Synergy between Comammox and Anammox Bacteria in Wastewater Ammonia Removal  

完全氨氧化菌與厭氧氨氧化菌在廢水氨去除中的協同作用  

來源：ACS EST Engg，2023, 3, 1582?1591 

《ACS環境科學與工程》2023年第3卷1582-1591頁  

 

摘要內容：  

研究通過移動床生物膜反應器（MBBR）在低溶解氧（DO：0.1-0.3 mg/L）和遞增氨氮負荷（7→33 mg N/L）條件下，揭示了完全氨氧化菌（CAOB）與厭氧氨氧化菌（AnAOB）的協同脫氮機制。CAOB在低DO和低殘留氨氮條件下成為優勢氨氧化菌（占比99.6%），其分泌的亞硝酸鹽被AnAOB利用實現脫氮。隨著進水氨氮升高，AnAOB豐度增加并發生種群演替（從Ca. Kuenenia轉向Ca. Brocadia），總氮去除率提升至35%。同位素示蹤（15N）證實AnAOB是亞硝酸鹽還原的主要貢獻者（貢獻率90%），而CAOB-AnAOB協同作用在DO=0.3 mg/L時最顯著。  

 

研究目的：  

闡明低DO廢水中CAOB與AnAOB的協同競爭關系，優化主流厭氧氨氧化工藝的脫氮效能。  

 

研究思路：  

反應器運行：三級遞增氨氮負荷（I:7, II:14, III:33 mg N/L）下運行MBBR，維持超低DO（0.1-0.3 mg/L）。  

 

活性驗證：通過15N同位素示蹤區分AnAOB與內源反硝化貢獻，結合微呼吸儀（Unisense電極）量化DO對協同作用的影響。  

 

機制解析：宏基因組與轉錄組分析CAOB和AnAOB功能基因，揭示亞硝酸鹽競爭利用機制。  

 

測量數據及研究意義（標注來源圖/表）：  

脫氮性能（圖1）：III階段總氮去除率34.6%（最高50%），證明CAOB-AnAOB協同提升脫氮效率。  

 

菌群動態（圖3）：qPCR顯示CAOB amoA基因拷貝數達2.3×10^11/gVSS（I階段占比99.6%）；宏基因組揭示AnAOB從Ca. Kuenenia（II階段）向Ca. Brocadia（III階段）演替。  

 

活性貢獻（圖2）：15N示蹤顯示29N2（AnAOB產物）占比90%，證實其主導脫氮（內源反硝化貢獻<10%）。  

 

功能基因（圖5b）：AnAOB亞硝酸鹽轉運基因（focA, nirC）豐度比NOB-Nitrospira高41.2%，解釋其高效亞硝酸鹽利用能力。  

 

DO調控（圖4b, 圖7a）：Unisense微呼吸儀顯示DO=0.3 mg/L時AnAOB活性峰值（0.08 mg N/gVSS/h），CAOB硝化活性隨DO升高（KO=0.62 mg/L）。  

 

 

Unisense電極數據的核心研究意義：  

精準量化超低DO效應：通過微電極實時監測0.01-2 mg/L DO梯度（圖4b, 7a），首次證實CAOB-AnAOB協同窗口為0.01-0.9 mg/L（最佳0.3 mg/L），突破傳統DO傳感器檢測限（常規下限0.2 mg/L）。  

 

揭示活性抑制閾值：DO>0.9 mg/L時AnAOB活性消失（圖7a），明確氧抑制是主流厭氧氨氧化工藝的關鍵限制因子。  

 

關聯代謝響應：DO=0.3 mg/L時CAOB amoA轉錄提升7.4倍（圖4a），說明Unisense數據可同步指導菌群功能優化。  

 

結論：  

CAOB在低DO（0.3 mg/L）和低殘留氨氮（<0.2 mg N/L）下主導氨氧化，其分泌亞硝酸鹽驅動AnAOB脫氮。  

 

AnAOB通過高豐度亞硝酸鹽轉運基因（focA等）高效競爭底物，DO=0.3 mg/L時協同脫氮效率最大。  

 

控制DO≈0.3 mg/L和殘留氨氮0.2-7.6 mg N/L，可實現35%總氮去除率，為低碳足跡廢水處理提供新策略。