通过生物膜工程改造的亚硝酸盐传输通道，将COMAMOX（一种硝化细菌）与ANAMOX（另一种硝化细菌）连接起来，从而实现了低浓度市政污水中的自养氮去除过程

《Journal of Environmental Radioactivity》：Biofilm-engineered nitrite transfer channeling from comammox to anammox drives autotrophic nitrogen removal in low-strength municipal wastewater

氮素协同去除机制研究中，成功构建comammox驱动硝化耦合厌氧氨氧化（Anammox）完全自养生物膜系统，在6小时水力停留时间和0.34 mg/L溶解氧条件下，总氮去除率达80%，氨氮去除率达93%。基因定量与选择性抑制实验证实comammox贡献率达33.6%，显著高于AOB的19.4%，揭示代谢互补与电子传递的协同机制。通过代谢网络重建，阐明功能菌群分层定殖与动态互作规律，为低碳污水处理提供新范式。

　　这项研究聚焦于完全氨氧化菌（comammox）与厌氧氨氧化菌（anammox）的协同作用，探索其在污水处理中的应用潜力。comammox的发现颠覆了传统对硝化过程的认知，揭示了氮循环中被忽视的路径。这些微生物在污水处理系统中的存在，不仅改变了我们对硝化反应机制的理解，还为实现更高效的氮去除提供了新的思路。通过构建一个完全自养的生物膜系统，研究者成功地将comammox驱动的部分硝化与anammox过程结合在一起，从而提高了系统的整体处理能力。

在实验中，研究团队采用了一种小型的序批式生物膜反应器（SBBR）进行操作，该反应器的工作体积为10.0升，水交换比例为1:2。生物膜载体选用了具有高生物亲和力的小型聚氨酯海绵立方体，边长为2厘米。这种载体已被证明在富集功能微生物方面具有显著效果。反应器的运行条件设计为适宜的水力停留时间（HRT: 6小时）和优质的间歇曝气（溶解氧DO: 0.34毫克/升），以维持一个弱酸性、微氧化的生物膜环境。这样的环境有助于形成有利于核心微生物群落的生态位，从而促进其高效运行。

研究发现，在这种耦合系统中，comammox在部分硝化过程中发挥着主导作用，即使在HRT为6小时的情况下，也能维持硝酸盐（NO??）的持续输出，为anammox提供必要的底物。这一发现挑战了之前认为comammox的存在可能对anammox系统不利的观点。相反，它表明comammox与anammox之间可能存在互利共生关系。缩短HRT不仅加快了底物的周转速度，还促进了功能微生物之间的物质交换，形成了一个更加动态的微生物环境。这种动态环境使得comammox和anammox能够更有效地协同工作，从而提高氮去除效率。

在实验过程中，研究者利用遗传定量分析和选择性抑制实验对comammox在硝化过程中的作用进行了评估。结果显示，comammox的氨氧化基因（amoA）表达水平显著高于anammox中的相关基因，其对氨氧化的贡献也明显高于anammox中的硝化单菌（AOB）。这表明comammox与anammox之间存在明确的协同关系。此外，研究团队通过扩增子测序数据重建了代谢相互作用网络，揭示了该系统中“功能细菌专业化、代谢互补和电子传递”等优化机制。这些机制为实现高效的氮去除提供了理论依据。

研究还指出，comammox和anammox的共同存在为处理低浓度城市污水提供了理想条件。这两种微生物均具有自养特性，能够在不依赖外部碳源的情况下进行氮去除，这使得该方法在经济性和环境友好性方面具有显著优势。此外，anammox在厌氧条件下通过直接转化铵和亚硝酸盐为氮气，几乎不产生温室气体，为可持续污水处理提供了新的范式。因此，将comammox与anammox结合的处理工艺，不仅能够提高氮去除效率，还能够在减少能源消耗和碳排放方面发挥重要作用。

尽管已有大量研究揭示了comammox与anammox之间的协同关系，但将这些理论成果转化为实际应用仍然面临诸多挑战。例如，如何在不同系统中优化运行参数，如何管理微生物动态以提高处理效率，以及如何评估这些微生物在实际环境中的作用。为此，研究团队在前期工作中重点研究了comammox在生物膜系统中的分布及其氮代谢特性。结果显示，在超低HRT（5小时）条件下，comammox能够高效富集，同时编码所有与硝化相关的基因。这一发现与Xu等人（2023）的研究结果有所不同，显示出comammox在不同环境条件下的适应性。

此外，研究团队还评估了comammox在实际环境中的氮转化贡献和功能占据情况。通过现场活性实验，他们发现comammox在不同系统中的表现存在差异，这表明该方法的适用性仍需进一步验证。同时，comammox与其它微生物在分层生物膜系统中的代谢网络和功能相互作用尚不明确。因此，如何优化这些系统中的运行参数，以实现更高的氮去除效率，是当前研究的一个重要方向。

在实验过程中，研究者还发现，控制微氧环境和维持弱酸性条件对于构建耦合系统至关重要。这些条件有助于维持核心微生物群落的活性，促进其高效运行。同时，适当的负荷调整能够优化底物交换频率，从而提高系统的整体处理能力。通过这些优化措施，研究团队成功构建了一个高效的comammox-ANAMMOX耦合系统，实现了80%的总氮（TN）和93%的氨氮（NH??-N）去除率。

该研究的结果为污水处理技术的革新提供了新的视角。comammox与anammox的协同作用不仅能够提高氮去除效率，还能够减少能源消耗和碳排放，为实现可持续的污水处理提供了理论支持。同时，该研究也为传统污水处理工艺的优化提供了参考，有助于推动污水处理技术的发展。

综上所述，这项研究通过构建comammox驱动的部分硝化与anammox耦合系统，揭示了其在污水处理中的应用潜力。研究结果表明，comammox与anammox之间的协同作用能够显著提高氮去除效率，同时减少对环境的影响。这些发现为污水处理技术的创新提供了新的思路，也为实现更高效的氮循环管理提供了理论依据。未来，随着对这些微生物生态行为的进一步研究，其在污水处理中的应用将更加广泛和深入。