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为探究二级出水人工湿地（SECWs）中完全氨氧化菌（comammox）的功能及生存策略，研究人员以根际与非根际对比开展研究。结果显示，comammox 在 SECWs 中占主导，根际是氨氧化和 N2O 产生热点，还揭示了其群落结构变化等。该研究为提升污水净化提供理论依据。
在大自然的 “污水处理厂”—— 人工湿地中，氮元素的处理一直是个备受关注的问题。氮既是生命生长不可或缺的元素，又是污水处理厂二级出水中的主要污染物。许多河流和水库因为接纳了这些含氮污水，面临着富营养化等环境危机。人工湿地因成本低、处理效率高，成为处理富氮污水的重要手段。
在人工湿地这个生态系统里，植物和微生物的相互作用是去除污染物的关键，而植物根际更是被视为生物地球化学循环的热点区域。根际中，植物根系会释放氧气（径向氧损失，ROL），还会分泌各种物质（根际分泌物，REs），这些都对微生物的氮转化过程有着复杂的影响。以往，人们认为硝化过程是由氨氧化细菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）分步骤完成的，但 2015 年完全氨氧化菌（comammox）的发现改变了这一认知，它能独自完成氨氧化的两个步骤。在自然湿地中，comammoxNitrospira已被证实是重要的硝化菌。然而，在二级出水人工湿地（SECWs）这个相对特殊的环境里，comammox 的生态角色、生存策略，以及根际和非根际的差异等问题，还存在许多未知。为了解开这些谜团，研究人员开展了相关研究，该研究成果发表在《Bioresource Technology》上，对提升二级出水的净化效率有着重要意义。
研究人员采用了多种关键技术方法。通过定量 PCR（qPCR）技术，对 comammox、AOB 和 AOA 的amoA基因丰度进行定量分析；利用 16S rRNA 基因扩增子测序技术，探究微生物群落结构；同时运用抑制方法，深入研究相关功能。研究样本来自构建的两个地下流 SECWs 根箱，其中填充了特定的土壤和砾石。
根际硝化菌的丰度动态
研究人员通过 qPCR 对 SECWs 中 comammox、AOB 和 AOA 的amoA基因丰度进行量化。结果发现，根际中 comammoxamoA的丰度从实验开始时的 1.75±0.31×106 copies/g 土壤（RJ）和 2.29±0.21×106 copies/g 土壤（RA），逐渐积累到实验结束（第 90 天）时的 1.36±0.20×107 copies/g 土壤（RJ）和 8.75±2.61×106 copies/g 土壤（RA）。而非根际中，comammox 的丰度始终低于根际。这表明在 SECWs 运行过程中，根际环境更有利于 comammox 的生长和繁殖。
根际作为氨氧化和 N2O 产生的热点区域
对比根际和非根际，根际在 SECWs 中成为氨氧化和 N2O 产生的热点区域。在氨氧化过程中，comammox 在根际发挥了主导作用，贡献比例达到 60.4% - 70.6%；在 N2O 排放方面，根际 comammox 的贡献为 35.5% - 41.3%。研究人员推测，根际分泌物中的类腐殖酸化合物和 ROL 对硝化作用的促进效果，可能是造成这种差异的原因。这意味着根际环境为 comammox 执行氨氧化和产生 N2O 提供了更有利的条件。
comammox 群落结构变化及氨动力学特性
研究发现，comammox 群落结构在 SECWs 运行过程中发生了变化。通过氨动力学分析，得到氨动力学参数 Km(app)=0.140±0.026 mg N L-1 ，这揭示了不同 comammox 物种之间存在生态位分化。r - 对策者Nitrospira sp. HN - bin3 随着时间的推移逐渐繁盛，而 K - 对策者Nitrospira nitrificans则在竞争中处于劣势。进一步分析发现，氨浓度是影响这种变化的主要驱动因素。这说明不同的 comammox 物种对氨浓度有着不同的适应性和竞争策略。
综合上述研究结果，在 SECWs 运行期间，根际的 comammox 在氨氧化和 N2O 排放过程中占据主导地位，根际成为了氨氧化和 N2O 产生的重要区域。根际分泌物中的类腐殖酸化合物和 ROL 对硝化作用的促进，解释了根际和非根际之间的差异。此外，comammox 群落结构的变化以及它们对氨浓度的不同响应，揭示了不同 comammox 物种的生存策略和对氨浓度的偏好。
这项研究具有重要意义。它首次深入探讨了 SECWs 中根际 comammox 的功能和生存策略，填补了相关领域的研究空白。研究结果有助于人们更好地理解人工湿地中氮循环的机制，为优化人工湿地的设计和运行，提高二级出水的净化效率提供了理论依据。同时，也为后续研究微生物在污水处理中的作用开辟了新的方向，对解决水体富营养化等环境问题有着积极的推动作用。
