全程氨氧化微生物對(duì)污水生物脫氮的影響、研究方向（三）
4、Comammox對(duì)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(guò)程中硝化反應(yīng)仍被認(rèn)為是兩步反應(yīng)，對(duì)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(cè)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(zhǎng)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(cè)到高濃度的comammox Nitrospira。而最近的動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，comammox對(duì)氨的親和力超過(guò)普通的氨氧化微生物，導(dǎo)致其適應(yīng)高度貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境生長(zhǎng)。
4、2 Comammox與AOB的競(jìng)爭(zhēng)及其對(duì)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(guò)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(dòng)過(guò)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(duì)短程硝化過(guò)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(duì)于AOB具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)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(duì)短程硝化過(guò)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shì)，對(duì)短程硝化影響較弱。但是對(duì)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(duì)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(jìng)爭(zhēng)及其對(duì)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(guò)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(guò)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(zhǎng)的特點(diǎn)，可逐漸富集并與AOB進(jìn)行底物競(jìng)爭(zhēng)。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(duì)PN/A工藝影響示意圖
目前普遍認(rèn)為NOB過(guò)度增殖并與anammox菌競(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(guò)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(guò)程中二氧化碳固定量及所需能量的對(duì)比。從碳固定途徑來(lái)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(zhǎng)速率(growth rate)和生長(zhǎng)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(zhǎng)速率較高，而長(zhǎng)線代謝途徑微生物在長(zhǎng)期培養(yǎng)過(guò)程中的生長(zhǎng)量更為顯著。尤其當(dāng)微生物可以在生物膜上緩慢增長(zhǎng)時(shí)，其表現(xiàn)更為明顯。Comammox微生物和anammox菌都適宜生長(zhǎng)在生物膜環(huán)境中，推測(cè)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(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。但在城市污水處理過(guò)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(jìng)爭(zhēng)力上更具優(yōu)勢(shì)，因此推測(cè)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(duì)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(duì)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(huì)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(jìng)爭(zhēng)底物氨氮有關(guān)。因此針對(duì)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(zhǎng)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(duì)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(guó)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(duì)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(duì)comammox研究有賴于針對(duì)性檢測(cè)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(guò)宏基因組學(xué)技術(shù)進(jìn)行環(huán)境基因序列測(cè)定和基因組裝，從而確定comammox細(xì)菌的存在。近年來(lái)針對(duì)comammox菌的amoA基因，科研工作者開發(fā)來(lái)多種特異性的引物，通過(guò)PCR測(cè)定或direct-gene FISH檢測(cè)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(duì)于研究其生理生態(tài)特征非常重要。采用無(wú)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(duì)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(duì)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(huì)與anammox菌競(jìng)爭(zhēng)底物并過(guò)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(zhǎng)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(duì)氮循環(huán)的作用也需要進(jìn)一步研究。
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