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传统反硝化作用对溶解氧浓度条件的严格要求正在不断限制其应用发展。由于硝化作用和反硝化作用之间对环境条件需求的冲突,导致生物脱氮过程始终无法实现时间或空间上的统一。好氧反硝化作为新兴的生物脱氮技术,凭借其对溶解氧具有广泛的耐受性,为硝化和反硝化作用的统一提供了潜在可能。尽管好氧反硝化技术在经历了30多年的研究发展,但目前仍存在诸多黑箱问题从而减慢了该技术的孵化速度,例如:缺失分子生物学层面的机制解析、影响效能发挥的因素复杂且无具体调控方法、对混合氮源（氨氮、硝氮、亚硝氮）的去除途径不清晰且没有掌握微生物代谢途径转换的可控节点等。通过对好氧反硝化菌Pseudomonas stutzeri T13的前期研究发现,菌株的氮代谢途径（氨氮代谢、硝氮代谢）仍然尚不清晰,且在菌株进行好氧反硝化过程中会出现严重的亚硝酸盐积累问题。本文针对该问题继续展开了深入的研究。从机理研究入手,解析了菌株T13进行好氧反硝化作用的分子生物学机制,揭示了菌株对不同氮素（氨氮、硝氮）的多种代谢途径。基于此,提出了控制代谢过程中亚硝酸盐积累的控制方法。开展了好氧反硝化作用的分子生物学机制研究。对菌株T13的全基因组进行测序分析,从基因组中共找到了10种相关硝酸盐代谢的催化酶的编码基因,包括周质硝酸盐还原酶编码基因nap AB、异化亚硝酸盐还原酶编码基因nir K和nir S、一氧化氮还原酶编码基因nor BC-1和nor BC-2、一氧化二氮编码基因nos Z、呼吸硝酸盐还原酶编码基因nar GHI、同化硝酸盐还原酶编码基因nas AB、同化亚硝酸盐还原酶编码基因nir BD-1和nir BD-2。经过KEGG数据库比对,预测出菌株可实现的完整的硝酸盐代谢途径包括:好氧反硝化途径、缺氧反硝化途径和DNRA途径。利用RT-qPCR技术对这10个基因在不同氮代谢条件下的转录情况进行相对定量分析,发现参与好氧反硝化作用的主导功能基因为nap AB、nir K、nor BC-2和nor Z,而nor Z相对较低的转录效率可能会导致N2O代替N2作为好氧反硝化作用的最终产物。在以硝酸盐作为唯一氮源的条件下,DNRA途径可帮助菌株将硝酸盐转化为有效氮源进行生长。然而,氨氮作为氮源的加入会抑制菌株启动DNRA途径。利用氮平衡计算方法分析了菌株在不同氮源或电子受体（氨氮、硝酸盐、氨氮+硝酸盐）条件下的对不同氮素的转化途径。氨氮代谢过程的氮平衡计算结果表明,菌株对氨氮的利用完全是依靠同化作用。氮负荷和C/N是影响菌株对氨氮同化效率的关键影响因子,在C/N为10,初始氨氮浓度约为100 mg/L的条件下可实现99%的氨氮同化利用效率。在以硝酸盐作为唯一氮源的条件下,菌株利用DNRA途径将硝酸盐转化为氨氮从而获取有效氮源,在有氧呼吸的基础上利用好氧反硝化途径为微生物生长提供额外能量。该条件下,DNRA和好氧反硝化途径对硝酸盐的转化率分别为46.44%和53.56%。相比之下,当环境中有充足的氨氮存在时,菌株不再需要启动DNRA途径获取氮源,因此硝酸盐仅作为电子受体参与好氧反硝化作用,且实现了79.51%的总氮去除率。研究了菌株T13进行好氧反硝化过程中亚硝酸盐积累问题的本质原因。以强化亚硝酸盐还原酶量和酶活性、优化反应动态平衡为指导核心,以调控溶解氧、初始氮浓度和生物量的方式对好氧反硝化过程中硝酸盐还原作用和亚硝酸盐还原作用进行效率平衡优化,从而改善亚硝酸盐积累的问题。高浓度溶解氧对硝酸盐还原作用的影响不大,却对亚硝酸盐还原作用有明显抑制作用,通过溶解氧调控和固定化技术调控方式可以分别在时间和空间上强化亚硝酸盐还原作用,使总氮去除率提高至80.6%和44.4%。在特定条件下,通过降低硝氮浓度至100 mg/L可以有效减少还原产物-亚硝酸盐的最大积累量,间接降低亚硝酸盐的生物毒性和底物抑制作用,使亚硝酸盐积累率降低至29%,提高总氮去除率至71.4%。提高氨氮供给量至100 mg/L,强化了菌株对氨氮的同化效率,且将硝酸盐向好氧反硝化途径的分配率从76.4%提高至100%,有效的将亚硝酸盐积累率从67.1%降低至35.8%,好氧反硝化脱氮率从9.3%提高至64.2%。