图文摘要 | Graphical abstract

导读 | Introduction

一个多世纪以来，人们一直认为硝化作用是分步发生的，包括氨氧化细菌（ammonia-oxidizing bacteria, AOB）或氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea, AOA）驱动的氨氧化过程生成亚硝酸盐，然后亚硝酸盐氧化细菌（NOB）氧化前段反应的产物生成硝酸盐。直到2015年，Daims等（doi: 10.1038/nature16461）在Nitrospira属一株完全硝化细菌中发现完全的氨氧化过程（COMplete AMMonia OXidation, Comammox）及其代谢途径。在comammox细菌细胞内，氨态氮可通过氨单加氧酶、羟胺脱氢酶和亚硝酸盐氧化还原酶被完全氧化成硝态氮。在过去五年，comammox的研究取得了很大进展。然而，仍存在许多问题，包括comammox对硝化作用的贡献有多大？多样性如何，是否有新的菌株有待发现？Comammox细菌是否产生温室气体N₂O？它们如何或在多大程度上可能导致全球气候变化？以上四个方面的研究对农田氮管理、水生态环境修复和减缓全球气候变化具有重要意义。

一、完全氨氧化菌分布及鉴定

Distribution and identification of comammox

Comammox菌属广泛分布在土壤，河流，湖泊，滩涂，河口等自然生态系统和污水处理厂，饮用水系统，淡水养殖系统等人工生态系统。目前，海洋生态系统只在陆海过渡阶段，包括河口，潮滩，盐沼和红树林中发现存在comammox菌。Comammox菌完整的氨氧化途径由氨单加氧酶、羟胺脱氢酶和亚硝酸盐氧化还原酶组成（图一）。其中在各生态系统中，氨单加氧酶基因（amoA）在系统发育分析中与其余硝化菌形成明显分离的分支，是一种理想的系统发育生物标志物，用于在不同生态系统复杂微生物群落中的识别和定量。

图1. 完全氨氧化与典型氨/亚硝酸盐氧化的微生物代谢及途径

二、完全氨氧化菌生理生化特征

Physiological and biochemical characteristics of comammox

已知的comammox细菌属于硝基螺旋体(Nitrospira)谱系II。基于amoA基因的系统发育分析，comammox Nitrospira被划分为A和B类。在污水处理厂、饮用水植物、旱地农田、水田、森林、草地、沉积物、地下水和湿地等生态系统中提取1330条comammox amoA 基因序列进行系统发育分析（图二）。结果表明，comammox克隆或宏基因序列均没有表现出时空异质性和温度异质性，comammox Nitrospira进化枝A比进化枝B分布更广，且进化支B的多样性和丰度均低于进化支A。同时，湿地系统的comammox Nitrospira的生物多样性最高，而河流和湖泊系统的生物多样性最低。在人工生态系统中，comammox的多样性在污水处理厂最高，在旱地最低。

通过与 AOB和AOA的比较分析，comammox细菌的amoA基因表现出更高的多样性，表明comammox过程可能在与其他氨氧化菌的竞争中占优势。底物的可利用性显著地影响comammox细菌种群结构。Comammox分支A常分布于土壤和地表沉积物，施用氮肥能显著增加其丰度。进化分支B在未加NH₄⁺-N的土壤中对硝化作用的贡献更大，这可能是因为分支B中存在铵转运体，因此对铵态氮有更高的亲和力。

图2. Comammox在不同生态系统中的系统发育和多样性分析

三、 完全氨氧化菌生态位

Niches of comammox

揭示comammox Nitrospira、AOA和AOB的生态位差异对理解全球氮循环有重要意义。生物地球化学参数，而不是生物地理因素，被认为是comammox丰度分布的主要决定因素。结构方程模型分析表明，pH值是影响comammox全球丰度分布的最重要因素。

图3. 不同生态系统中参与氨氧化过程的微生物(AOA、AOB、Comammox)的组成和丰度以及生物地球化学因子对这三种类型微生物的影响

四、完全氨氧化菌活性测定

Comammox activity measurement

目前，comammox活性测定最适合的方法是抑制剂法或DNA稳定同位素探针法(DNA−SIP)。本研究组开发了双抑制剂方法，以区分comammox、古菌硝化和细菌硝化过程，并评价comammox对旱地农田土壤和湿地沉积物中氨氧化的贡献 (图4)。

图4. comammox活性测定方法示意图

五、完全氨氧化与N₂O相关

Comammox-related N₂O

大量研究证明，AOB和AOA是N₂O的主要产生者，而comammox能产生多少N₂O还没有明确的报道，但comammox菌确实含有与N₂O产生相关的酶和功能基因。但comammox可能是一种更“绿色”的过程，并且在自然和工程系统中均已被广泛检测到。三种氨氧化菌的竞争可能会影响N₂O的排放。例如，在自然和人工生态系统中，采用有利于comammox菌生长的条件，可降低硝化过程的N₂O排放，从而影响全球变化。

总结 | Conclusions

本文系统总结了comammox在全球不同生态系统的分布、反应机理、关键影响参数和对N₂O产生的贡献，为comammox“热点”研究提供了新的视角。提出了comammox和anammox在实际应用中共存的可能性和有效性，并引发了加强comammox过程从而减少硝化过程N₂O排放以缓解全球变暖的思考。同时，也回答了长期困扰我们的四个问题：1）虽然comammox过程的发现时间不长，但它在全球陆地硝化过程中发挥着重要作用；2）不同生态系统中comammox Nitrospira的多样性差异显著，新发现的comammox Nitrospira菌株较少；3）comammox细菌确实含有与产生N₂O相关的酶和功能基因；4）然而，comammox能否产生N₂O及其对全球气候变化的贡献仍有待进一步探讨。

主要作者：朱永官 院士

中国科学院城市环境研究所

中国科学院生态环境研究中心

中国科学院院士，发展中国家科学院院士，国家杰出青年基金获得者，万人计划科技创新领军人才，“未来地球计划”中国委员会委员，国际科联（ICSU）“城市化与人类福祉”研究计划委员，国际土壤联合会专业委员会副主席等，现任Environ Int主编（2018-至今）、Soil Ecol Lett 创刊主编，曾任Environ Technol Innov创刊主编（2014-2018），Environ Pollut 副主编（2008-2012）等。主要从事环境微生物生态及环境污染物安全风险评估相关研究，在抗生素抗性研究领域引领国际。荣获国家自然科学二等奖，发展中国家科学院（TWAS）农业科学奖，国际土壤科学联合会李比希奖（首位亚洲科学家）等奖项。在Nature、Science、PNAS、Nat Plants、Nat Microbiol等发表文章500多篇，引用37000多次，H指数为105，2016-2021年连续六年被科睿唯安评为高被引科学家。

第一兼通讯作者：祝贵兵 研究员

中国科学院生态环境研究中心

中国科学院生态环境研究中心研究员、中组部万人计划领军人才、洪堡学者、国家优秀青年基金获得者。主要研究领域为湿地氮循环与氮污染控制。目前以第一作者和通讯作者公开发表相关论文共100余篇，其中SCI收录论文80篇，包括《Nature Geoscience》、《The ISME Journal》和《Environ. Sci. Technol.》等，总被引用6000余次，H指数35。

来源：总环境科学STOTEN

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