监测技术在低氧污水处理厂氮去除中的应用：COMAMMOX细菌的丰度与作用

本研究针对污水处理厂（WWTPs）中氮去除效率优化需求，通过荧光原位杂交（FISH）、数字PCR（dPCR）和二代测序（NGS）技术，首次在低溶解氧（<0.2–1.0 mg/L）的活性污泥系统中证实COMAMMOX细菌（如Ca. N. nitrosa）与经典硝化菌（AOB/NOB）丰度相当（约3%）。该发现为降低曝气能耗、减少N2O排放提供了微生物学依据，推动可持续污水处理技术发展。

　　

研究背景：氮去除的微生物暗箱
污水处理厂（WWTPs）是抵御水体污染的关键防线，其中生物脱氮效率直接影响环境安全与运营成本。传统硝化被定义为“两步接力赛”：氨氧化菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）先将氨（NH₄⁺）转化为亚硝酸盐（NO₂^-），再由亚硝酸盐氧化菌（NOB）转化为硝酸盐（NO₃^-）。然而2015年，科学家发现一类“全能选手”——COMAMMOX（Complete Ammonia Oxidizers）细菌，其单细胞即可完成氨到硝酸盐的全过程。这类属于硝化螺菌属（Nitrospira）的微生物在低氧、低氨环境中具显著优势，有望降低污水处理曝气能耗（占厂区总能耗50–60%）。但COMAMMOX的检测与定量长期受限于技术瓶颈：其16S rRNA基因与NOB高度相似，且常规方法难以捕捉低丰度菌群。

研究策略：多技术联用破解监测难题
西班牙研究团队以马德里某先进污水处理厂为样本（处理规模12,000 m3/天，采用低氧MBR工艺），整合四种分子生物学工具：

1. FISH技术：通过特异性探针（如Ntspa476）定位COMAMMOX在活性污泥絮体中的空间分布；
2. DNA提取优化：超声破碎+膜过滤提升菌体回收率；
3. PCR与dPCR：靶向amoA基因（氨单加氧酶亚基）和功能基因（如NOB的cynS），实现COMAMMOX类群（Clade A/B）及物种（Ca. N. nitrosa等）的定性与绝对定量；
4. 16S rRNA测序：基于MiDAS 4.8.1数据库解析微生物群落结构。

研究结果：COMAMMOX的生态位与定量证据

1. FISH可视化揭示空间分布特征

通过探针Ntspa476和Ntspa662发现，COMAMMOX细菌（如Ca. N. nitrosa）与经典Nitrospira NOB均以密集球形聚集体分布于絮体表层（图1A–B），而AOB（以Nitrosomonas为主）呈松散结构（图1D）。定量显示三者丰度均为3±0.7%（表2），首次在工程系统中证实COMAMMOX与AOB/NOB的生态位共存。

2. 功能基因检测确认物种多样性
优化DNA提取流程（20 min振荡+15 min超声+0.45 μm过滤）后，PCR扩增揭示：

• COMAMMOX Clade A（高丰度）和Clade B（低丰度）共存于污泥；
• 物种层面，Ca. N. nitrosa持续存在，Ca. N. inopinata仅见于深度处理样本（图2），暗示其可能栖息于絮体内部缺氧微环境。

3. dPCR精确定量硝化功能基因

数字PCR突破传统qPCR局限，显示：

• COMAMMOX Clade A基因拷贝数（5,668.4/μL）较Clade B（580.3/μL）高一个数量级；
• 其总丰度与NOB（cynS: 8,213.2/μL）、AOB（amoA: 6,831.4/μL）接近（图3）；
• AOA（古菌）贡献极低（1.45/μL），印证细菌主导的硝化途径。

4. 微生物群落结构支持功能发现

16S测序进一步验证：

• 优势菌门为拟杆菌门（Bacteroidota）和变形菌门（Proteobacteria）（图4A）；
• Nitrospira属中，NOB（N. defluvii）与COMAMMOX（Ca. N. nitrosa）共存，后者在2020年1月达峰值（1.102%）（表4）；
• 反硝化菌（如Zooglea）占比4.44–8.37%，完善脱氮路径（图4C–D）。

结论与意义：迈向低能耗污水处理
本研究通过多技术联用，首次在低氧污水厂证实：

1. COMAMMOX细菌的工程相关性：其丰度（3%）与经典硝化菌相当，且在低氧（<1 mg/L）、长污泥龄（SRT）条件下具备竞争优势；
2. 检测技术的互补性：
   • FISH可定位但仅靶向特定物种（Ca. N. nitrosa/nitrificans）；
   • dPCR实现高精度绝对定量，灵敏度达单拷贝级；
   • NGS提供群落全景但低估COMAMMOX；
3. 应用潜力：COMAMMOX主导的全程硝化可降低曝气需求60%以上，并减少强温室气体N₂O排放。

研究为优化污水厂运营提供了微生物学工具箱，未来需结合代谢调控与工艺创新，推动"碳中和"水处理技术发展。论文发表于《AMB Express》，技术方案已获专利保护（PR44/21和CTM2016-76491-P）。