOB 羟胺氧化还原酶（HAO，PDB ID：4N4N），反硝化菌的亚硝酸盐还原酶（Nir-Cu，PDB ID：1sjm）的X 射线晶体结构从Research Collaboratory for Structural Bioinformatics（RCSB，结构生物信息学研究联合实验室）的Protein Data Bank（PDB）数据库中获得［4］。NOB 氧化还原酶（NXRβ）的3D 模型由SWISS-MODEL（蛋白质结构预测）模拟得到［5］。

3 结果与讨论

3.1 甲酸与4 种关键酶的对接结果分析

AMO 和HAO 几乎是所有AOB 的关键酶，主导了整个细菌的代谢过程，Nir-Cu 是反硝化菌的关键酶，主导了反硝化菌的代谢过程，可从RCSB 的PDB数据库中获得它们的X 射线晶体结构。NXR 是NOB的关键酶，但是目前其X 射线的晶体结构还未得到，因β亚基是它的主要功能结构，所以通过SWISSMODEL 模拟了它的β 结构。甲酸的2D 分子结构通过ChemDraw 2004（CS Chemoffice 2004）制得，然后导入MOE 软件得到甲酸的3D 结构。

甲酸与4 种关键酶的对接情况如图1 所示，关键酶只显示氨基酸骨架结构。选取甲酸与4 种酶对接时结合键最为牢固的情况进行比对，从模拟角度看，甲酸对AOB 和NOB 的影响是促进作用的强弱不同，其对AOB 促进作用最强，其次是反硝化菌，对NOB 的促进作用最弱。由此推断有甲酸存在的情况下，AOB 与反硝化菌可能会逐渐增长并成为优势菌种。这一结论还需进一步实验进行验证。

图1 甲酸与4 种关键酶的对接情况

3.2 甲酸对微生物群落结构的影响

为进一步验证MOE 模拟结果，在运行稳定的MBBR 中进行投加甲酸控制短程硝化实验研究，投加甲酸30 d 装置中三氮浓度变化如图2 所示。

图2 投加甲酸时三氮浓度随时间的变化情况

由图2 可以看出，投加甲酸后出水亚硝氮浓度逐渐增加，10 d 后亚硝氮积累趋于稳定。稳定运行后亚硝氮积累率最高达到89.71%，平均亚硝氮积累率由23.71%增加到76.03%。氨氮去除率在投加甲酸初期有所下降，运行稳定后平均氨氮去除率为99.31%，运行稳定后甲酸的投加对氨氮的去除没有影响。

对未投加甲酸和投加甲酸20 d 的微生物进行高通量测序分析，结果如图3 所示。从微生物群落分析结果可以看出，投加甲酸20 d 的微生物高通量测序分析中出现了亚硝化菌nitrosomonas 以及有反硝化作用的thermomonas［6］，这一结果与MOE 模拟分析结果一致。

图3 样品微生物群落结构分析

4 结论

甲酸与AMO，HAO，NXR 及Nir 的MOE 分子模拟结果表明，有甲酸存在的情况下，AOB 与反硝化菌会逐渐增长并成为优势菌种，这一结果与投加甲酸后反应器中微生物群落结构分析结果一致。