Comammox全程氨氧化微生物的發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)（一）
硝化作用是全球氮素循環(huán)的重要過程，也是污水處理系統(tǒng)中去除氮素污染的重要方法。Winogradsky在1890年提出硝化作用由2種微生物分2步完成：氨氧化細(xì)菌(ammonia oxidizing bacteria，AOB)利用氧氣將氨氮氧化為亞硝酸鹽，然后亞硝酸鹽氧化菌(nitrite oxidizing bacteria，NOB)利用氧氣將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽。
長期以來人們始終認(rèn)為硝化作用由2種不同的細(xì)菌在有氧條件下完成，但是近年來有關(guān)氮素循環(huán)的研究取得重要進(jìn)展，人們對微生物氮素代謝的認(rèn)識不斷深化。1995年厭氧氨氧化(anoxic ammonium oxidation，anammox)微生物的發(fā)現(xiàn)打破了氨氮只能在好氧條件下被氧化的固有認(rèn)識，氨氮在缺氧條件下也可以被微生物所氧化；2005年氨氧化古菌(ammonia oxidizing archaea，AOA)的發(fā)現(xiàn)打破了AOB是唯一的氨氧化微生物(ammonium oxidizing microorganisms，AOM)的定論，細(xì)菌和古菌都可能驅(qū)動氨氧化過程。而近年來硝化作用是由微生物驅(qū)動的兩步反應(yīng)的認(rèn)知也受到挑戰(zhàn)。2015年，全程氨氧化(complete ammonia oxidation，comammox)微生物被發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)。與此同時，comammox菌在天然和人工環(huán)境中的分布及作用逐漸引起重視，comammox菌的生物特性及其與其他AOM的競爭關(guān)系逐漸受到關(guān)注。
1、Comammox微生物的發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)
全程氨氧化微生物具備獨立將氨氮直接氧化為硝酸鹽的能力，改變了“氨氧化和亞硝酸鹽氧化是完全獨立的2個過程”這一認(rèn)識，重新定義了地球氮循環(huán)的關(guān)鍵過程(見圖1)。
圖1兩步式和一步式氨氧化過程示意圖
2015年，來自奧地利和荷蘭的2個科研團(tuán)隊結(jié)合化學(xué)計量學(xué)分析和宏基因組學(xué)等多種技術(shù)，分別證實了comammox細(xì)菌的存在。
在北高加索地區(qū)的石油勘探井中采集了管壁上的生物膜，并在46℃恒溫條件下培養(yǎng)。富集培養(yǎng)物可將氨氮氧化成硝酸鹽，推測培養(yǎng)物中同時含有AOM和NOB。但使用熒光原位雜交(fluorescence in situ hybridization，F(xiàn)ISH)和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction，PCR)未在富集培養(yǎng)物中檢測到AOB的氨單加氧酶基因(amoA)和AOA的16S rRNA基因，僅檢測到隸屬于Nitrospira屬的NOB。因此推測該種Nitrospira可能具有氨氧化能力和亞硝酸鹽氧化能力。故對富集培養(yǎng)物進(jìn)行宏基因組測序，結(jié)果表明富集培養(yǎng)物中Nitrospira屬相對豐度達(dá)68%~80%，而且功能基因分析結(jié)果表明該種屬NOB不僅具有氧化亞硝酸鹽的關(guān)鍵酶的基因——亞硝酸鹽氧化還原酶基因(nxr)，還同時具有氧化氨氮的特征酶的基因——氨單加氧酶基因(amoA)和羥胺氧化還原酶基因(hao)。富集物中的NOB同時具有氨氮和亞硝酸鹽氧化酶的編碼基因，也表現(xiàn)出將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的活性，因此被認(rèn)為是一種具有全程氨氧化功能的微生物，命名為Candidatus Nitrospira inopinata(Ca。N。inopinata)。
同一年，也報道了comammox微生物的存在。van Kessel等在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水滴濾池處理系統(tǒng)中取污泥進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)基質(zhì)為低質(zhì)量濃度氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽，溶解氧始終低于0.1 mg/L。經(jīng)過12個月富集，培養(yǎng)物表現(xiàn)出厭氧氨氧化活性，可同時去除氨氮和亞硝酸鹽。但是熒光原位雜交顯示污泥中主要微生物為Brocadia屬的厭氧氨氧化菌，15%為Nitrospira屬的NOB。低氧濃度下高豐度的Nitrospira較為少見，因此通過分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。結(jié)果表明系統(tǒng)中含有2種不同的Nitrospira種。2種Nitrospira高質(zhì)量基因組草圖中，除了含有亞硝酸鹽氧化所必需的nxr基因，也都含有催化氨氧化過程的amoA和hao基因。因此這些Nitrospira物種也是一種具有全程氨氧化潛能的微生物，分別被命名為Candidatus Nitrospira nitrosa和Candidatus Nitrospira nitrificans。圖2展示了目前已知全程氨氧化微生物的系統(tǒng)發(fā)育圖。
圖2 Comammox系統(tǒng)發(fā)育圖
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