生物硝化过程(即通过微生物将氨氮氧化成硝酸盐)是地球氮循环的核心组成部分，被认为分两个步骤并由两类细菌分别催化完成^[1-2]。如图 1所示，步骤一是氨氧化过程，即氨氧化细菌(Ammonia oxidizing bacteria，AOB)将氨氮氧化成亚硝酸盐(NH₃→NO₂⁻)，重要的催化酶为氨单加氧酶(Ammonia monooxygenase，AMO)和羟胺脱氢酶(Hydroxylamine dehydrogenase，HAO)，AOB主要包括亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas spp.)和亚硝化螺菌属(Nitrosospira spp.)等；步骤二则是亚硝酸盐氧化过程(NO₂⁻→NO₃⁻)，即硝化细菌(Nitrite oxidizing bacteria，NOB)把亚硝酸盐氧化成硝酸盐，重要的催化酶是亚硝酸盐氧化还原酶(Nitrite oxidoreductase，NXR)，NOB主要包括硝化螺菌属(Nitrospira spp.)和硝化菌属(Nitrobacter spp.)等^{[1, 3-4]}。两步硝化理论认为AOB与NOB紧密配合，共同完成氨氮氧化成硝酸盐的过程^[5-6]，这是Winogradsky在1890年提出的观点，并且得到学术界的一致认可。

1 典型氨氧化和硝化菌群

一百多年以来AOB被认为是唯一的氨氧化微生物(Ammonia oxidizing microorganisms，AOM)，它们分布广泛，在淡水^[7]、土壤^[8]、饮用水处理厂^[9]和污水处理厂^[10]等环境均被检出。如表 1所示，AOB属于变形菌门(Proteobacteria)的Beta亚门(Betaproteobacteria)和Gamma亚门(Gammaproteobacteria)，分别称为Beta-AOB和Gamma-AOB^{[3, 11]}。Beta-AOB包括亚硝化球菌属(Nitrosococcus)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和亚硝化螺菌属(Nitrosospira)^[3]，Gamma-AOB则包括亚硝化球菌属(Nitrosococcus)^{[3, 11]}。直到2005年，在海洋中第一次发现了属于泉古菌门(Crenarchaeota)的氨氧化古菌(Ammonia oxidizing archaea，AOA)——Nitrosopumilus maritimus^[12]，后被重新划分到奇古菌门(Thaumarchaeota)^[13]，作为另外一种AOM，它的发现拓展了学术界对于氨氧化过程的认识，同时它在环境中的分布及其对地球氮循环的贡献是学术界的研究热点之一^{[6, 14]}。与AOB相似，AOA的分布也十分广泛，包括淡水^[15]、土壤^[16]、污水处理厂^[17]等自然环境和人工系统。如表 1所示，AOA主要属于奇古菌门(Thaumarchaeota)^[18]，包括Nitrososphaera、Nitrosopumilus、Nitrosotalea、Nitrosocaldus、Nitrososphaera 5个属^{[3, 11]}。迄今为止已报道的AOA多属于中温古菌，最佳生长温度低于50 ℃^[19-21]。此外，科学家还陆续发现了来自Nitrosocaldus属的嗜热AOA，其中Candidatus Nitrosocaldus yellowstonii是能够在74 ℃生长的好氧氨氧化自养泉古菌^[22]；Candidatus Nitrosocaldus islandicus是最近报道的从冰岛一个73 ℃热温泉生物膜上富集的AOA^[23]，其氨氧化活性的温度范围为50−70 ℃^[23]。大量的研究表明AOB和AOA相对丰度与氨氮(NH₄⁺-N)浓度密切相关^[24-28]。

与氨氧化过程相比，由于大多数生态系统不积累亚硝酸盐，亚硝酸盐氧化过程受到较少的关注，同时，催化亚硝酸盐氧化过程的主要功能菌NOB是专性化能自养细菌，被认为生理功能有限，发现新的生理生化性能的可能性较小，因此对于NOB的研究落后于AOM^[29]。目前已发现的NOB包括4个细菌门中的7个属(表 1)，分别属于变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、Nitrospinae和硝化螺菌门(Nitrospirae)。其中来自硝化螺菌门的硝化螺菌属(Nitrospira)多样性最高，至少含有6个系统发育谱系，分别是Lineage Ⅰ−Ⅵ和其他Nitrospira^[29]。

2 全程氨氧化微生物的发现

典型的AOM和NOB并非近缘微生物，它们不具备同时氧化氨氮和亚硝酸盐的能力，由于两个步骤的分离，AOM与NOB紧密结合协作完成整个硝化过程，因此经常在生境中观察到AOM与NOB的共聚体^[30]。然而，全程氨氧化的标准热力学自由能变(ΔG°′=−348.9 kJ/mol NH₃)比单独的氨氧化(ΔG°′=−274.7 kJ/mol NH₃)或亚硝酸盐氧化(ΔG°′=−74.1 kJ/mol NO₂⁻)产生的能量更多[见反应式(1)−(3)]^[30]。从动力学理论角度来看，相较于分步硝化，独立完成氨氧化和亚硝酸盐氧化过程的全程氨氧化微生物(Complete ammonia oxidizer，Comammox)在多数环境中应具有更大优势，且适宜在产率较高而生长速率较低的条件下生长^[5]。该理论为Comammox的存在和发现提供了依据。

(1)

(2)

(3)

从反应式(1)、(2)可知，利用氧气作为电子受体时，理论上AOM转化每单位氮释放的能量比NOB多2倍，这意味着该条件下AOM/NOB的数量比大约是2^[31-34]，同步反硝化利用亚硝酸盐作为电子受体会引起NOB反应底物变少，导致AOM/NOB比值大于2，因此把AOM/NOB的比值大于1看成一个结论^[35-36]。然而，在某些环境样本中检测到Nitrospira的丰度很高，超过同一样本中已知的AOM丰度^[37-38]。采用两步硝化理论不能完全解释这种现象，从另外的角度说明环境中Comammox存在的可能性。

直到2015年底，这个持续一个多世纪的被人们广泛接受的两步硝化理论受到了挑战。Daims等^[30]和van Kessel等^[39]分别发现和报道了3个属于Nitrospira的细菌(分别是Candidatus Nitrospira inopinata、Candidatus Nitrospira nitrosa和Candidatus Nitrospira nitrificans)，并证实了它们都具有全程氨氧化的能力，即一类微生物可以完成氨氮氧化成硝酸盐的过程，统称为Comammox。Comammox的发现使人们对氮循环过程有了一个全新的认识。

Daims等^[30]从俄罗斯北高加索地区Aushiger的一个1 200 m深的石油勘探井中的热水管壁上采集生物膜，于46 ℃含铵无机介质下培养并富集适温型AOM，获得能够将氨氮氧化成硝酸盐的微生物群落(ENR4)。ENR4包含一种形态像Nitrospira spp.的生物菌群，同时也包含一种杆状菌群，但在群落中没有发现形态像已知AOM的微生物菌群。此外，针对硝化细菌特异性rRNA靶向探针的荧光原位杂交(Fluorescent in situ hybridization，FISH)实验证明ENR4仅包含Nitrospira属硝化菌，杆状菌群是无氨氧化能力的Betaproteobacterium。采用PCR技术在ENR4群落中没有检测到任何已知AOB和AOA的amoA基因或16S rRNA基因。为了进一步探究ENR4的情况，研究者提取其DNA并进行宏基因组测序，根据宏基因组测序结果的相对覆盖度计算，Nitrospira在ENR4中占整个菌群的68%−80%，其次是Betaproteobacterium占比18%−29%，其余两种微生物的占比总和不到2%。进一步培养ENR4，使之继续富集并命名为ENR6菌群。ENR6菌群仍具有把氨氮完全氧化成硝酸盐的能力，且只含有Nitrospira (60%)和Betaproteobacterium (40%)。为了验证Nitrospira群落是否具有全程氨氧化的能力，研究者分别从ENR4和ENR6的宏基因组序列中重建完整的Nitrospira基因组，发现从2个富集菌群获得的Nitrospira基因组是相同的，该菌株被命名为Candidatus Nitrospira inopinata。Ca. N. inopinata具有亚硝酸盐氧化的关键酶——亚硝酸盐氧化还原酶(NXR)，其基因组包含编码NXR的α和β亚基(即nxrA和nxrB基因)，与其他典型Nitrospira基因组携带2−5个同源拷贝的nxrA和nxrB基因所不同，Ca. N. inopinata只携带这些基因的一个拷贝。更值得关注的是，Ca. N. inopinata还具有氨氧化的特征酶AMO和HAO，但它们的amoA基因与典型AOM的amoA基因不同，因此在利用PCR技术初筛ENR4的amoA基因时未被检出。Ca. N. inopinata同时具有氨氧化和亚硝酸盐氧化的特征基因，充分表明其具有全程氨氧化潜能。此外，ENR4的其他3种细菌的基因组中没有携带典型的硝化基因，表明这3种共存的微生物是利用由自养微生物Nitrospira产生的有机底物作为能量的异养微生物。基于16S rRNA基因序列系统发育分析表明，Ca. N. inopinata属于Nitrospira属广泛分布的谱系Ⅱ。谱系Ⅱ中的其他可培养的Nitrospira菌株是N. moscoviensis、N. lanta和N. japonica，但它们是典型的NOB，不携带氨氧化的基因^[30]。

与此同时，van Kessel等^[39]从循环水产养殖系统连接的滴滤池的厌氧隔间中采集样(出水的氨氮浓度小于100 μmol/L)，通过搭建生物反应器，在低氧条件下(≤3.1 μmol/L O₂)供应低浓度的氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐来富集与氮循环相关的微生物。在12个月内富集到能有效去除培养基中氨氮和亚硝酸盐的微生物群落，FISH检测结果显示Brocadia属的厌氧氨氧化微生物占整个微生物群落的45%，而Nitrospira属的硝化细菌大约占15%，并和Brocadia属的微生物紧密结合，二者都依靠亚硝酸盐来生长。为了探究Nitrospira在微生物群落中的功能，对富集培养的微生物群落提取DNA并进行测序，从中得到2个高质量的Nitrospira物种基因组草图。这2个菌株基因组的平均核苷酸相似性(ANI)为75%，说明是不同的物种(Nitrospira sp.1和sp.2)。它们都携带用于氨氧化的全套AMO和HAO基因，以及亚硝酸盐氧化所必需的NXR基因，表明Nitrospira sp.1和sp.2具有将氨完全氧化成硝酸盐的潜力。此外，这2个Nitrospira微生物的amoA基因也与典型AOM的amoA基因不同。在NCBI nr数据库中搜索与2个Nitrospira微生物的amoA基因相似程度高的基因，发现其与典型细菌的amoA基因的相似度较低，在系统发育上属于不同分支。有趣的是，Nitrospira sp.2的amoA与Crenothrix polyspora中的所谓“特殊”甲烷单加氧酶(PMO)的α亚基(pmoA)具有97%−98%的相似性，Nitrospira sp.1的两个amoA拷贝与Crenothrix的pmoA相似性较低(90%−91%)。证明这种特殊的amoA基因之前就已被发现，只是错误地分配到与PMO相关的基因谱系中。Nitrospira sp.1编码3个独立的amoC基因，其中1个amoC与第2个amoA形成一个基因簇，它们之间有97.7%的氨基酸相似性。Nitrospira sp.2缺少第2个amoA，但携带另外4个amoC和第2个haoA基因。此外，在它们的亚硝酸盐氧化的相关基因中，Nitrospira sp.2携带4个几乎相同的(> 99%氨基酸相似性) NXR的α和β亚基(nxrAB)，Nitrospira sp.1携带2个编码相同的nxrB，以及两个氨基酸相似性仅为89.6%的nxrA。Daims等^[30]描述的Ca. N. inopinata和van Kessel等^[39]描述的2个物种之间的ANI值为70.3%−71.6%，表明它们3个是不同的微生物。基于16S rRNA基因的系统发育分析证明，这2种具有全程氨氧化能力的微生物也属于Nitrospira属谱系Ⅱ，分别被命名为Candidatus Nitrospira nitrosa和Candidatus Nitrospira nitrificans^[39]。

Comammox的发现不仅拓展了人们对于生物硝化过程的认识，同时引发了学术界一系列深入的思考和进一步研究，包括Comammox的多样性和生境的探究、生理生化特性研究以及它与其他氮循环功能菌群的相互关系等。

3 全程氨氧化微生物的分布

为了揭示Comammox在不同生境中的分布以及多样性，研究者在公共数据库中挖掘与Comammox的amoA基因相似的序列，根据amoA基因的相似性将Comammox分为两大分支clade A和clade B (表 2)，它们来自不同的环境样本，包括土壤(稻田、森林等)^{[30, 39]}、淡水环境(湿地、河床、湖泊沉积物、蓄水层)^[30]、污水处理厂^[39]和自来水厂生物膜^{[30, 40]}等，但至今尚末在海洋环境中找到Comammox存在的依据^[30]。Comammox对氨氮具有较高亲和性，且适合在低氨氮环境下生存的特点与AOA的生理特性类似，而AOA首先是在海洋生境中被发现，所以海洋中是否存在Comammox是个未来值得探讨的课题。

3.1 饮用水供水系统

Comammox适合在氨氮浓度较低的环境中生长，我国的供水标准规定自来水中氨氮的限值是0.5 mg/L，因此自来水生产系统和供水管道很可能是Comammox的理想生境之一。在发现Comammox之前，以Nitrospira为主的NOB广泛分布于饮用水处理厂的设备和给水配水系统的管道中^[49-51]。Pinto等^[52]从饮用水处理厂的生物活性过滤装置上采集生物膜，通过宏基因组学手段，获得一个Nitrospira属的NOB基因组，该基因组具有氨氧化过程催化酶AMO和HAO的全套特征基因，表明其具有潜在的全程氨氧化能力。

Wang等^[2]为了探究饮用水配水系统中Comammox的分布情况，利用宏基因组学方法筛查了来自全球若干个饮用水水源地、自来水处理厂和配水管道的12个生物膜样本中的amoA基因，结果表明来自新加坡和斯坦福样本中的AOB amoA序列是Comammox amoA序列的3.4−3.5倍，但来自澳门自来水处理厂、河南自来水厂石英砂过滤器、海南自来水配水管道以及香港自来水配水管道的4个样本中Comammox amoA序列的丰度远高于AOA和AOB的amoA序列，达到2−5倍^[2]，仅从河南自来水厂石英砂过滤器样本中就鉴定出4 311条类Comammox amoA序列。由此推测，在自来水处理系统中Comammox对于硝化作用可能有较大的贡献。

3.2 地下水快速砂滤系统

地下水中营养物含量较低，也被认为是Comammox适宜生长的环境之一。Fowler等^[53]采集12个地下水快速砂滤系统(Rapid sand filters，RSF)的生物膜样本来探究Comammox的存在情况。基于细菌16S rRNA基因的qPCR结果显示：NOB的数量占据整个微生物菌群的24%−59%，其中Nitrospira spp.是主要的NOB，平均占整个微生物菌群的34%，同时nxrB基因的测序结果表明它们多属于Nitrospira谱系Ⅱ。作者对比16S rRNA基因和nxrB基因的测序结果，认为基于这两个基因对Comammox的分类是粗糙的，因为Comammox的16S rRNA基因和nxrB与非Comammox的相应基因具有很高的相似性。通过提高相似性阈值与Comammox的参考库作比对来评判样本是否存在Comammox，结果发现Comammox占据Nitrospira丰度的最小比例是78% (根据16S rRNA基因比对)和28% (根据nxrB基因比对)，基于nxrB基因计算丰度的方法是保守的，可能具有较大误差。此外，发现基于16S rRNA基因评估的数据和通过Nitrospira amoA引物的qPCR数据结果一致，结果表明，Comammox在Nitrospira菌群中占据较高比例，因此推测在地下水生境中Comammox对硝化反应的贡献较大。对amoA基因的测序结果显示，Comammox clade B的丰度比clade A更高，占了大约75%^[53]。

同样地，Palomo等^[54]从一个地下水RSF的不同位置采集6个生物膜样本，经宏基因组测序，获得14个几乎完整的基因组。通过代谢功能表征发现样本中Nitrospira的丰度很高，其中一个基因组携带全程氨氧化的基因。系统发育分析表明该样本包含的Comammox基因未能归类到先前已报道的Nitrospira谱系Ⅰ和Ⅱ^{[30, 39]}中，由此研究者预测该样本包含的Comammox可能属于某个Nitrospira的新谱系，这也表明环境中还有待发掘属于其他新谱系的Comammox。

3.3 淡水循环水产养殖系统

循环水产养殖系统(Recirculating aquacultrue systems，RAS)主要利用微生物的新陈代谢去除水中过量的氮，避免累积的氨氮与亚硝酸盐使水生生物中毒。在生物硝化过滤器的生物膜上，Nitrospira spp.是十分常见的NOB菌属^[55]，而Comammox恰恰是属于该菌属。为了探明RAS中是否存在Comammox，Bartelme等^[55]研究一个已经运行超过15年的淡水循环水产养殖系统的流动砂滤生物膜，对生物滤池中不同深度和时间点的样本进行16S rRNA基因测序，结果表明非硝化细菌约占总细菌群落的92%，Nitrosomonas属的氨氧化细菌在整个细菌群落所占比例小于1%，Nitrospira属硝化细菌占细菌群落的2%−5%。随后对硝化细菌进行标记基因扩增和TA克隆测序，结果显示样本中含有两个属于Nitrospira但系统发育分化不同的nxrB序列进化支，两者的基因仅有85%−86%的核苷酸相似性，这些Nitrospira spp.随后被证实具有全程氨氧化的能力。通过对样品进行amoA和nxrB基因的qPCR测定，发现Comammox的丰度比AOA和AOB的丰度都高，由此推测在此生境下的硝化反应中Comammox可能比典型的AOM具有更高的贡献程度。

3.4 大气颗粒物

大气中的营养物质含量较低，其中的颗粒物可能是Comammox的另一个栖息地。然而，相对于水环境，对大气中尤其是PM_2.5中的Comammox的研究较少。Gao等^[3]收集京津冀某些特大城市的PM_2.5样本，采用对靶基因扩增引物的TA克隆测序和qPCR等方法来研究PM_2.5中Comammox的存在情况，结果显示测得的序列与Ca. N. inopinata的序列有100%的相似性，证明PM_2.5中存在Comammox。同时采用qPCR对样本中Ca. N. inopinata的amoA基因进行定量，其丰度范围为(2.71×10³±2.62×10³)−(7.35×10²±4.53×10¹)个细胞/m³空气。与AOA和AOB的丰度相比，Ca. N. inopinata的丰度较低，AOA和AOB与Ca. N. inopinata比例范围分别为2.58−116.57和1.40−6.46。以上结果说明Comammox存在于大气颗粒物中，但丰度较低，其对硝化贡献度有待进一步探究。但值得注意的是，只选取一种引物来鉴定Comammox的丰度的结果比实际情况偏低，因为可能存在其他无法用此引物扩增的Comammox。

3.5 污水处理厂

污水处理厂的活性污泥含有多种功能菌群，包括异养有机降解细菌、AOM、NOB、反硝化细菌和聚磷菌等，它们对污水处理效果起到关键作用。污水处理厂好氧反应器中的生物膜经常暴露于具有梯度的氧浓度和氨氮浓度下，这也很可能为Comammox的生长提供了适宜的环境。Chao等^[56]为了探索污水厂中脱氮细菌的新型功能基因，从香港污水处理厂的好氧反应器中收集活性污泥和生物膜样本，进行宏基因组和16S rRNA基因高通量测序。通过数据分析在样本中发现两种Comammox amoA基因，它们与已报道的全程氨氧化菌Ca. N. inopinata的amoA基因的相似性水平分别为91%和90%，由序列覆盖度计算分析显示它们在整个微生物群落的丰度低于0.1%，基本说明污水厂环境中存在Comammox，但其丰度低，对脱氮过程的贡献较小。

此外，Gonzalez-Martinez等^[57]对污水厂的6个活性污泥系统和3个自养脱氮系统采集的样本进行454焦磷酸测序，通过系统发育分析表明，生物反应器中发现的几种Nitrospira序列是Comammox。Pjevac等^[40]使用设计的PCR引物对污水厂活性污泥微生物进行Comammox amoA基因的qPCR定量，结果显示Comammox amoA拷贝数占总体的amoA拷贝数的14%−34%，从基因分析上表明Comammox对污水厂的硝化过程可能有一定的贡献。同样地，Annavajhala等^[58]在6座不同的污水处理厂的生物脱氮处理装置的主管和支管的污水中采集16个样本，通过宏基因分析发现样本中都有Comammox的存在，且Comammox占菌群的比例为0.28%−0.64%，以上报道皆表明污水处理厂存在着Comammox，但总体来说相对丰度较低，对硝化过程的贡献可能不大。后续工作应该探索实验室规模下Comammox的富集方法，进一步加深对其热力学、生物动力学等参数的理解。摸索Comammox适宜生长的工程条件，搭建有关Comammox的生物反应器，将Comammox的功能与反应器操作参数联系起来，并最终量化生物脱氮系统中Comammox对生物硝化的贡献，为现有水处理厂脱氮系统的诊断和新型脱氮工艺的设计奠定理论基础。

4 全程氨氧化微生物的分子生物学检测

Comammox携带负责氨氧化的AMO和HAO，同时还携带亚硝酸盐氧化必需的NXR，其中amoA是AMO的标记基因，nxrB是NXR常用的标记基因。现已报道的Comammox微生物属于Nitrospira谱系Ⅰ和Ⅱ^{[30, 39, 52, 54]}，这个谱系也包括典型的只具有亚硝酸盐氧化能力的NOB^[40]。基于16S rRNA或者nxrB基因的系统发育分析表明已知的Comammox在Nitrospira谱系Ⅱ中没有形成单支，它们与典型的NOB散布在一起^[40]，因此无法通过16S rRNA或nxrB基因的系统发育分析来推断Nitrospira微生物是否属于Comammox或典型的NOB^[40]。但它们的amoA基因与典型的AOM的amoA基因不同^{[37, 46]}，可以通过设计Comammox amoA基因的特异性引物来筛查样本中Comammox的存在情况。

Fowler等^[53]设计amoA引物(Ntsp-amoA 162F和Ntsp-amoA 359R)来检测地下水快速砂滤系统(RSF)样本中的Comammox，这对引物可以同时扩增Comammox clade A和clad B的amoA基因；Bartelme等^[55]为了筛查循环水产养殖系统样本中Comammox的存在情况，设计双端引物(pmoA- 189b-F和Com_amoA_1_R)扩增样本中的amoA基因，但该引物仅能够检测到Comammox clade A的amoA基因的序列片段，并且不能用于Comammox clade B的amoA基因的扩增；Pjevac等^[40]设计了扩增Comammox amoA基因的PCR引物来验证多种环境中Comammox的分布情况，它可以覆盖目前数据库中所发现的95%的Comammox clade A和92%的clade B的amoA基因序列(表 3)。

未来随着新型Comammox的不断涌现，新的针对Comammox特征基因的PCR扩增引物和生物探针也将不断被设计和推广，为后续Comammox的快速鉴别提供有效的技术手段。

5 全程氨氧化微生物的硝化动力学研究

尽管相关文献已经报道Comammox在自然和人工系统环境中分布广泛^{[30, 39]}，但其对生态系统中硝化作用的潜在贡献研究甚少。Daims等^[30]已经富集到包含Ca. N. inopinata (约占总菌群的60%)和Betaproteobacterium (约占总菌群的40%)的混合菌群，并通过纯化培养Ca. N. inopinata来研究其生理特性^[59]。培养的Ca. N. inopinata能够符合化学计量比1:2来消耗NH₃和O₂，最终把NH₃氧化成NO₃⁻，并且在反应中可观察到瞬时积累NO₂⁻的现象，经过实验分析，它在37 ℃具有最高的氧化效率。通过计算，Ca. N. inopinata在总氨氮浓度低至5 μmol/L时达到最大总氨氮氧化速率(V_max)，其平均V_max为14.8 μmol N/(mg蛋白· h)，且遵循米门(Michaelis-Menten)动力学模型，平均表观半饱和常数K_m(app)=0.84 μmol/L总氨。此表观半饱和常数K_m(app)比已报道的非海洋环境氨氧化微生物(AOA和AOB)的K_m(app)更低，表明其在贫营养环境具有更高的适应性。Ca. N. inopinata的亚硝酸盐氧化过程也遵循Michaelis-Menten动力学模型，并且通过实验发现，在高浓度(> 2 mmol/L NO₂⁻)下O₂消耗达到最大速率。值得注意的是，NO₂⁻的平均表观半饱和常数K_m(app)(449.2 μmol/L NO₂⁻)与典型的亚硝酸盐氧化Nitrospira^[60]的平均表观半饱和常数K_m(app)(9−27 μmol/L NO₂⁻)的比值高达50:1，因此Comammox对亚硝酸盐的亲和力较低。Comammox对氨氧化具有高亲和力，同时对亚硝酸盐氧化具有低亲和力的实验结果与上文提及的全程氨氧化实验过程中观察到亚硝酸盐的瞬间积累现象相吻合。从理论上来说，Comammox在氧化每摩尔氨氮时比非Comammox具有更高的生长产率，这是因为它们较长的代谢途径提供了由亚硝酸盐氧化产生的额外的ATP。通过实验测定也证明了Ca. N. inopinata在氧化每摩尔氨氮时，比AOA释放更多的能量，已经报道的AOB释放的能量甚至低于AOA^[61]。Ca. N. inopinata具有高产率、高底物亲和力和相对较低的最大氧化速率的特征表明了其适应在高度寡营养条件下慢生长的生态位点，这也为后续拓展Comammox在人工强化系统中的应用指明了方向。

6 结论和展望

生物硝化过程作为全球氮循环的核心组成部分，通常被认为是由AOM和NOB分两步催化完成。2015年全程氨氧化微生物(Comammox)的发现，使传统的两步生物硝化理论受到质疑，进一步升华研究者对氨氧化和亚硝酸盐氧化过程的理解。全程氨氧化微生物的发现大大拓展了学术界对于氮循环的认识，需要重新筛查硝化菌群的微生物结构以评估它们对氮循环的贡献。现有研究报道Comammox适合生长在氨氮浓度较低的环境，同时对amoA基因的筛查发现其广泛分布于自然环境和人工系统，包括陆地土壤、河流湖泊、污水处理厂和饮用水供水系统等。根据Comammox适宜生长的环境，本文综述了饮用水供水系统、地下水快速砂滤系统、淡水循环水产养殖系统、大气颗粒物以及污水处理厂5种不同生境下Comammox的多样性以及丰度情况。

随着现代生物学技术的不断发展，基于特定基因的PCR及qPCR技术、TA克隆技术、16S rRNA基因高通量测序技术、宏基因组学等技术已经应用到对Comammox的研究当中，对不同生境中的Comammox的基因组序列、生理特征、分布范围以及Comammox所占菌群丰度均有报道，但仍有一些问题亟待解决，包括：(1) Comammox对地球氮循环过程的相对贡献程度及其与典型AOM和NOB的代谢网络关系还不是非常明确；(2)目前已经报道的Comammox微生物仅属于Nitrospira谱系Ⅰ和Ⅱ^{[30, 39, 52, 54]}，但在地下水的快速过滤系统的生物膜上发现了可能属于Nitrospira新谱系的Comammox^[54]，而其他Nitrospira谱系甚至其他NOB或AOM是否也含有Comammox需要进一步探讨；(3)目前已经富集培养的Comammox的基因组不仅含有全套全程氨氧化的功能基因，同时也含有其他的功能基因^{[30, 39]}，虽然通过实验已经证明其具有全程氨氧化的能力，但全套氨氧化基因是否能单独表达，还是需要与其他基因共表达尚未清楚。宏基因组学从基因层面证明了Comammox的全程氨氧化潜力，后续还需借助转录组学、蛋白质组学、代谢组学等多组学手段继续探究其生理生化特性。此外，由于Comammox适应低氨氮的生存环境以及产率高而生长率低的生理生化特性，使它有望用于微污染水体的生物脱氮过程。近年来随着地表水水质的不断下降，水源地水质也受到不同程度的污染，利用Comammox作为功能微生物开发新型的微污染水体脱氮工艺，或将成为未来的一个研究方向。