Comammox全程氨氧化微生物的发现和确认（一）
硝化作用是全球氮素循环的重要过程，也是污水处理系统中去除氮素污染的重要方法。Winogradsky在1890年提出硝化作用由2种微生物分2步完成：氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacteria，AOB)利用氧气将氨氮氧化为亚硝酸盐，然后亚硝酸盐氧化菌(nitrite oxidizing bacteria，NOB)利用氧气将亚硝酸盐氧化为硝酸盐。
长期以来人们始终认为硝化作用由2种不同的细菌在有氧条件下完成，但是近年来有关氮素循环的研究取得重要进展，人们对微生物氮素代谢的认识不断深化。1995年厌氧氨氧化(anoxic ammonium oxidation，anammox)微生物的发现打破了氨氮只能在好氧条件下被氧化的固有认识，氨氮在缺氧条件下也可以被微生物所氧化；2005年氨氧化古菌(ammonia oxidizing archaea，AOA)的发现打破了AOB是唯一的氨氧化微生物(ammonium oxidizing microorganisms，AOM)的定论，细菌和古菌都可能驱动氨氧化过程。而近年来硝化作用是由微生物驱动的两步反应的认知也受到挑战。2015年，全程氨氧化(complete ammonia oxidation，comammox)微生物被发现和确认。与此同时，comammox菌在天然和人工环境中的分布及作用逐渐引起重视，comammox菌的生物特性及其与其他AOM的竞争关系逐渐受到关注。
1、Comammox微生物的发现和确认
全程氨氧化微生物具备独立将氨氮直接氧化为硝酸盐的能力，改变了“氨氧化和亚硝酸盐氧化是完全独立的2个过程”这一认识，重新定义了地球氮循环的关键过程(见图1)。
图1两步式和一步式氨氧化过程示意图
2015年，来自奥地利和荷兰的2个科研团队结合化学计量学分析和宏基因组学等多种技术，分别证实了comammox细菌的存在。
在北高加索地区的石油勘探井中采集了管壁上的生物膜，并在46℃恒温条件下培养。富集培养物可将氨氮氧化成硝酸盐，推测培养物中同时含有AOM和NOB。但使用荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization，FISH)和聚合酶链式反应(polymerase chain reaction，PCR)未在富集培养物中检测到AOB的氨单加氧酶基因(amoA)和AOA的16S rRNA基因，仅检测到隶属于Nitrospira属的NOB。因此推测该种Nitrospira可能具有氨氧化能力和亚硝酸盐氧化能力。故对富集培养物进行宏基因组测序，结果表明富集培养物中Nitrospira属相对丰度达68%~80%，而且功能基因分析结果表明该种属NOB不仅具有氧化亚硝酸盐的关键酶的基因——亚硝酸盐氧化还原酶基因(nxr)，还同时具有氧化氨氮的特征酶的基因——氨单加氧酶基因(amoA)和羟胺氧化还原酶基因(hao)。富集物中的NOB同时具有氨氮和亚硝酸盐氧化酶的编码基因，也表现出将氨氮转化为硝酸盐的活性，因此被认为是一种具有全程氨氧化功能的微生物，命名为Candidatus Nitrospira inopinata(Ca。N。inopinata)。
同一年，也报道了comammox微生物的存在。van Kessel等在水产养殖废水滴滤池处理系统中取污泥进行培养，培养基质为低质量浓度氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐，溶解氧始终低于0.1 mg/L。经过12个月富集，培养物表现出厌氧氨氧化活性，可同时去除氨氮和亚硝酸盐。但是荧光原位杂交显示污泥中主要微生物为Brocadia属的厌氧氨氧化菌，15%为Nitrospira属的NOB。低氧浓度下高丰度的Nitrospira较为少见，因此通过分子生物学技术进行进一步分析。结果表明系统中含有2种不同的Nitrospira种。2种Nitrospira高质量基因组草图中，除了含有亚硝酸盐氧化所必需的nxr基因，也都含有催化氨氧化过程的amoA和hao基因。因此这些Nitrospira物种也是一种具有全程氨氧化潜能的微生物，分别被命名为Candidatus Nitrospira nitrosa和Candidatus Nitrospira nitrificans。图2展示了目前已知全程氨氧化微生物的系统发育图。
图2 Comammox系统发育图
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