全程氨氧化微生物对污水生物脱氮的影响、研究方向（三）
4、Comammox对污水生物脱氮的影响
4、1 Comammox菌在污水处理系统中可能广泛存在
硝化反应是污水生物脱氮的关键步骤也是限速步骤，目前污水脱氮过程中硝化反应仍被认为是两步反应，对comammox菌的存在和影响的研究较少涉及。但是研究表明，comammox菌可能广泛存在于污水生物脱氮系统中并起到重要作用。
从某污水处理厂的好氧反应器中收集活性污泥和生物膜样本，进行宏基因组和16S rRNA基因高通量测序，发现2种与Ca。N。inopinata的amoA基因高度类似的基因。在利用SBR反应器处理实际生物污水，长期低氧运行后发现comammox菌在硝化菌群中占主导地位。在接种活性污泥并在低DO浓度下运行的生物反应器系统中检测到高浓度的comammox Nitrospira。而最近的动力学研究发现，comammox对氨的亲和力超过普通的氨氧化微生物，导致其适应高度贫营养环境生长。
4、2 Comammox与AOB的竞争及其对短程硝化工艺的影响
短程硝化工艺以硝化两步反应为理论基础，通过强化AOB富集和NOB淘洗，将氨氮氧化为亚硝酸盐而不进一步氧化为硝酸盐。基于短程硝化的脱氮工艺更加经济高效。目前短程硝化的理论和实践都有广泛的研究，在污水短程硝化脱氮工艺的启动过程中，由于AOB的氧气亲和能力比NOB强，低溶解氧被认为是抑制和淘洗NOB的有利条件。如图4所示，随着溶解氧降低，NOB逐渐淘洗，系统亚硝酸盐积累率提高。
图4 Comammox对短程硝化过程的潜在影响
城市污水短程硝化在低溶解氧也可能出现原因未知的破坏，这可能与comammox菌在低溶解氧下的富集有关。当脱氮系统的氨氮进一步降低，低氨氮低溶解氧的条件下，comammox菌相对于AOB具有竞争优势从而逐渐富集。Comammox菌将氨氮一步氧化为硝酸盐，从而导致系统中亚硝酸盐积累的破坏。Comammox对短程硝化过程的潜在影响如图4所示。城市污水脱氮系统间歇性高溶解氧也是一种实现短程的可行方法，这可能也与comammox微生物的富集有关。当系统中同时存在AOB和comammox微生物时，comammox微生物在低溶解氧下氧亲和能力更强，氨氮将被氧化为硝酸盐；而高溶解氧条件下AOB的相对活性更强，氨氮主要被氧化为亚硝酸盐并产生积累，反而有利于短程硝化的实现。
Comammox功能微生物可能是K策略型的氨氧化菌。氨氮充足时，最大比生长速率低于AOB；氨氮不足时因其Km较小，可以比AOB达到更高的比生长速率，因此容易在低氨氮条件下富集。据此在高氨氮废水处理系统中comammox往往不占据优势，对短程硝化影响较弱。但是对于低氨氮的城市污水处理中，comammox微生物的富集以及短程硝化的影响可能不容忽略，因此针对comammox菌的深入研究将丰富和完善目前的短程硝化理论，促进短程硝化在实际应用中的稳定性。
4、3 Comammox菌与anammox菌的竞争及其对厌氧氨氧化脱氮工艺的影响
厌氧氨氧化脱氮工艺是目前生物脱氮研究的热点，厌氧氨氧化菌可将氨氮和亚硝酸盐直接转化为氮气，从而显著降低生物脱氮过程的曝气能耗和碳源需求。厌氧氨氧化脱氮一般基于短程硝化-厌氧氨氧化(partial nitrification/anammox，PN/A)工艺，如图5(a)所示，PN/A工艺以颗粒污泥和生物膜为特征，AOB和anammox菌共同完成脱氮过程。图5(b)展示了PN/A工艺中comammox可能产生的影响，在生物膜或颗粒污泥中，氨氮和DO浓度沿着生物膜深度逐渐降低，comammox菌因其适宜在低氨氮和低溶解氧条件下生长的特点，可逐渐富集并与AOB进行底物竞争。部分氨氮直接被氧化成硝酸盐，从而降低系统总氮去除率。
图5 Comammox对PN/A工艺影响示意图
目前普遍认为NOB过度增殖并与anammox菌竞争底物亚硝酸盐，是短程硝化厌氧氨氧化工艺出水硝酸盐升高的主要因素。但是根据comammox菌适宜低氧和低氨氮环境的特点，对于PN/A工艺尤其处理低氨氮的城市污水时，存在comammox菌聚集并导致出水硝酸盐升高的可能。van Kessel报道在厌氧氨氧化富集物中就发现了较高丰度的comammox，而以anammox富集物为种泥在低氨氮和低氧条件下培养，成功富集了comammox菌。以上报道表明了comammox菌在anammox体系中过量繁殖可能导致总氮去除率降低。
表2展示了不同碳固定途径的单次固定过程中二氧化碳固定量及所需能量的对比。从碳固定途径来看，anammox菌每固定1分子CO2需要消耗0.5分子ATP，comammox菌每固定1分子CO2需要消耗0.75分子ATP，二者细胞产率相近。Costa等研究了生长速率(growth rate)和生长量(growth yield)之间的权衡机制(trade-off)，结果表明短途代谢途径微生物单位时间内生长速率较高，而长线代谢途径微生物在长期培养过程中的生长量更为显著。尤其当微生物可以在生物膜上缓慢增长时，其表现更为明显。Comammox微生物和anammox菌都适宜生长在生物膜环境中，推测在PN/A工艺的生物膜中，comammox菌和anammox菌在细胞增殖方面互为竞争关系。但在城市污水处理过程中低氨氮浓度、低溶解氧浓度的环境下，comammox微生物在底物竞争力上更具优势，因此推测comammox菌增殖是城市污水PN/A脱氮工艺出水硝酸盐升高的潜在原因之一。
表2不同碳固定途径单次固定结果对比
目前报道PN/A工艺出现出水硝酸盐升高的情况时，常伴随Nitrospira的富集。厌氧氨氧化反应器进水含有微量氧气，颗粒污泥中除了anammox菌，通常也能检出丰度较高的Nitrospira。而对于颗粒污泥的PN/A工艺，Li等发现选择性排放絮体污泥，会使得颗粒污泥中的Nitrospira丰度升高，而这些都可能与comammox菌的富集相关，有待于进一步的深入研究。此外，新加坡樟宜污水处理厂报道低溶解氧条件下系统自养脱氮效果变差，可能与低氧条件下comammox微生物富集增殖并与anammox菌竞争底物氨氮有关。因此针对厌氧氨氧化脱氮工艺中comammox菌的分布和作用机制深入研究，有利于开发可同时控制comammox菌和NOB的生长的运行策略，提高厌氧氨氧化尤其是城市污水厌氧氨氧化工艺的稳定性。
4、4 Comammox在强化低氨氮去除工艺的应用潜力
Comammox微生物将氨氮完全氧化为硝酸盐的能力，可用于微污染水作为饮用水时的预处理。水源水中含有氨氮时需要经济高效去除，以便提高后续处理工艺的效率。生化处理是经济高效的氨氮去除工艺，但是氨氮不完全氧化引起的亚硝酸盐积累，对水生生物和人类有潜在的健康风险。在微污染水预处理反应器中富集comammox菌，可以实现低溶解氧条件下氨氮的完全氧化，降低曝气能耗的同时避免亚硝酸盐的积累。Pinto等利用宏基因组学的方法，从美国Ann Arbor(MI，USA)饮用水处理厂活性生物滤池中取样，组装出能将氨氮完全氧化成硝酸盐的Nitrospira细菌基因组，确认其为comammox细菌。针对微污染水源水的处理，仍需进一步研究适宜comammox细菌富集的反应器形式和运行条件。
5、研究方向与展望
1)针对comammox研究有赖于针对性检测方法的开发。目前区分comammox Nitrospira和普通的Nitrospira的方法较为有限，主要是通过宏基因组学技术进行环境基因序列测定和基因组装，从而确定comammox细菌的存在。近年来针对comammox菌的amoA基因，科研工作者开发来多种特异性的引物，通过PCR测定或direct-gene FISH检测comammox菌，但是方法灵敏度和准确性仍有待于进一步提高。
2)开发comammox菌的分离纯化方法，对于研究其生理生态特征非常重要。采用无标记细胞分选、光学镊子、拉曼显微光谱和微流体细胞分选等，在预富集的培养物中将Nitrospira细胞或克隆小菌落与其他异养菌分离，研究单细胞水平上的微生物生理学特征。
3)应深入研究comammox对城市污水处理系统的影响。根据comammox菌更适宜低氨氮与低氧环境的特点，城市污水处理系统管道中comammox菌的分布以及其对系统脱氮及N2O排放的影响值得探究。而在城市污水PN/A工艺中，comammox菌在生物膜中会与anammox菌竞争底物并过度增殖，使系统总氮去除率降低。因此进一步研究comammox菌在城市污水处理系统中的分布与作用，可提出控制系统中NOB和comammox菌生长的策略，从而提升城市污水处理系统的处理效果。此外，comammox微生物在自然环境和工程生态系统中分布以及其对氮循环的作用也需要进一步研究。
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