从底物亲和力的角度解释在主流废水条件下完全氧化铵细菌与典型亚硝酸盐氧化细菌的共存现象

《Environmental Pollution and Management》：Explaining the coexistence of complete ammonium-oxidizing bacteria and canonical nitrite-oxidizing bacteria under mainstream wastewater conditions from a substrate affinity perspective

comammox Nitrospira与NOB Nitrospira的竞争机制及生态位分化研究，通过连续进料反应器富集和动力学比较，揭示两者对硝酸盐和氧的亲和力差异驱动共存。

　　本研究聚焦于一种名为comammox的硝化细菌，特别是其在污水处理系统中的作用与特性。comammox细菌的发现彻底改变了我们对生物脱氮过程的理解，因为它们能够独立完成整个硝化过程，而无需依赖其他微生物群体。传统的硝化过程通常被分为两个步骤，第一步由氨氧化细菌（AOB）或氨氧化古菌（AOA）将氨（NH??）氧化为亚硝酸盐（NO??），第二步则由亚硝酸盐氧化细菌（NOB）将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐（NO??）。然而，comammox细菌因其拥有完整的基因组，能够编码氨单氧酶（AMO）、羟胺氧化还原酶（HAO）以及亚硝酸盐氧化还原酶（NXR），从而具备了将氨直接转化为硝酸盐的能力，避免了中间产物亚硝酸盐的积累。

尽管comammox细菌的发现为生物脱氮领域带来了新的视角，但关于其与传统NOB细菌之间的共存机制仍然存在诸多未解之谜。本研究旨在通过实验室规模的连续进水反应器，深入探讨这两种细菌在特定环境条件下的竞争与共存现象。研究过程中，我们对comammox细菌主导的富集污泥与NOB细菌主导的接种污泥进行了比较动力学分析，揭示了它们在不同底物利用上的差异，进而阐明了其共存的生态学基础。

在实验设计方面，我们选取了来自中国福州某污水处理厂的活性污泥作为初始接种物，将其引入一个8升的实验室反应器中。反应器的运行温度控制在25±1°C，采用编程逻辑控制器（PLC）系统进行自动化管理。整个实验周期长达151天，通过持续进水、污泥混合和反应过程，模拟了主流污水处理条件。这种实验设置不仅有助于维持较低的现场氨浓度，也为comammox细菌的富集提供了理想的环境。

在实验初期，即第1天，反应器中引入的活性污泥虽然具备较高的悬浮固体（SS）浓度，但并未完全利用进水中的氨氮。这一现象表明，尽管接种污泥中存在大量微生物，但comammox细菌尚未在该系统中占据主导地位。同时，观察到硝酸盐（NO??）的轻微积累（4.2-5.8 mg-N/L），而亚硝酸盐（NO??）在整个运行周期内均未被检测到。这一结果提示，在初始阶段，微生物群落可能尚未完全适应反应器中的条件，或者comammox细菌尚未表现出其在硝化过程中的优势。

随着实验的推进，comammox细菌逐渐在反应器中占据主导地位。这一过程涉及复杂的生态相互作用，包括底物竞争、代谢途径差异以及环境条件对微生物生长的影响。研究发现，comammox细菌主导的富集污泥表现出对亚硝酸盐的较低亲和力（K_NO2 = 0.417 ± 0.015 mg-N/L），而NOB细菌主导的接种污泥则具有较高的亚硝酸盐亲和力（K_NO2 = 0.650 ± 0.018 mg-N/L）。这一差异意味着，在亚硝酸盐浓度较低的环境中，comammox细菌能够更有效地利用该底物，从而在竞争中占据优势。

另一方面，NOB细菌主导的接种污泥显示出对氧气的较低亲和力（K_O2 = 0.009 ± 0.001 mg-O?/L），相比之下，comammox细菌主导的富集污泥对氧气的亲和力更高（K_O2 = 0.019 ± 0.001 mg-O?/L）。这意味着，在氧气浓度受限的条件下，NOB细菌能够更有效地利用有限的氧气资源，维持其生长和代谢活动。这种底物亲和力的差异为两种细菌的共存提供了可能，即它们在不同的生态位中发挥作用，避免了直接竞争。

从生态学角度来看，这种基于底物亲和力的生态位分化可能是comammox细菌与NOB细菌共存的关键机制。comammox细菌通过高效利用亚硝酸盐，能够在低氨浓度的环境中占据优势，而NOB细菌则通过对氧气的高亲和力，在氧气受限的条件下维持其活性。这种分工使得两种细菌能够在同一系统中稳定共存，即使它们共享相同的代谢底物。这种现象不仅有助于我们理解微生物群落的生态结构，也为优化污水处理系统的微生物组成提供了理论依据。

在实际应用中，这种生态位分化对于生物脱氮技术的优化具有重要意义。传统的生物脱氮系统往往依赖于AOB和NOB的协同作用，但comammox细菌的出现为实现更高效的脱氮过程提供了新的可能性。由于comammox细菌能够独立完成整个硝化过程，它们可能在某些特定条件下表现出更高的脱氮效率，尤其是在低氨浓度或氧气受限的环境中。因此，研究comammox细菌与NOB细菌之间的竞争与共存机制，有助于开发更加高效的污水处理策略，提高系统的稳定性和可持续性。

此外，本研究还通过一系列批次实验对两种污泥的生理和生化特性进行了全面表征。这些实验不仅揭示了两种细菌在底物利用上的差异，还为理解它们在污水处理系统中的功能角色提供了新的视角。通过比较它们的动力学参数，我们能够更准确地评估它们在不同环境条件下的适应能力，并据此提出可能的优化措施。例如，通过调控进水中的氨浓度和氧气供应，可以促进comammox细菌的富集，同时抑制NOB细菌的生长，从而提高系统的脱氮效率。

在实验过程中，我们还发现comammox细菌的代谢活动与环境条件密切相关。当氨浓度较低时，comammox细菌能够更有效地利用亚硝酸盐，而当氧气供应充足时，NOB细菌则表现出更强的代谢能力。这种动态平衡使得两种细菌能够在不同的条件下相互适应，维持系统的稳定性。然而，这种平衡也可能受到外部因素的影响，如进水水质、反应器运行参数以及微生物群落的组成变化。因此，进一步研究这些因素对comammox细菌和NOB细菌共存的影响，将是未来研究的重要方向。

本研究的结果不仅加深了我们对comammox细菌和NOB细菌生态学关系的理解，也为微生物富集策略的优化提供了理论支持。通过调控反应器中的底物浓度和环境条件，可以实现对特定微生物群落的定向培养，从而提高污水处理系统的效率和稳定性。这种策略对于实现可持续的生物脱氮技术具有重要意义，尤其是在面对日益增长的污水处理需求和环境压力的背景下。

值得注意的是，comammox细菌的代谢特性可能使其在某些特定环境中表现出更强的适应能力。例如，在低氨浓度或氧气受限的条件下，comammox细菌能够更有效地利用有限的资源，而NOB细菌则可能因为对氧气的高需求而受到抑制。这种特性使得comammox细菌在某些污水处理系统中具有独特的优势，尤其是在需要减少氧气消耗或提高脱氮效率的情况下。

此外，comammox细菌的发现也引发了对传统微生物分类和功能划分的重新思考。由于它们与传统NOB细菌在系统发育上密切相关，但又在代谢途径和生态功能上表现出显著差异，这使得我们对微生物群落的组成和功能有了更全面的认识。这种认识不仅有助于优化污水处理系统的微生物组成，也为微生物生态学研究提供了新的思路和方法。

在实际应用中，comammox细菌的富集可能需要特定的环境条件。例如，通过降低进水中的氨浓度，可以促进comammox细菌的生长，同时抑制NOB细菌的活性。此外，控制反应器中的氧气供应水平，也可以影响两种细菌的相对丰度。这些发现为污水处理厂的运行管理提供了科学依据，有助于制定更加精准的微生物调控策略。

综上所述，本研究通过实验室规模的连续进水反应器，成功富集了comammox细菌，并对其与NOB细菌之间的竞争与共存机制进行了深入探讨。研究结果表明，两种细菌在底物亲和力上的差异可能是其共存的关键因素。这种差异使得它们能够在不同的生态位中发挥作用，从而维持系统的稳定性。本研究不仅加深了我们对comammox细菌和NOB细菌生态学关系的理解，也为优化生物脱氮技术提供了重要的理论支持和实践指导。未来的研究可以进一步探索这些细菌在不同环境条件下的适应能力，以及如何通过调控环境参数来实现对特定微生物群落的定向培养，从而推动生物脱氮技术的可持续发展。