在不同溶解氧条件下，选择性富集的 comammox Nitrospira 纳尔莫氏菌和氨氧化细菌对氨及铜饥饿的差异反应

《Bioresource Technology》：Differential responses of selectively enriched comammox Nitrospira and ammonia-oxidizing bacteria to ammonia and copper starvation under contrasting dissolved oxygen conditions

　　

Bowen Wang|Zimin Chai|Jin Chen|Lin Bo|Ziyan Xia|Jiaqi Cui|Maosheng Zheng

教育部资源与环境系统优化重点实验室，华北电力大学环境科学与工程学院，北京102206，中国

摘要

阐明氨氧化微生物（AOMs）对营养匮乏的响应机制对于确保废水处理过程中硝化作用的稳定性至关重要。虽然氨氧化细菌（AOB）的响应已经得到了广泛研究，但新发现的氨氧化微生物群落——完全氨氧化菌（comammox）在营养受限条件下的生理韧性仍不甚明了。本研究通过两个序列化批次反应器（SBRs），在对比不同的溶解氧（DO）环境下（<0.5 mg/L 对比 >6.0 mg/L）从活性污泥中选择性富集comammox和AOB，并系统评估了它们在氨和铜饥饿条件下的响应。在低DO环境下，comammox占主导地位，其amoA基因的丰度是AOB的2–28倍，这归因于它们较高的氧亲和力（K_m(app) = 7.31 ± 0.25 μmol/L）。相比之下，在高DO环境下AOB占优势，这与它们的r-策略特征一致。氨饥饿导致两个反应器中的氨氧化和亚硝酸盐氧化活性恢复时间均延长，表明氨氧化的恢复速度比亚硝酸盐氧化快。铜饥饿对AOB和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）的抑制作用更强，在以AOB为主的反应器中导致亚硝酸盐大量积累，而在以comammox为主的系统中则基本保持了完全硝化。批量活性测定、氧动力学和微生物群落分析共同表明，comammox在寡营养、铜限制和微好氧条件下仍能保持竞争优势。这些发现揭示了comammox的细胞内耦合作用是其关键结构优势，能够避免典型硝化菌共生理失败的风险，从而确保在寡营养和金属限制环境下的过程稳定性。

引言

硝化作用是全球氮循环中最基本的过程之一，在自然生态系统和人工环境中都起着关键作用。过去数十年的大量研究推进了对这一过程的了解，该过程分为两个阶段：氨氧化和亚硝酸盐氧化。第一阶段由氨氧化微生物（AOMs）完成，包括氨氧化细菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）以及最近发现的完全氨氧化菌（comammox）（Daims et al., 2015, Martin et al., 2005, van Kessel et al., 2015）。随后亚硝酸盐氧化为硝酸盐主要依靠亚硝酸盐氧化细菌（NOB）进行（Pester et al., 2014）。AOMs存在于多种自然系统中，如河流、地下水沉积物、土壤以及废水处理厂和水产养殖系统等人工生态系统，在这些系统中它们的代谢活动对去除水生和陆地环境中的氮至关重要（Chai et al., 2025, Xia et al., 2018, Zheng et al., 2023）。在这些人工系统中，功能性微生物经常面临周期性基质匮乏的情况，例如由于进水特性变化或间歇性操作策略导致氨负荷或溶解氧（DO）供应波动（di Biase et al., 2022, Geets et al., 2006）。尽管典型AOB和AOA在饥饿压力下的生理衰退和恢复动力学已有详细记录（French and Bollmann, 2015, Liu et al., 2017），但comammox的生态韧性仍不够明确。鉴于comammox细菌在高效低DO流程中被越来越认为是主要的硝化菌（Kits et al., 2017, Roots et al., 2019, Zheng et al., 2023），确定它们在营养中断下的生存能力对于预测过程稳定性至关重要。因此，了解它们的生存机制对于预测下一代硝化过程的稳定性至关重要。

已经对AOB在不同饥饿条件下的活性和衰退行为进行了广泛研究，结果表明氨饥饿显著影响AOMs的活性和恢复能力（Elawwad et al., 2013, Liu et al., 2017）。例如，在间歇性氨供应下，饥饿后立即有80%的氨氧化能力得到恢复，19天内完全恢复（>95%）。相比之下，在无进水无曝气的条件下，恢复期需要35天，表明AOB的活性可以完全恢复，且恢复时间取决于所采取的饥饿策略（di Biase et al., 2022）。长时间氨饥饿会加剧AOB的生长抑制，并在低温下导致功能性微生物种群丧失，即使温度升高后也需要更长的恢复期（Ren et al., 2024）。使用富集了AOA和AOB的培养物研究表明，在50天的饥饿期间，AOA的amoA mRNA仍可检测到，而AOB的amoA mRNA在10天后迅速消失（French and Bollmann, 2015）。

除了大量元素外，微量元素的可用性也影响微生物活性。其中，铜对AOMs尤为重要。尽管其他金属（如铁）对电子传输也是必需的，但铜是氨单加氧酶（AMO）的特异性催化辅因子（Amin et al., 2013, Shafiee et al., 2021）。因此，与其他微量元素不同，铜的可用性直接决定了硝化作用第一阶段的动力学极限。最新研究表明，不同的铜亲和力驱动了AOA和AOB之间的生态位分化（Koike et al., 2022, Wagner et al., 2019, Wagner et al., 2016）。例如，AOA可以在比AOB低几个数量级的铜浓度下维持生长（Shafiee et al., 2021）。转录组分析显示，在铜限制条件下，土壤中的AOA Nitrososphaera viennensis上调了编码可能与铜结合和吸收相关的蛋白质的基因，如铜螯合剂和转运基因copC/D、二硫键氧化还原酶D（dsbD）和多铜氧化酶，以维持正常的生理活性（Reyes et al., 2020）。然而，尚不清楚comammox是遵循AOB的高铜需求r-策略还是AOA的高亲和力K-策略。尽管实地研究表明土壤生态系统中的comammox群落结构对地球化学变化和金属可用性敏感（Gao et al., 2023, Xu et al., 2020），但在人工系统中铜饥饿对其活性和恢复的直接生理影响仍不清楚。阐明这一点至关重要，因为铜限制是水处理中普遍存在但常被忽视的压力因素。

为了填补这些具体的生理学空白，建立comammox相对于AOB的特异性铜生态位，并验证其完全硝化途径在代谢解偶联条件下的稳健性，本研究在对比不同的溶解氧条件下使用序列化批次反应器（SBRs）选择性地富集comammox和AOB群落。研究目标是：（i）利用定量聚合酶链反应（qPCR）量化氨和铜饥饿条件下comammox和AOB种群的衰退和恢复；（ii）通过批量活性测定和微呼吸代谢氧动力学测量阐明功能恢复模式和主导的AOMs；（iii）评估微生物群落演替，以揭示在不同饥饿压力下的竞争机制。这项工作为comammox的生态韧性提供了新的见解，为优化营养和金属限制条件下的高效硝化系统稳定性提供了理论基础。

部分摘录

反应器设置和操作

两个SBRs，分别命名为R1和R2，并行操作，每个的有效体积为2.5 L（见补充材料）。从北京小花河污水处理厂的好氧池收集活性污泥并接种到两个反应器中，使初始混合液悬浮固体（MLSS）浓度约为2000 mg/L。合成废水通过蠕动泵从顶部加入反应器，处理后的出水从

反应器的氨氧化性能

图1展示了两个反应器在四个阶段中进水和出水中NH₄⁺-N、NO₂^?-N和NO₃^?-N浓度的变化情况。在第一阶段（第1-66天），两个反应器都供应了完整的培养基成分，进水NH₄⁺-N浓度平均为20.1 ± 1.3 mg/L。R2几乎立即实现了完全的铵去除，前66天内保持稳定的去除效率（ARE = 97.6 ± 5.0%）。这种性能反映了

结论

本研究强调了AOB和comammox在应对氨和铜饥饿时在溶解氧不同的条件下的生态和功能差异。氨饥饿导致两种系统中氨氧化和亚硝酸盐氧化之间的解耦，突出了亚硝酸盐氧化在恢复期间的脆弱性。铜饥饿对以AOB为主的系统有强烈的抑制作用，导致亚硝酸盐持续积累，而完全硝化

CRediT作者贡献声明

Bowen Wang：撰写——原始草案、研究、概念化。Zimin Chai：软件开发、数据分析。Jin Chen：研究、数据管理。Lin Bo：数据分析、数据管理。Ziyan Xia：可视化、数据管理。Jiaqi Cui：软件开发、方法论。Maosheng Zheng：撰写——修订与编辑、资源管理、项目协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号41701278）的支持。