氨氧化微生物的生理代谢机制及在水处理系统中的分布研究进展

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2024-0624

摘要/Abstract

摘要：

硝化过程和反硝化过程在水处理系统的生物脱氮中发挥着重要作用，其中硝化过程中的氨氧化是脱氮的限速步骤，其能够将低价态的氨氮转化为高价态的亚硝酸盐氮或硝酸盐氮，对氮的去除起着关键作用。综述了氨氧化古菌（AOA）、氨氧化细菌（AOB）以及近年来新发现的完全氨氧化菌（Comammox）这3类氨氧化微生物的研究进展，包括其系统发育、反应动力学、代谢路径、产N₂O机理和来源识别及其在水处理生物脱氮系统中的分布，并对其在生物脱氮工艺中的应用及未来的研究方向进行了探讨和展望，提出未来应针对AOA、AOB、Comammox富集培养的影响因素和条件优化、三者之间的竞争和结合及其在水处理系统中的生态位分布进行重点研究。

关键词: 氨氧化古菌, 氨氧化细菌, 完全氨氧化菌, 生物脱氮, 生态位分布

Abstract:

Nitrification and denitrification processes play crucial roles in biological nitrogen removal in water treatment systems. The ammonia oxidation in nitrification is the rate-limiting process, which converts low-valent ammonia-nitrogen into high-valent nitrite-nitrogen or nitrate-nitrogen, and plays a key role in nitrogen removal. In this paper, recent research progress on three types of ammonia-oxidizing microorganisms, including ammonia-oxidizing archaea(AOA), ammonia-oxidizing bacteria(AOB), and the recently discovered complete ammonia oxidizer(Comammox), were summarized. Those specifically related to their systematic development, reaction kinetics, metabolic pathways, N₂O production mechanisms and source identification, as well as their distribution in water treatment biological denitrification systems, were analyzed. Additionally, the application of these ammonia-oxidizing microorganisms in biological nitrogen removal processes and future research directions were discussed and prospected. It was proposed that future research should focus on the influencing factors and optimization of enrichment culture conditions for AOA, AOB, and Comammox, the competition and interactions among them, and their niche distribution in water treatment systems.

Key words: ammonia-oxidizing archaea, ammonia-oxidizing bacteria, complete ammonia oxidizer, biological nitrogen removal, niche distribution

中图分类号:

X703.1

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https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I6/88

图/表 4

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典型水处理系统类型	采样点	环境参数	微生物类型和丰度	参考文献
饮用水处理系统	臭氧-颗粒活性炭过滤	NH₄ ⁺-N 5 mg/L，温度20 ℃	AOA，5.9×10⁵~1.3×10⁷ cps/g；AOB，<2.6×10⁵ cps/g （均以单位质量滤料中含有的拷贝数计）	〔60〕
	快速沉砂池	NH₄ ⁺-N 0.41~1.09 mg/L，DO 0.31~1.10 mg/L，pH 7.4±0.3，温度（9.3±0.4） ℃	AOA，2.3×10³~1.5×10⁴ cps/g；AOB，5.8×10⁷~2.3×10⁸ cps/g；Nitrospira，1.7×10⁸~2.4×10⁹ cps/g （均以单位质量滤料中含有的拷贝数计）	〔61〕
	地下水滤床	NH₄ ⁺-N 0.01~0.53 mg/L，NO₃ ^--N 0.01~2.42 mg/L，DO 4.41~11.04 mg/L，温度 8.6~13.2 ℃	Comammox，10⁷~10¹⁰ cps/g；AOB，10⁷~10⁹ cps/g；AOA，未检测到（均以单位质量滤料中含有的拷贝数计）	〔62-63〕
	家庭水龙头	NH₄ ⁺-N<0.2 mg/L	AOA，1~361序列数；AOB，1~1 055序列数； Comammox，0~290序列数	〔64〕
污水处理系统	活性污泥（8个污水处理厂）	DO 1.20~5.19 mg/L，温度14.5~30.0 ℃， pH 6.85~7.76	AOA，0~5.7×10⁸ cps/g；AOB，2.09×10⁶~9.72×10⁷ cps/g；Comammox，7.11×10⁷~2.81×10⁹ cps/g （均以单位质量干污泥中含有的拷贝数计）	〔65〕
	SBR	DO 2.0、4.0 mg/L	AOA，未检测到；AOB，1.21×10⁷~8.58×10⁷ cps/g；Comammox菌，6.25×10⁷~4.16×10⁸ cps/g （均以单位质量VSS含有的拷贝数计）	〔66〕
	SBR	NH₄ ⁺-N 40 mg/m³，温度（25±2） ℃， DO （0.5±0.1） g/m³	AOA，未检测到；AOB，（7.7±1.0）×10⁵ cps/g；Comammox，（8.3±0.5）×10³ cps/g （均以单位质量生物质含有的拷贝数计）	〔67〕
	MBR	NH₄ ⁺-N 100~700 mg/L，尿素N 10~50 mg/L，pH 6.0±0.1，DO>7.0 mg/L	AOA，10³ cps/mL；AOB，1.22×10⁴~5.52×10⁶ cps/mL； Comammox，1.20×10⁵~1.48×10⁸ cps/mL （均以单位体积活性污泥中含有的拷贝数计）	〔68〕
	AAO-WWTPs	DO 2.0~5.2 mg/L，温度19.6~28.0 ℃， pH 7.1~7.8	AOA，1.90×10⁶~1.10×10⁹ cps/g；AOB，1.86×10⁶~3.80×10⁸ cps/g；Comammox，1.90×10⁷~3.00×10⁹ cps/g （均以单位质量干污泥中含有的拷贝数计）	〔69〕
	活性污泥（23个市政污水处理厂）	DO 2~3 mg/L，NH₄ ⁺-N 7~67 mg/L，温度4~20 ℃，pH 6.80~7.97	AOA，2.42×10⁷~2.47×10⁹ cps/g；AOB，5.54×10⁶~3.31×10⁹ cps/g；Ca. Nitrospira inopinata，8.47×10⁶ cps/g （均以单位质量干污泥中含有的拷贝数计）	〔70〕
	好氧池生物膜		AOA，未检测到；AOB，1×10⁶~4×10⁷ cps/g；Comammox，约8×10⁷ cps/g （均以单位质量生物膜中含有的拷贝数计）	〔71〕

典型水处理系统类型	采样点	环境参数	微生物类型和丰度	参考文献
饮用水处理系统	臭氧-颗粒活性炭过滤	NH₄ ⁺-N 5 mg/L，温度20 ℃	AOA，5.9×10⁵~1.3×10⁷ cps/g；AOB，<2.6×10⁵ cps/g （均以单位质量滤料中含有的拷贝数计）	〔60〕
	快速沉砂池	NH₄ ⁺-N 0.41~1.09 mg/L，DO 0.31~1.10 mg/L，pH 7.4±0.3，温度（9.3±0.4） ℃	AOA，2.3×10³~1.5×10⁴ cps/g；AOB，5.8×10⁷~2.3×10⁸ cps/g；Nitrospira，1.7×10⁸~2.4×10⁹ cps/g （均以单位质量滤料中含有的拷贝数计）	〔61〕
	地下水滤床	NH₄ ⁺-N 0.01~0.53 mg/L，NO₃ ^--N 0.01~2.42 mg/L，DO 4.41~11.04 mg/L，温度 8.6~13.2 ℃	Comammox，10⁷~10¹⁰ cps/g；AOB，10⁷~10⁹ cps/g；AOA，未检测到（均以单位质量滤料中含有的拷贝数计）	〔62-63〕
	家庭水龙头	NH₄ ⁺-N<0.2 mg/L	AOA，1~361序列数；AOB，1~1 055序列数； Comammox，0~290序列数	〔64〕
污水处理系统	活性污泥（8个污水处理厂）	DO 1.20~5.19 mg/L，温度14.5~30.0 ℃， pH 6.85~7.76	AOA，0~5.7×10⁸ cps/g；AOB，2.09×10⁶~9.72×10⁷ cps/g；Comammox，7.11×10⁷~2.81×10⁹ cps/g （均以单位质量干污泥中含有的拷贝数计）	〔65〕
	SBR	DO 2.0、4.0 mg/L	AOA，未检测到；AOB，1.21×10⁷~8.58×10⁷ cps/g；Comammox菌，6.25×10⁷~4.16×10⁸ cps/g （均以单位质量VSS含有的拷贝数计）	〔66〕
	SBR	NH₄ ⁺-N 40 mg/m³，温度（25±2） ℃， DO （0.5±0.1） g/m³	AOA，未检测到；AOB，（7.7±1.0）×10⁵ cps/g；Comammox，（8.3±0.5）×10³ cps/g （均以单位质量生物质含有的拷贝数计）	〔67〕
	MBR	NH₄ ⁺-N 100~700 mg/L，尿素N 10~50 mg/L，pH 6.0±0.1，DO>7.0 mg/L	AOA，10³ cps/mL；AOB，1.22×10⁴~5.52×10⁶ cps/mL； Comammox，1.20×10⁵~1.48×10⁸ cps/mL （均以单位体积活性污泥中含有的拷贝数计）	〔68〕
	AAO-WWTPs	DO 2.0~5.2 mg/L，温度19.6~28.0 ℃， pH 7.1~7.8	AOA，1.90×10⁶~1.10×10⁹ cps/g；AOB，1.86×10⁶~3.80×10⁸ cps/g；Comammox，1.90×10⁷~3.00×10⁹ cps/g （均以单位质量干污泥中含有的拷贝数计）	〔69〕
	活性污泥（23个市政污水处理厂）	DO 2~3 mg/L，NH₄ ⁺-N 7~67 mg/L，温度4~20 ℃，pH 6.80~7.97	AOA，2.42×10⁷~2.47×10⁹ cps/g；AOB，5.54×10⁶~3.31×10⁹ cps/g；Ca. Nitrospira inopinata，8.47×10⁶ cps/g （均以单位质量干污泥中含有的拷贝数计）	〔70〕
	好氧池生物膜		AOA，未检测到；AOB，1×10⁶~4×10⁷ cps/g；Comammox，约8×10⁷ cps/g （均以单位质量生物膜中含有的拷贝数计）	〔71〕

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