全程氨氧化微生物對污水生物脫氮的影響、研究方向（三）
4、Comammox對污水生物脫氮的影響
4、1 Comammox菌在污水處理系統(tǒng)中可能廣泛存在
硝化反應(yīng)是污水生物脫氮的關(guān)鍵步驟也是限速步驟，目前污水脫氮過程中硝化反應(yīng)仍被認(rèn)為是兩步反應(yīng)，對comammox菌的存在和影響的研究較少涉及。但是研究表明，comammox菌可能廣泛存在于污水生物脫氮系統(tǒng)中并起到重要作用。
從某污水處理廠的好氧反應(yīng)器中收集活性污泥和生物膜樣本，進(jìn)行宏基因組和16S rRNA基因高通量測序，發(fā)現(xiàn)2種與Ca。N。inopinata的amoA基因高度類似的基因。在利用SBR反應(yīng)器處理實(shí)際生物污水，長期低氧運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)comammox菌在硝化菌群中占主導(dǎo)地位。在接種活性污泥并在低DO濃度下運(yùn)行的生物反應(yīng)器系統(tǒng)中檢測到高濃度的comammox Nitrospira。而最近的動力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，comammox對氨的親和力超過普通的氨氧化微生物，導(dǎo)致其適應(yīng)高度貧營養(yǎng)環(huán)境生長。
4、2 Comammox與AOB的競爭及其對短程硝化工藝的影響
短程硝化工藝以硝化兩步反應(yīng)為理論基礎(chǔ)，通過強(qiáng)化AOB富集和NOB淘洗，將氨氮氧化為亞硝酸鹽而不進(jìn)一步氧化為硝酸鹽。基于短程硝化的脫氮工藝更加經(jīng)濟(jì)高效。目前短程硝化的理論和實(shí)踐都有廣泛的研究，在污水短程硝化脫氮工藝的啟動過程中，由于AOB的氧氣親和能力比NOB強(qiáng)，低溶解氧被認(rèn)為是抑制和淘洗NOB的有利條件。如圖4所示，隨著溶解氧降低，NOB逐漸淘洗，系統(tǒng)亞硝酸鹽積累率提高。
圖4 Comammox對短程硝化過程的潛在影響
城市污水短程硝化在低溶解氧也可能出現(xiàn)原因未知的破壞，這可能與comammox菌在低溶解氧下的富集有關(guān)。當(dāng)脫氮系統(tǒng)的氨氮進(jìn)一步降低，低氨氮低溶解氧的條件下，comammox菌相對于AOB具有競爭優(yōu)勢從而逐漸富集。Comammox菌將氨氮一步氧化為硝酸鹽，從而導(dǎo)致系統(tǒng)中亞硝酸鹽積累的破壞。Comammox對短程硝化過程的潛在影響如圖4所示。城市污水脫氮系統(tǒng)間歇性高溶解氧也是一種實(shí)現(xiàn)短程的可行方法，這可能也與comammox微生物的富集有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)中同時(shí)存在AOB和comammox微生物時(shí)，comammox微生物在低溶解氧下氧親和能力更強(qiáng)，氨氮將被氧化為硝酸鹽；而高溶解氧條件下AOB的相對活性更強(qiáng)，氨氮主要被氧化為亞硝酸鹽并產(chǎn)生積累，反而有利于短程硝化的實(shí)現(xiàn)。
Comammox功能微生物可能是K策略型的氨氧化菌。氨氮充足時(shí)，最大比生長速率低于AOB；氨氮不足時(shí)因其Km較小，可以比AOB達(dá)到更高的比生長速率，因此容易在低氨氮條件下富集。據(jù)此在高氨氮廢水處理系統(tǒng)中comammox往往不占據(jù)優(yōu)勢，對短程硝化影響較弱。但是對于低氨氮的城市污水處理中，comammox微生物的富集以及短程硝化的影響可能不容忽略，因此針對comammox菌的深入研究將豐富和完善目前的短程硝化理論，促進(jìn)短程硝化在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性。
4、3 Comammox菌與anammox菌的競爭及其對厭氧氨氧化脫氮工藝的影響
厭氧氨氧化脫氮工藝是目前生物脫氮研究的熱點(diǎn)，厭氧氨氧化菌可將氨氮和亞硝酸鹽直接轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓瑥亩@著降低生物脫氮過程的曝氣能耗和碳源需求。厭氧氨氧化脫氮一般基于短程硝化-厭氧氨氧化(partial nitrification/anammox，PN/A)工藝，如圖5(a)所示，PN/A工藝以顆粒污泥和生物膜為特征，AOB和anammox菌共同完成脫氮過程。圖5(b)展示了PN/A工藝中comammox可能產(chǎn)生的影響，在生物膜或顆粒污泥中，氨氮和DO濃度沿著生物膜深度逐漸降低，comammox菌因其適宜在低氨氮和低溶解氧條件下生長的特點(diǎn)，可逐漸富集并與AOB進(jìn)行底物競爭。部分氨氮直接被氧化成硝酸鹽，從而降低系統(tǒng)總氮去除率。
圖5 Comammox對PN/A工藝影響示意圖
目前普遍認(rèn)為NOB過度增殖并與anammox菌競爭底物亞硝酸鹽，是短程硝化厭氧氨氧化工藝出水硝酸鹽升高的主要因素。但是根據(jù)comammox菌適宜低氧和低氨氮環(huán)境的特點(diǎn)，對于PN/A工藝尤其處理低氨氮的城市污水時(shí)，存在comammox菌聚集并導(dǎo)致出水硝酸鹽升高的可能。van Kessel報(bào)道在厭氧氨氧化富集物中就發(fā)現(xiàn)了較高豐度的comammox，而以anammox富集物為種泥在低氨氮和低氧條件下培養(yǎng)，成功富集了comammox菌。以上報(bào)道表明了comammox菌在anammox體系中過量繁殖可能導(dǎo)致總氮去除率降低。
表2展示了不同碳固定途徑的單次固定過程中二氧化碳固定量及所需能量的對比。從碳固定途徑來看，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，二者細(xì)胞產(chǎn)率相近。Costa等研究了生長速率(growth rate)和生長量(growth yield)之間的權(quán)衡機(jī)制(trade-off)，結(jié)果表明短途代謝途徑微生物單位時(shí)間內(nèi)生長速率較高，而長線代謝途徑微生物在長期培養(yǎng)過程中的生長量更為顯著。尤其當(dāng)微生物可以在生物膜上緩慢增長時(shí)，其表現(xiàn)更為明顯。Comammox微生物和anammox菌都適宜生長在生物膜環(huán)境中，推測在PN/A工藝的生物膜中，comammox菌和anammox菌在細(xì)胞增殖方面互為競爭關(guān)系。但在城市污水處理過程中低氨氮濃度、低溶解氧濃度的環(huán)境下，comammox微生物在底物競爭力上更具優(yōu)勢，因此推測comammox菌增殖是城市污水PN/A脫氮工藝出水硝酸鹽升高的潛在原因之一。
表2不同碳固定途徑單次固定結(jié)果對比
目前報(bào)道PN/A工藝出現(xiàn)出水硝酸鹽升高的情況時(shí)，常伴隨Nitrospira的富集。厭氧氨氧化反應(yīng)器進(jìn)水含有微量氧氣，顆粒污泥中除了anammox菌，通常也能檢出豐度較高的Nitrospira。而對于顆粒污泥的PN/A工藝，Li等發(fā)現(xiàn)選擇性排放絮體污泥，會使得顆粒污泥中的Nitrospira豐度升高，而這些都可能與comammox菌的富集相關(guān)，有待于進(jìn)一步的深入研究。此外，新加坡樟宜污水處理廠報(bào)道低溶解氧條件下系統(tǒng)自養(yǎng)脫氮效果變差，可能與低氧條件下comammox微生物富集增殖并與anammox菌競爭底物氨氮有關(guān)。因此針對厭氧氨氧化脫氮工藝中comammox菌的分布和作用機(jī)制深入研究，有利于開發(fā)可同時(shí)控制comammox菌和NOB的生長的運(yùn)行策略，提高厭氧氨氧化尤其是城市污水厭氧氨氧化工藝的穩(wěn)定性。
4、4 Comammox在強(qiáng)化低氨氮去除工藝的應(yīng)用潛力
Comammox微生物將氨氮完全氧化為硝酸鹽的能力，可用于微污染水作為飲用水時(shí)的預(yù)處理。水源水中含有氨氮時(shí)需要經(jīng)濟(jì)高效去除，以便提高后續(xù)處理工藝的效率。生化處理是經(jīng)濟(jì)高效的氨氮去除工藝，但是氨氮不完全氧化引起的亞硝酸鹽積累，對水生生物和人類有潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)。在微污染水預(yù)處理反應(yīng)器中富集comammox菌，可以實(shí)現(xiàn)低溶解氧條件下氨氮的完全氧化，降低曝氣能耗的同時(shí)避免亞硝酸鹽的積累。Pinto等利用宏基因組學(xué)的方法，從美國Ann Arbor(MI，USA)飲用水處理廠活性生物濾池中取樣，組裝出能將氨氮完全氧化成硝酸鹽的Nitrospira細(xì)菌基因組，確認(rèn)其為comammox細(xì)菌。針對微污染水源水的處理，仍需進(jìn)一步研究適宜comammox細(xì)菌富集的反應(yīng)器形式和運(yùn)行條件。
5、研究方向與展望
1)針對comammox研究有賴于針對性檢測方法的開發(fā)。目前區(qū)分comammox Nitrospira和普通的Nitrospira的方法較為有限，主要是通過宏基因組學(xué)技術(shù)進(jìn)行環(huán)境基因序列測定和基因組裝，從而確定comammox細(xì)菌的存在。近年來針對comammox菌的amoA基因，科研工作者開發(fā)來多種特異性的引物，通過PCR測定或direct-gene FISH檢測comammox菌，但是方法靈敏度和準(zhǔn)確性仍有待于進(jìn)一步提高。
2)開發(fā)comammox菌的分離純化方法，對于研究其生理生態(tài)特征非常重要。采用無標(biāo)記細(xì)胞分選、光學(xué)鑷子、拉曼顯微光譜和微流體細(xì)胞分選等，在預(yù)富集的培養(yǎng)物中將Nitrospira細(xì)胞或克隆小菌落與其他異養(yǎng)菌分離，研究單細(xì)胞水平上的微生物生理學(xué)特征。
3)應(yīng)深入研究comammox對城市污水處理系統(tǒng)的影響。根據(jù)comammox菌更適宜低氨氮與低氧環(huán)境的特點(diǎn)，城市污水處理系統(tǒng)管道中comammox菌的分布以及其對系統(tǒng)脫氮及N2O排放的影響值得探究。而在城市污水PN/A工藝中，comammox菌在生物膜中會與anammox菌競爭底物并過度增殖，使系統(tǒng)總氮去除率降低。因此進(jìn)一步研究comammox菌在城市污水處理系統(tǒng)中的分布與作用，可提出控制系統(tǒng)中NOB和comammox菌生長的策略，從而提升城市污水處理系統(tǒng)的處理效果。此外，comammox微生物在自然環(huán)境和工程生態(tài)系統(tǒng)中分布以及其對氮循環(huán)的作用也需要進(jìn)一步研究。
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