Comammox细菌在水和废水处理系统中的作用和应用：综述

3工程17（2022）196研究环境工程评论Comammox细菌在水和废水处理系统中的发生和作用：综述Naga Raju Madamana，b，c，甘志豪a，c，孟亚兵a，c，陈伟，范富强a，c，孟凡刚a，c，陈伟a中山大学环境科学与工程学院，广州510006bDepartamento de Ciencias Biológicas，Facultad de Ciencias de la Salud，Universidad Técnica de Manabi，Portoviejo 130105，Ecuadorc广东省环境污染控制与修复技术重点实验室，广东广州510006阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年2月1日收到2021年7月22日修订2021年7月28日接受2021年11月18日网上发售保留字：Comammox细菌废水处理脱氮微污染物降解反应器运行A B S T R A C T脱 氮 是 水处 理 厂 和 污 水 处理 厂 的 关 键 工艺 最 近 发 现 的 一种 新 的 细 菌 过 程， 完 全 氨 氧 化 （comammox ，CMX），驳斥了一个世纪之久的看法，两个步骤的NH3转化为NO与典型的硝化细菌相比，CMX细菌提供了不可否认的优势，例如高生长产量倾向和对营养和生长限制条件的适应性，这些优势共同引起了人们对CMX细菌用于废水处理的适用性的关注。由于目前还没有关于CMX细菌与可持续水和废水处理的相关性的全面综述，本文旨在讨论CMX在去除水和废水中的氮和污染物方面的作用和应用。我们考虑了CMX细菌在进化枝和亚进化枝水平上的代谢能力。本文重点研究了CMX细菌在工程系统中的分布、生态位差异、共存以及与典型硝化菌的相互作用，以期更好地了解CMX细菌的生理生态。CMX细菌的反应器适应性和应激反应的概念化的细节。CMX细菌降解微污染物的潜力进行了评估，无论是直接或共代谢，这些见解将是一个不可或缺的优势，在打开大门，更广泛的应用CMX细菌在污水处理厂。最后，我们总结了未来的研究方向，是必不可少的，以提高对CMX生物学的理解©2021 THE COUNTORS. Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍近年来，高效生物脱氮技术引起了人们的广泛关注[1令人惊奇的发现是细菌能完全氧化氨（所谓的comammox，CMX）通过亚硝酸盐（NO-）转化为硝酸盐引起了广泛关注，这可能为理解CMX细菌，特别是进化枝ANitrospirasp.[13在使用双反应器系统从有机氮生产高质量硝酸盐溶液（用作水培肥料）时，Sato等人[18]发现了高丰度的硝酸盐。CMX硝化螺旋体相关的操作分类单位（OTU），3 2脱氮静置。CMX细菌在天然[4CMX细菌具有高生长产率倾向[12]，非常适合水处理厂（WTP）和废水处理厂（WWTP），特别是具有低氧可及性和低细胞冲洗率（如生物膜）的工厂。因此，硝化环境*通讯作者。电子邮件地址：mengyb6@mail.sysu.edu.cn（Y. Meng），mengfg@mail.sysu.edu.cn（F. Meng）。硝化反应器，其中CMX-氨单加氧酶（AMO）的表达被发现是500倍，高于在典型的反应器。在长期研究中，四种抗生素（即，氨苄青霉素、卡那霉素、林可霉素和甲氧苄啶）可以在活性污泥系统中以非生物学方式富集遗传学上不同的CMXNitrospira[19]。同样，在最近的研究中，发现CMX细菌在WWTP中具有无可争议的优势，例如抗生素的生物转化[20，21]和重金属耐受性[22]，避免在间歇曝气的实验室规模序批式反应器中产生N2O[23]，低温下的存活性[24]，三级旋转生物接触器（RBC）生物膜样品的优势[10]https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.07.0242095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可从ScienceDirect获取目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engN.R. 马德雷兹甘，Y。Meng等人工程17（2022）19619734·2CMXNitrospira在尿进料膜生物反应器中的作用[25]等，这强烈暗示CMX细菌在WWTP设施中是完全功能性的。CMX细菌的存在是在2006年假设的[26]。CMX细菌的出现在2015年得到了证实[7，27]，尽管尚未报道含有CMX细菌的WTP或WWTP的全面运行。CMX细菌已经从不同的角度进行了研究，例如生态位偏好和分化[28-此外，CMX细菌对季节变化和外部扰动的响应也已被大量探索[21，43这些尝试揭示了一种潜在的愿景，即基于CMX的工艺应用于WTP或WWTP已经不远了。CMX细菌在许多方面有相当大的差异，尽管它们的反应机制[38]和负责NH3氧化为NO-的酶[27]例如，并非所有类型的CMXNitrospira都可在体外培养，这已经通过强调亚进化枝水平的Nitrospirasp.而公开[48]。此外，在进化枝A和进化枝B CMX对外部扰动的响应性方面存在显著差异[49]。因此，CMXNitrospira具有独特的生态位要求[13，16，30]，了解这些要求不仅有助于我们了解CMX细菌如何承受来自典型硝化菌的竞争氨氧化古菌（AOA）、氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）），但也揭示了它们与典型硝化细菌共存[8，32，50，51]。重要的是，CMX细菌的生态位可能会引起人们对CMX细菌的所有分支和亚分支是否都有类似类型的共存细菌的怀疑，因为这种多物种组合是社区功能的关键驱动因素。因此，CMX细菌功能与生态位决定因素之间存在密切联系。另一方面，生理学、生物化学和分子研究已经揭示CMX细菌具有广泛的代谢潜力，例如通过代谢途径[36，52，53]和共代谢途径[54我们相信，上述见解将有助于深入了解CMX细菌，从而关闭工程环境，硝化环境中的水或废水处理。迄今为止，已广泛报道了WTP或WWTP中CMX的出现[8，10，15，17，59请注意，以前的综述在以下方面促进了对CMX的理解：基因组见解[8];一氧化二氮（N2O）排放[64];酶学和代谢模型[65]。尽管如此，CMX细菌的几个关键方面尚未完全了解，例如它们在天然和工程系统中的分布、生态位差异、共存、代谢能力、CMX细菌与其他细菌的相互作用、反应器适应性、应激反应和共代谢生物转化。因此，本文旨在批判性地审查这些因素，这些见解将有助于使CMX细菌更接近WTP和WWTP。2. CMX细菌2.1. 在自然和工程系统总结了CMX细菌在不同自然和工程系统中的分布和丰度，以揭示氮循环中微生物硝化的生态学（图1）。 1 [48，68]）。基于编码氨单加氧酶（amoA）亚基A的基因，存在两个新的CMXNitrospira代表，怨恨两个不同的姐妹分支，即分支A和分支B[7]。沿着这些路线，已经在各种生态系统中检测到进化枝A和进化枝B的CMX细菌[68]，这意味着它们在环境中广泛分布。最近，可培养和不可培养的Nitrospira被发现存在于亚支A1和A2，分别为[48]。CMXNitrospira已在不同的土壤和淡水生态系统[69]，WWTP和WTP[31]，地下水的砂过滤器[9]，水产养殖池塘[70]和硝化生物膜[64]中检测到，这表明这些小生境通常用作硝化 平 台 。 虽 然 研 究 有限 ， 但 CMXNitrospira 似 乎 在 WTP[9] 中 比 在WWTP[60]和土壤[71]中更丰富。此外，在相同的微环境中，分支A和B的丰度通常是不同的。例如，进化枝B在森林土壤中比进化枝A更丰富。相比之下，在水稻土中，分支B的丰度比分支A的丰度低14倍[49]。值得注意的是，B分支中的CMX细菌比A分支中的CMX细菌对外界环境更为敏感。例如，NH+对进化枝A的丰度没有显着影响，而进化枝B的丰度在相同的修正下显着增加（P0.05）[49]。类似地，饮用水分配系统中残留氯胺（（1.74 ± 0.21）mg L-1）的存在值得注意的是，有几种引物用于鉴定CMX细菌的进化枝，具有不同的匹配百分比（图2[48]）。例如，引物A378 f显示与CMX进化枝A（亚进化枝A1和亚进化枝A2）的高匹配（与amoA基因的80%在全规模的污水处理厂，CMX细菌已被发现是一种重要的NH3-氧化基团[7]。专门设计用于靶向CMXamoA基因的引物对显示，亚硝化硝化螺菌簇占WWTP中细菌的94.34%[60]，其丰度比AOBamoA基因高约183倍（如通过定量聚合酶链反应（qPCR）测定）CMXNitrospira相对于AOB的优势也在一个硝化反应器中发现，在 400 d 时 ， 94% 的 NH3- 氧 化 群 落 是 前 一 组 [73] 。 类 似 地 ，CMXNitrospira 在 富 有 机 碳 硝 化 - 反 硝 化 系 统 中 显 示 出 优 于AOBNitrospira的优势 这些见解清楚地表明，CMX细菌在WWTP中，特别是在WTP中，与其他硝化菌群相比具有坚实的竞争优势，这对于主流CMX的工程应用是有希望的（表1[8，12，14，41，43，63，70，75 -77]）。值得注意的是，虽然CMX细菌具有一整套NH3和NO-氧化酶，但应选择适当的标记物来表征这些酶的存在和丰度。例如，CMXNitrospira的亚硝酸盐氧化还原酶（Nxr）与严格的NO2-氧化Nitrospira非常相似[37]，这不是CMXNitrospira的合适标记。2.2. 生态位分化在每个生态位中，CMXNitrospira对资源的分布表现出复杂的响应。已经表明，水中溶解氧（DO）的波动可能不会影响CMX群落[28]，这可能是因为CMXNitrospira含有允许这些细菌即使在低水平氧下生长的基因，如比较基因组研究[29]所确定的。然而，CMXNitrospira的基因组确实允许通过使用外部亚硝酸盐氮源来同化硝酸盐还原，这与典型的Nitrospira相反。CMXNitrospira中其他潜在的生态位决定因素包括亚硝酸盐水平（活性污泥）[13]、氮沉降升高（森林土壤）[30]和pH依赖性NH3可用性（农业/森林土壤）[16，30]。尽管如此，N.R. 马德雷兹甘，Y。Meng等人工程17（2022）1961982243图1.一、CMX细菌的普遍分布Nitrospira物种（共68种）在（a）七个广泛定义的栖息地和（b）全球的995个宏基因组中的分布，以及（c）CMXNitrospira比典型Nitrospira（高丰度，覆盖率> 1）分布最广（低丰度，覆盖率1）[68]。（d）通过使用CMX特异性引物组的部分巢式PCR分析CMX细菌在不同生境中的分支水平分布[48]。DWTP：饮用水处理厂。表1CMX细菌与典型硝化细菌的比较。性状CMX细菌典型硝化菌Km449.2lmol·L-1NO[12个]6-[12个]NH3氧化过程中的能量产出DG0=384.9kJ·mol-1[8]DG0=274.7kJ·mol-1[8]二氧化碳固定途径Bassham（CBB）循环[8]还原性三羧酸循环（TCA）[8]耗氧量化学计量（Y0）较大（Y0= 2）较小（Y0= 1.5）[63]第63话：我的世界，我的世界，我的世界[65]氧化应激逃避机制高[63]低一氧化二氮产量低[63]高图二.引物及其与不同CMX进化枝和AOB的amoA基因序列的匹配（%）[48]。如参考文献中所述，从公共数据库中的宏基因组或元转录组数据集提取序列。3b双向[NiFe]氢化酶对H_2高亲和力硫酸盐通透酶（SulP）/溶质载体26（SLC 26）型转运蛋白，用于广泛底物（SO2是的[76]-是的[76]-CMXNitrospira的亚支可以通过编码NH3氧化[29]和羟胺氧化还原酶的HCO与溶解氧（DO）的NH3的半饱和常数负相关（r=0.026lg-NH3-N·L（贫营养生活方式）[41]阳性（r= 0.140.077mg-NH3-N·L[68]. 这些研究表明CMX的基因组特征Nitrospira受到生物因素的影响[32]。生态位分化增浓期间的O2需求低（0. 2lg·Lmg·L是形成微生物群落结构的重要决定因素[78]。然而，有一个利基Km被描述为反应速度为最大值的一半时的底物浓度。N.R. 马德雷兹甘，Y。Meng等人工程17（2022）196199232·CMXNitrospira的专业化，偏好和分化，就其栖息地而言，如营养状态和氧气水平[28，40]。CMXNitrospira和典型硝化菌之间的生态位分离应通过关注前者群落的代谢能力和比较基因组学来进一步研究。此外，在自然环境（水生环境）中对CMXNitrospira[28]和土壤[16，30，40]设置）和工程设置[73，79]。然而，为了更深入地了解CMXNitrospira在各种设施中的生态位分化，包括栖息地异质性，环境条件和生物相互作用，还需要进行额外的基于反应器的研究。2.3. 基因水平已知CMX细菌与不同的典型细菌共存，如NOB[32]、AOA[8，50] 、 AOB[8 ， 51] 和 厌 氧 氨 氧 化 细 菌 [34] ， 这 清 楚 地 表 明CMXNitrospira与其他典型群落存在相当大的微生物相互作用。CMX细菌的amoA-Niño基因与典型硝化菌和其他细菌的选择性基因之 间 存 在 显 著 的 正 相 关 关 系 （ 图 3 （ a ） [43] ） 。 在 Nitrospirainopinata（CMX）中存在大量的氮循环基因，可以帮助Nitrospiramoscoviensis（NOB）在淡水贻贝栖息地中利用不同的代谢功能[32]。这是因为Inopinata比Nitrospira moscoviensis具有更多的N循环基因，并且两种菌株之间随后的代谢共享是两种细菌在贻贝栖息地中存活的关键因素。此外，已知CMXNitrospira具有一组完整的基因（urtABCDE），用于尿素转运蛋白系统的高亲和力，而莫斯科硝化螺旋菌缺乏这些基因的完整阵列（仅具有UrtA ）[32]。此外，CMXNitrospira对NH3的氧化作用强于NO在非常低的氧气浓度下，这有利于CMXNitrospira和anammox细菌的共同出现[27]。此外，硝酸盐和总氮浓度分别与CMX分支A1和分支A2呈正相关[51]。我们可以预期，这些分支可能有不同的反应行为共存的典型硝化细菌。因此，应在亚进化枝水平上评估CMXNitrospira的共存，以揭示CMXNitrospira与其他菌株在水和废水处理过程中的氮转化系统中的合作和能力的不确定性[80]。这将有助于污水处理厂和垃圾处理厂的工艺设计和操作。总之，CMXNitrospira可以在天然水、饮用水系统和贫营养废水中容易地检测到。这与AOA非常相似这可能是由于典型硝化菌在贫营养条件下的低生长CMX细菌在低氧水平下的高活性意味着有可能开发低成本的脱氮工艺。我们应该记住，工程系统中CMX细菌和典型硝化细菌的边界条件应该通过精心设计的实验来确定。3. CMX菌的生理生化特性3.1. 代谢异常CMXNitrospira的某些菌株可以在O2或NO-上呼吸作为热它们通过氨单加氧酶（AMO）氧化NH3，通过还原性柠檬酸循环固定CO2由于对NH3的高亲和力，如全细胞（Nitrospira inopinata）动力学[38]所证实的，CMXNitrospira inopinata的种群通常高于寡营养条件下许多其他NH3氧化微生物的种群由纯培养的CMX细菌（例如，硝化螺菌a）的浓度为63nmol·L-1，比AOB报告的值低4- 2500倍[41]。即使是低得多的Km值（即， 49nmolL-1）。尽管如此，CMX细菌显示出较低的亲和力，[41]第41话与NH类似，氰酸酯也可以是UTI-2 3图3.第三章。皮尔森关系amoA-Niño[43].（a）CMX细菌与包括典型硝化菌在内的其他细菌共存。amoA-Niño与其他基因称谓的相关性。（b）amoA-Niño基因与环境因子的相关性AMX：厌氧氨氧化; DN：厌氧细菌; DO：溶解氧;显著性双尾 *≤0.05和** ≤ 0.01。在 完 全 硝 化 过 程 中 被 CMXNitrospira 分 解 [74] 。 此 外 ，CMXNitrospira可能适应寡营养条件[35]，这有助于CMX细菌在寡营养环境中胜过AOA[40]。还值得注意的是，如果Km（app）值存在任何重叠，则CMX硝化螺菌与其他典型硝化菌（例如，AOA），但CMXNitrospira的amoA基因丰度高于AOA和AOBamoA。令人惊讶的是，土壤pH值的变化范围从4.0到9.0对CMX细菌的进化枝A和B的amoA基因拷贝数的丰度具有轻微影响，尽管在每个测量的pH值下进化枝A的丰度高于进化枝B的丰度[40]。然而，pH、DO和温度对CMX细菌具有显著影响，如amoA-Niño基因丰度所揭示的（图3（b））。CMXNitrospira能够在具有低且波动的尿素浓度的WWTP中稳定地生长[40]，这归因于编码尿素酶蛋白、高亲和力尿素转运蛋白（urtABCDE）、尿素羧化酶相关转运蛋白（uctT）和外膜孔蛋白（fmdC）的基因的存在，如宏基因组学分析所揭示的[7，27]。近年来研究发现，由于硝化螺旋菌基因组中缺乏NO还原酶，CMX微生物在硝化过程中释放的N2O相对低于AOB[6]。事实上，典型硝化菌的硝化生物膜具有较高的N2O排放量N.R. 马德雷兹甘，Y。Meng等人工程17（2022）1962002233[64]第一章。因此，减少CMX的N2O排放有助于降低与改进工厂设计和操作相关的成本，以减少废水处理过程中的N2O排放此外，由于[NiFe]-氢化酶（3b组）的存在，CMXNitrospira的代谢潜力可以使这些细菌表现出不同的作用[12]，例如①通过再氧化NAD（P）H产生H2，同时在发酵过程中维持细胞氧化还原平衡，②氧化H2为CO2还原提供电子，③将元素硫或多硫化物还原为H2S。此外，CMX细菌如何在NH3和NO当叶硝化螺菌-型进料到标记的NH+和NO介 导 的 硝 化 作 用 可 能 依 赖 于 基 因 的 表 达 ， 例 如 AMO 、 HAO 和NXR[27]。一项基于宏基因组组装基因组的研究证实了CMX通过使用CMXNitrospira基因组中的ure基因与RBC将尿素水解为NH3的潜力[10]。在进化枝A CMXNitrospira的富含尿素的培养物中也报道了这些基因[29]。相反，进化枝A CMXNitrospira不能利用甲酸盐作为替代电子供体，因为fdh基因在这些细菌中不存在，而已知进化枝BCMXNitrospira具有fdh基因[10]。此外，一些CMXNitrospira可能会使用氢/质子作为替代电子供体/受体，这归因于编码ssg组的hyb和hyd等基因4 2快速重力砂过滤材料），CMXNitrospira没有显示出仅氧化外部NO-的偏好值得注意的是，ClO-2-苯基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-3-氧化 物 -1- 氧 基 （ PTIO ） 分 别 对 CMXNitrospira[81] 和 Nitrospirainopinata[6]的NH3氧化有抑制作用。活泼地事实上，ClO-的还原会3b [通过横向基因转移，CMXNitrospira不仅获得了氰化酶活性[10]，而且获得了与氰化酶基因相邻的两个尽管如此，水平基因转移（也称为垂直遗传）有助于从非氨氧化剂中招募不同的基因，以促进整体氨氧化路[92]。事实上，CMX细菌本身就具有氰化酶活性，3 2对CMX细菌代谢（包括NH3氧化）有毒性。将CMX细菌的不同进化枝的代谢潜力与AOB和AOA进行比较，其与WWTP的相关性见表2[8，82还值得注意的是，CMXNitrospira中可能存在横向基因转移，通过这种转移，这些细菌获得了某些额外的代谢功能[10，14，92]。3.2. Enzymology在NH3完全氧化为NO-的过程中，CMX细菌介导了八电子氧化反应CMX-因此，这些细菌除了利用游离氨作为底物外，还利用各种有机氮化合物。值得注意的是，CMXNitrospira的其他代谢能力使这些细菌更接近WWTP。Han等人[36]发现CMXNitrospira inopinata能够生物转化各种微污染物，其中多菌灵仅由CMXNitrospira inopinata生物转化，其中存在氨而不是亚硝酸盐作为能量来源的供应。这些结果强烈暗示CMX硝化螺的AMO比AOA-或AOB-硝化螺对氨具有更高的亲和力。此外，CMXNitrospira表2CMX细菌及其典型硝化菌的代谢潜力第88话多羟基烷烃（PHA）合成–从废水中[90]。细胞内蛋白质的交替合成和氧化糖原合成+在生物去除养分过程中，储存对N2O排放有显著影响[91]+意味着功能在所有基因组中编码;+意味着功能在一些到大多数基因组中编码;-意味着功能没有编码。代谢细菌[八]《中国日报》代谢与废水处理进化枝进化枝卡诺尼-AOBAOA一B cal硝基-CMXCMX螺旋氨氧化+++++–+人为排放到淡水中的氮（在中国）为14.5 ± 3.1兆吨亚硝酸盐氧化+++++––亚硝酸还原酶+++++++排放阈值（每年（5.2± 0.7）Mt氮）[82]同化亚硝酸盐还原+++++++++NO还原酶––+–H2氧化+++–+–硝化反应这表明氮循环细菌的生态灵活性，甲酸盐氧化–++–可以用H2作为唯一的电子源固定CO2[83]–细菌[84]，这种细菌在去除有机污染物(e.g.、17b-雌二醇）在有氧水生环境中[85]细胞色素bd样氧化酶+++++–-氧化酶的表达可以被认为是逃避胁迫的一种途径。细胞色素aa3氧化酶––++++机制。例如，由DO扰动引起的应力导致微生物细胞色素bd醌醇氧化酶+关于我们––是一个高百分比去除（57%废水处理（WWT）[86]尿素降解+++关于我们++许多生物污水处理工艺的性能受到尿素的抑制[87]，尿素去除对于成功的处理过程还原TCA循环+++++–-CBB循环––+++–C-固定途径的类型在C通过细菌隔离和抑制二氧化碳排放;重要的是，NH+-4 2Thaumarchaeal 3-–––+在氧气存在下最节能的二氧化碳固定途径，羟基丙酸/4-营养有限的环境[89]羟丁酸循环N.R. 马德雷兹甘，Y。Meng等人工程17（2022）196201242···inopinata使这些菌株能够排放较低水平的NOy（亚硝酸（HONO）+一氧化氮和NO +二氧化氮（NO2））[93]，这是全球变暖和环境化学中的关键排放。简而言之，这些功能酶的存在可以赋予CMX细菌各种代谢潜力。3.3. CMX细菌与其他细菌的相互作用CMX细菌和其他细菌之间的相互作用（例如，典型硝化菌）将极大地影响污水处理厂设施的设计和优化。Nitrospira inopinata与NOB而不是AOA和AOB显示出显著的正相关性[43]，这意味着CMX介导的NO在循环水产养殖系统中也发现了CMX细菌和NOB相互作用的类似结果[31]。尽管这些正相关性经常存在于其他组合中（硝化螺旋菌-如CMX和硝化微生物[32]），但由于复杂的环境因素，我们远未完全理解CMX细菌和典型硝化菌之间的多重相关性。特别是，在自然环境中，很难在工程系统中处理生物因素。在序批式反应器中，部分硝化菌、CMX和厌氧氨氧化菌之间的协同作用实现了98.82%的NH+-N去除率[34]，表明CMX细菌可以在同步高脱氮中发挥协同作用。特别是在低氧条件下，CMX细菌将NH3氧化为NO已发现AOB和CMXNitrospira之间的合作可确保地下水快速砂滤器中的有效Cu刺激硝化[45]。为了了解CMX细菌的群落行为，已经进行了CMX中群体感应（QS）的研究，例如，CMX细菌含有负责合成酰基高丝氨酸内酯（AHL）和细胞外聚合物（EPS）的基因[77]。事实上，QS已在典型硝化菌的纯培养物[94]和混合培养物[95]以及自养硝化/反硝化生物膜[96]中得到鉴定。CMX细菌的生物膜形成潜力受到ABC转运蛋白（ko02010）和两种组分（ko02020）中存在的基因的良好调节[97]，证实CMX可能更喜欢在生物膜中生长。事实上，CMX工艺已经在生物膜反应器中得到了鉴定[98]，但在这些环境中其QS的分子细节尚不清楚[99]。总的来说，代谢异常是CMX由于CMX细胞中多种功能基因的表达，表明CMXNitrospira既能在污水中生长，也能在工业废水中生长。此外，CMX硝化螺旋菌的N2 O生成量低于典型硝化菌，这表明CMX的应用将有助于在不久的将来开发可持续的氮工艺。4. CMX细菌在工程系统中的行为4.1. 反应堆适应性CMXNitrospira具有独特的生理特性，如较低的NH3Km值、较高的lmax、较高的蛋白质mg/molNH3和较高的O2消耗速率（以摩尔O2：NH3计）[8]。这些特性使CMXNitrospira在WTP和WWTP中具有很强的适应能力，因为在WTP和WWTP中，水/废水成分和环境条件经常发生波动。分子方法的组合（即，qPCR，16 S rRNA基因测序和metage- nomics）证实了CMXNitrospira在市政污水处理厂的三级旋转生物承包商中优于AOA和AOB[10]，表明CMX细菌在城市污水处理厂中普遍存在。三级污水处理系统。此外，生物反应器中CMX细菌的存在可以提供一种了解各种环境因素对CMX不同空间和时间分布的影响的方法[59]。然而，CMX对硝化作用有显著贡献[100]。从不同工程化系统收集的样品的分子分析揭示CMX编码DNA序列（CDS）和总CDS的比率（%）在约0.3%和> 0.6%之间（图1B）。[15]）。在脱氯反应器中也发现了CMXNitrospirasp.的优势（图4（b）[72]），其中序列占7.2%至27.4%，这些细菌是脱氯反应器中负责硝化这些研究清楚地表明CMX细菌对反应器系统的适应性重要的是要注意，NH3浓度本身并不是工程中CMXNitrospira丰度的合适决定因素。系统.尽管高铵低浓度[101]和高丰度[61]的CMX细菌在污泥样品中也有报道。很难评估反应器中CMX细菌的丰度，除非研究检查底物范围、需氧量、生长速率和产量以及生物膜形成倾向。影响进化枝A和进化枝B的存在和优势的因素还不是很清楚[10]。Roots等人[73]发现，在主流中，当DO为0.2-1.0mg L-1时，CMX Nitrospira的铵去除率较高（约为59 mg-N（L d）硝化反应器美联储房城市污水见图4。CMX菌的反应器适应性(a)不同国家调查的全规模污水处理厂中CMX编码DNA序列（% CMX CDS）和总CDS的比率[15]。进料类型（1SS，2MS）和生物量（a颗粒，b生物膜，c混合液，d溢流，e底流，fALT（混合液），g接种物和h活性污泥）。(b)脱氯反应器中硝化螺菌的优势（平均值和标准差），以散点图和条形图显示[72]。MBBR：移动床生物膜反应器; BNR：生物脱氮除磷。N.R. 马德雷兹甘，Y。Meng等人工程17（2022）196202·2···（运行> 400 d）与DO = 3-5 mg L-1的常规活性污泥反应器相比，硝化效果明显提高。这清楚地表明CMX驱动的低DO硝化是常规高DO驱动的硝化的替代方案此外，在最近的一项调查中，发现CMX细菌在以NH3或NO然而，CMX细菌的硝化速率是近2倍，当与NH3投加时，比与NO2投加。这一发现可以在很大程度上加强基于CMX的过程的应用尽管如此，CMX细菌与典型硝化细菌的比率，或进化枝A与进化枝B的比率，受到氮-磷-钾（N-P-K）施肥的最近的一项研究还表明，与其他氨氧化微生物相比，CMX细菌在部分厌氧氨氧化生物反应器中受到游离氨的抑制更严重[104]。此外，长固体保留时间（SRT > 10d）和附着生长模式是进化枝A CMX细菌生长的有利条件[11]，并且发现SRT是CMX细菌流行的关键决定因素当然，长SRT对反应器系统中的微生物群落具有显著影响，例如生物膜厚度[105]、微生物生物多样性[106]、生物质浓度[107]和微生物挥发酸产量[108]。 此外，还发现硝化螺菌-抑制NO[62]第62话此外，根据amoA基因的系统发育分析，发现未培养的CMX硝基螺旋体在生物膜中占优势[62]。由于目前的污水处理厂主要采用生物膜法和活性污泥法，这些发现对污水处理厂的运行和设计具有重要意义。这可能是CMX在WTP或饮用水分配系统中无处不在的潜在原因，其中细菌通常可以以生物膜的形式存在4.2. 应激反应CMXNitrospira可以牢固地承受物理和化学诱导的应力。例如，当受到NH3饥饿胁迫时，在活性污泥中不断检测到Nitrospira，其中Nitrospira的DNA和互补DNA（cDNA）在整个饥饿实验中不受温度波动的影响[44]。一些基因编码酶（例如，超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和几种过氧化物酶）可以保护细菌免受活性氧（ROS）的侵害[17]。CMX细菌可以很好地适应水产养殖系统中的常用消毒剂，例如过氧乙酸（PAA）。PAA（1.1mg·L2 2在第13周逐渐下降[112]。这有力地表明，长SRT[109]。值得注意的是，在硝化颗粒中富集CMXNitro- spira是可行的，并且这些富集的培养物显示出令人满意的脱氮效率[110]。有趣的是，来自无脊椎动物的粘多糖可以在自然环境中影响CMX细菌（例如，沿海沉积物），也就是说，它们可以刺激NO3-氧化官能团[111]。最近，还发现CMXNitrospira表现出高效的氮在低DO和NH+和高SRT的工程系统中的去除CMX细菌对长期化学诱导胁迫的潜在适应性。CMX细菌的这种适应性反应在长期受精时也被发现[46]。四环素（TC）胁迫对硝化菌群有一定的缓解作用。20 mg L-1 TC对硝化反硝化相关功能基因丰度有不利影响，但这种影响在20 mg L-1 TC时-1在TC（20mg·L-1））和[73].这些见解提供了潜在的线索，优化生物反应器的配置和操作参数。此外，定量PCR和PCR克隆实验表明，CMX细菌对生物膜的适应性比悬浮膜更好图五.营养添加物对CMX细菌和典型硝化菌的影响[103]。(a)不同长期施肥制度下amoA基因拷贝数的比值。(b)与未处理对照相比，amoA基因拷贝数比率的下降或增加百分比Cu（II）（10 mg L重要的是，已经观察到CMX细菌的适应性在波动的环境中在生活方式之间切换。例如，CMX细菌触发细胞内化合物（如多磷酸盐、糖原和聚羟基链烷酸酯）的生物合成和降解，作为它们在不可食用条件下存活的一部分[17]。然而，其他典型硝化细菌的应激反应与CMX细菌中观察到的不同。例如，AOA模型，即Nitrosopumilus maritimusSCM 1，受到NH3饥饿和Cu胁迫的不利影响，导致负责能量产生和生物合成的基因下调[114]。这些先前的发现清楚地表明CMX细菌比典型硝化细菌具有更好的应激适应性尽管如此，CMXNitrospira似乎是一个潜在的候选人，在承受反应堆条件，因为这些细菌的适应性。抗理化胁迫是CMX硝化螺旋菌适应性的重要机制。应该注意的是，某些化学物质（如环丙沙星）的出现可能会显著抑制CMXNitrospira和氮的去除[47]。此外，与活性污泥中的相比，生物膜聚集体中的CMXNitrospira预计具有更高的操作灵活性，更低的空间要求，以及对环境波动的更好的适应性[115]，这对以CMX为中心的工艺的实际应用具有重大5. WTP和WWTP5.1. 微污染物的生物降解有趣的是，一些微污染物可以被CMX细菌完全降解，这为CMX在WTP和WWTP中提供了有前景的微污染物的命运N.R. 马德雷兹甘，Y。Meng等人工程17（2022）196203··2最近对硝化环境进行了研究[36]，发现Nitrospira inopinata对NH3-降解AMO系统具有高亲和力，并在NH3存在下降解磺草胺、环酰菌胺、米安色林、fantidine和多菌灵。负责利用尿素、胺和氰酸盐的活性基因的存在强烈表明CMX细菌可以潜在地降解除游离NH3之外的多种有机氮化合物[52]。值得注意的是，增加剂量（0- 100 mg/kg），30 mg L在所有取样时间（79-164天），对照和PAC投加反应器中的硝化物种占主导地位（8%-然而，CMX细菌在微污染物转化中的作用和机制还远未完全了解，值得在不久的将来进一步研究在WTP或WWTP中，硝化细菌通常在不同微污染物的降解中发挥重要作用，例如布洛芬和萘普生[116]、米安色林和雷尼替丁[117]、磺胺甲恶唑、红霉素、罗红霉素和氟西汀[118]以及三氯乙烷[119]。AMO可能在药物的羟基化中发挥重要作用[118]。基于酶的研究还证实，AMOs可以潜在地氧化各种脂肪族和芳香族烃[120]和微污染物[121]。重要的是，AMOs中的其他酶系统，如羟胺氧化还原酶（将羟胺催化为亚硝酸盐）和Nxr（将亚硝酸盐转化为硝酸盐），介导氧化生物转化反应，并在微污染物去除中发挥重要作用[121]。氨氧化剂的纯种培养物对重金属的耐受性Cu、Ni、Pb和Cd）在不同浓度（100-迄今为止，CMX细菌成功应用于工程系统中微污染物的去除或生物转化的证据有限[20，36]。然而，未来的研究是很大的战争咆哮。一方面，需要更实际的验证来确认CMX细菌降解和/或转化不同化学基团中的微污染物的潜力另一方面，应研究微污染物对CMX细菌的生态毒性或微污染物与CMX细菌之间的5.2. 共代谢生物转化CMX细菌倾向于在同时的NH3氧化期间通过脱氨基作用表现出微污染物的共代谢生物转化，例如药物[54，55]、人工甜味剂（例如，安赛蜜、阿斯巴甜、甜蜜素、糖精和三氯蔗糖）[56]、磺胺甲恶唑[57]和2-氯苯酚[58]。在好氧颗粒反应器中，去除选定的微污染物（例如，双酚A、萘草醚、Irgarol、特丁净和碘海醇）在同步硝化过程中由于AMOs的共氧化作用而特别增强[123]。类似地，酸性药物（例如， 吉非贝齐、双氯芬酸、苯扎贝特和酮洛芬），17a-乙炔基甜菜碱的硝化降解率天然雌酮（例如，17β-雌二醇和雌酮）改善[124]《易经》中的“道”字是“道”。这些先前的尝试清楚地表明，硝化酶（特别是AMO）似乎是非特异性的[125]，并且可以在硝化反应期间共降解几种烃。硝化菌群可广泛应用于污水处理厂中各种微污染物的去除某些微污染物对硝化过程表现出抑制或抑制作用例如，硝化活性污泥被发现是无效的抗双氯芬酸、地西泮、卡马西平和甲氧苄啶[118]。 尽管如此，一些新出现的污染物对细菌是有毒的，例如，已知唑类抑制硝化作用[126]。唑类化合物的毒性是由于硝化酶的活性位点被取代基修饰而引起的。虽然CMX、AOA、AOB和NOB在微污染物共代谢生物转化中的具体作用还没有得到很好的揭示，但这些功能菌的共代谢能力人们普遍认为，微污染物去除和共代谢生物转化可以被认为是水和废水处理过程中的有效特征;幸运的是，CMXNitrospira在这些活动中具有潜力。值得注意的是，环境和经济上可持续的WTP和WWTP尚未出现[127]，因为有令人信服的证据表明处理过的水或废水中存在微污染物[128另一方面，有机微污染物的共代谢生物转化在处理设施中普遍存在，例如活性污泥系统[131]和典型硝化系统[132，133]。总的来说，CMXNitrospira可以通过共代谢生物转化帮助消除微污染物。6. 知识差距可持续水或废水处理的CMX的形成取决于许多变量，需要全面的这些措施包括：(1) 在今后