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为了解决长期太空飞行或者载人航天器内的物质供应和废物处理问题，美国国家航空航天局(NASA)在20世纪70年代提出了受控生态生命保障系统(Controlled Ecological Life Support System，CELSS)这一概念。本文以CELSS中废水的脱氮处理为目标，基于构建一体式脱氮反应器的目的，筛选具有异养硝化-好氧反硝化功能的微生物，并初步探讨该微生物在模拟微重力条件下的适应性。
本研究从实验室的菌种资源出发，通过初筛和复筛，获得一株异养硝化-好氧反硝化菌株L7，通过菌落形态、生理生化特性和16S rRNA基因序列测定与系统发育分析，鉴定菌株L7为Bacillus methylotrophicus。单因素实验确定菌株L7进行异养硝化的最适条件为碳源丁二酸钠，C/N为6，初始pH7-8，盐度为0 g/L NaCl，最适温度为37℃，在氨氮浓度为80-1000 mg/L的培养基中都有较好的去除效果。最适条件下菌株L7对氨氮(初始浓度为146.71 mg/L)的去除率在14 d内可达到85.02％，并且有较少的亚硝态氮积累(0.06 mg/L)。菌株L7还具有较好的好氧反硝化功能，可以NO2-和NO3-为底物进行好氧反硝化。以NO2-为底物，正交实验确定菌株L7进行好氧反硝化的最适条件是C/N为20，盐度为10 g/LNaCl，初始pH为7，转速50 r/min。最适条件下菌株L7对水中亚硝态氮(初始浓度为68.80 mg/L)的去除率可达到34.78%。采用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)，气相色谱-稳定同位素比质谱(GC-IRMS)等精确的检测手段，以15N稳定同位素分别标记培养底物NH4+，NO2-，NO3-，对好氧反硝化的气态产物N2O和N2进行了检测。结果表明，菌株L7可以利用NH4+和NO3-进行硝化，反硝化产生N2O，利用NO2-可产生N2和N2O，实现废水中氮素的彻底去除，具有很高的实际应用价值，同时也为更深入地了解该菌株的硝化-反硝化途径提供了理论依据。采用美国国家航空航天局(NASA)研制的旋转细胞培养系统模拟微重力条件，研究菌株L7在模拟微重力条件下的生长特性，硝化-反硝化特性以及产淀粉酶、蛋白酶特性的变化。结果表明，模拟微重力条件下菌株L7在LB培养基中的生长明显优于正常重力，不但延滞期缩短，对数生长期延长(从2h到4h)，而且菌体生长量OD600达到了0.63，约为正常重力下的3倍(0.24)，这与目前大多数文献的报道是一致的。菌株L7的异养硝化特性受模拟微重力的影响较小，2种条件下培养4d，氨氮去除率均约为54.00%；但模拟微重力下亚硝态氮的积累量仅为0.09 mg/L，明显小于正常重力下的0.26 mg/L，可能是在模拟微重力条件下菌株的好氧反硝化作用较强，将亚硝态氮进一步转化为气态氮化物，这将有利于CELSS中的氮素循环和大气平衡。进一步的实验证明，模拟微重力的确对菌株L7的好氧反硝化性能具有促进作用，菌株L7在模拟微重力条件下培养3d，对培养基中NO3--N和NO2--N的去除率分别可达到34.40%和17.62%，而正常重力下仅分别为21.70%和11.40%。此外，模拟微重力条件对菌株L7产酶能力稍有影响，该条件下淀粉酶和蛋白酶的产量仅稍高于正常重力下的产量。