ABSTRACT Cooperation between comammox and anammox bacteria for nitrogen removal has been recently reported in laboratory-scale systems including synthetic community construct; however, there are no reports of full-scale municipal wastewater treatment systems with such cooperation. Here, we report intrinsic and extant kinetics as well as genome-resolved community characterization of a full-scale integrated fixed film activated sludge (IFAS) system where comammox and anammox bacteria co-occur and appear to drive nitrogen loss. Intrinsic batch kinetic assays indicated that majority of the aerobic ammonia oxidation was driven by comammox bacteria (1.75 ± 0.08 mg-N/g TS-h) in the attached growth phase with minimal contribution by ammonia oxidizing bacteria. Interestingly, a portion of total inorganic nitrogen (∼8%) was consistently lost during these aerobic assays. Aerobic nitrite oxidation assays eliminated the possibility of denitrification as a cause of nitrogen loss, while anaerobic ammonia oxidation assays resulted in rates consistent with anammox stoichiometry. Full-scale experiments at different dissolved oxygen (DO = 2-6 mg/L) set points indicated persistent nitrogen loss that was partly sensitive to DO concentrations. Genome-resolved metagenomics confirmed high abundance (relative abundance 6.53 ± 0.34%) of two Brocadia- like anammox populations while comammox bacteria within the Ca . Nitrospira nitrosa cluster were lower in abundance (0.37% ± 0.03%) and Nitrosomonas -like ammonia oxidizers even lower (0.12% ± 0.02%). Collectively, our study reports for the first time the co-occurrence and co-operation of comammox and anammox bacteria in a full-scale municipal wastewater treatment system. Synopsis Comammox and anammox cooperation resulted in dissolved oxygen concentration dependent nitrogen loss in municipal wastewater treatment system.

Leveraging comammox

Abstract Studies have found Ca . Nitrospira nitrosa-like bacteria to be the principal or sole comammox bacteria in nitrogen removal systems for wastewater treatment. In contrast, multiple populations of strict ammonia and nitrite oxidizers co-exist in similar systems. This apparent lack of diversity is surprising and could impact the feasibility of leveraging comammox bacteria for nitrogen removal. We used full-length 16S rRNA gene sequencing and genome-resolved metagenomics to compare population-level (i.e., species) diversity of comammox bacteria with that of strict nitrifiers in full-scale wastewater treatment systems and assess whether these observations were consistent or diverged at the strain-level. Full-length 16S rRNA gene sequencing indicated that while Nitrosomonas -like bacteria exhibited higher population-level diversity, the effective microdiversity of most Nitrospira -like bacteria were comparatively higher except for one Nitrospira Lineage II population. Comammox bacterial metagenome assembled genomes (MAGs) were associated with Ca . Nitrospira nitrosa. The average amino acid identity between comammox bacterial MAGs (93% ± 3) across systems was significantly higher than that of the Nitrosomonas -like ammonia oxidizers (73%±8) and the Nitrospira -like nitrite oxidizer MAGs (75%±13), suggesting that the same comammox population was detected in all systems. Comammox bacteria and some ammonia oxidizers MAGs were significantly less microdiverse than most ammonia and nitrite oxidizers. Interestingly, strain-resolved analysis also indicates that different nitrogen removal systems harbor different comammox bacterial strains within the Ca . Nitrospira nitrosa cluster. These results suggest that comammox bacteria associated with Ca . Nitrospira nitrosa have low species- and strain-level diversity in nitrogen removal systems and may thus harbor specific adaptations to the wastewater ecosystem.

Abstract Complete ammonia oxidizing bacteria coexist with canonical ammonia and nitrite oxidizing bacteria in a wide range of environments. Whether this is due to competitive or cooperative interactions, or a result of niche separation is not yet clear. Understanding the factors driving coexistence of nitrifiers is critical to manage nitrification processes occurring in engineered and natural ecosystems. In this study, microcosm-based experiments were used to investigate the impact of nitrogen source and loading on the population dynamics of nitrifiers in drinking water biofilter media. Shotgun sequencing of DNA followed by co-assembly and reconstruction of metagenome assembled genomes revealed clade A2 comammox bacteria were likely the primary nitrifiers within microcosms and increased in abundance over Nitrsomonas-like ammonia and Nitrospira-like nitrite oxidizing bacteria irrespective of nitrogen source type or loading. Changes in comammox bacterial abundance did not correlate with either ammonia or nitrite oxidizing bacterial abundance in urea amended systems where metabolic reconstruction indicated potential for cross feeding between ammonia and nitrite oxidizing bacteria. In contrast, comammox bacterial abundance demonstrated a negative correlation with nitrite oxidizers in ammonia amended systems. This suggests potentially weaker synergistic relationships between ammonia and nitrite oxidizers might enable comammox bacteria to displace nitrite oxidizers from complex nitrifying communities.

Abstract While the co-existence of comammox bacteria with canonical nitrifiers is well documented in diverse ecosystems, there is still a dearth of knowledge about the mechanisms underpinning their interactions. Understanding these interaction mechanisms is important as they may play a critical role in governing nitrogen biotransformation in natural and engineered ecosystems. In this study, we tested the ability of two environmentally relevant factors (nitrogen source and availability) to shape interactions between strict ammonia and nitrite-oxidizing bacteria and comammox bacteria in continuous flow column reactors. The composition of inorganic nitrogen species in reactors fed either ammonia or urea was similar during the lowest nitrogen loading condition (1 mg-N/L), but higher loadings (2 and 4 mg-N/L) promoted significant differences in nitrogen species composition and nitrifier abundances. The abundance and diversity of comammox bacteria were dependent on both nitrogen source and loading conditions as multiple comammox bacterial populations were preferentially enriched in the urea-fed system. In contrast, their abundance was reduced in response to higher nitrogen loadings in the ammonia-fed system likely due to ammonia-based inhibition. The preferential enrichment of comammox bacteria in the urea-fed system could be associated with their ureolytic activity calibrated to their ammonia oxidation rates thus minimizing ammonia accumulation to inhibitory levels. However, an increased abundance of comammox bacteria was not associated with a reduced abundance of nitrite oxidizers in the urea-fed system while a negative correlation was found between them in the ammonia-fed system; the latter dynamic likely emerging from reduced availability of nitrite to strict nitrite oxidizers at low ammonia loading conditions. Importance Nitrification is an essential biological process in drinking water and wastewater treatment systems for managing nitrogen and protecting downstream water quality. The discovery of comammox bacteria and their detection alongside canonical nitrifiers in these engineered ecosystems has made it necessary to understand the environmental conditions that regulate their abundance and activity relative to other better-studied nitrifiers. This study aimed to evaluate two important factors that could potentially influence the behavior of nitrifying bacteria, and therefore impact nitrification processes. Colum reactors fed with either ammonia or urea were systematically monitored to capture changes in nitrogen biotransformation and the nitrifying community as a function of influent nitrogen concentration, nitrogen source, and reactor depth. Our findings show that comammox bacterial abundance decreased and that of nitrite oxidizers increased with increased ammonia availability, while their abundance and diversity increased with increasing urea availability without driving a reduction in the abundance of canonical nitrifiers.

Abstract Loss of basic utilities, such as drinking water and electricity distribution, were sustained for months in the aftermath of Hurricane Maria’s (HM) landfall in Puerto Rico (PR) in September 2017. The goal of this study was to assess if there was deterioration in biological quality of drinking water due to these disruptions. This study characterized the microbial composition of drinking water following HM across nine drinking water systems (DWSs) in PR and utilized an extended temporal sampling campaign to determine if changes in the drinking water microbiome were indicative of HM associated disturbance followed by recovery. In addition to monitoring water chemistry, the samples were subjected to culture independent targeted and non-targeted microbial analysis including quantitative PCR (qPCR) and genome-resolved metagenomics. The qPCR results showed that residual disinfectant was the major driver of bacterial concentrations in tap water with marked decrease in concentrations from early to late sampling timepoints. While Mycobacterium avium and Pseudomonas aeruginosa were not detected in any sampling locations and timepoints, genetic material from Leptospira and Legionella pneumophila were transiently detected in a few sampling locations. The majority of metagenome assembled genomes (MAGs) recovered from these samples were not associated with pathogens and were consistent with bacterial community members routinely detected in DWSs. Further, whole metagenome-level comparisons between drinking water samples collected in this study with samples from other full-scale DWS indicated no significant deviation from expected community membership of the drinking water microbiome. Overall, our results suggest that disruptions due to HM did not result in significant and sustained deterioration of biological quality of drinking water at our study sites. Graphical Abstract

The discovery of the complete ammonia oxidizing (comammox) bacteria overturns the traditional two-organism nitrification paradigm which largely underpins the design and operation of nitrogen removal during wastewater treatment. Quantifying the abundance, diversity, and activity of comammox bacteria in wastewater treatment systems is important for ensuring a clear understanding of the nitrogen biotransformations responsible for ammonia removal. To this end, we conducted a yearlong survey of 14 full-scale nitrogen removal systems including mainstream conventional and simultaneous nitrification-denitrification and side-stream partial nitrification-anammox systems with varying process configurations. Metagenomics and genome-resolved metagenomics identified comammox bacteria in mainstream conventional and simultaneous nitrification-denitrification systems, with no evidence for their presence in side-stream partial nitrification-anammox systems. Further, comammox bacterial diversity was restricted to clade A and these clade A comammox bacteria were detected in systems with long solids retention times (>10 days) and/or in the attached growth phase. Using a newly designed qPCR assay targeting the amoB gene of clade A comammox bacteria in combination with quantitation of other canonical nitrifiers, we show that long solids retention time is the key process parameter associated with the prevalence and abundance of comammox bacteria. The increase in comammox bacterial abundance was not associated with concomitant decrease in the abundance of canonical nitrifiers; however, systems with comammox bacteria showed significantly better and temporally stable ammonia removal compared to systems where they were not detected. Finally, in contrast to recent studies, we do not find any significant association of comammox bacterial prevalence and abundance with dissolved oxygen concentrations in this study.Highlights ![Figure][1] GRAPHICAL ABSTRACT [1]: pending:yes

Leveraging comammox Nitrospira and anammox bacteria for shortcut nitrogen removal can drastically lower the carbon footprint of wastewater treatment facilities by decreasing aeration energy, carbon, alkalinity, and tank volume requirements while also potentially reducing nitrous oxide emissions. However, their co-occurrence as dominant nitrifying bacteria is rarely reported in full-scale wastewater treatment. As a result, there is poor understanding of how operational parameters, in particular dissolved oxygen, impact their activity and synergistic behavior. Here, we report the impact of dissolved oxygen concentration (DO = 2, 4, 6 mg/L) on the microbial community's transcriptomic expression in a full-scale integrated fixed film activated sludge (IFAS) municipal wastewater treatment facility predominantly performed by comammox Nitrospira and anammox bacterial populations. 16S rRNA transcript compositions revealed anammox bacteria and Nitrospira were significantly more active in IFAS biofilms compared to suspended sludge biomass. In IFAS biofilms, anammox bacteria significantly increased hzo expression at lower dissolved oxygen concentrations and this increase was highly correlated with the amoA expression levels of comammox bacteria. Interestingly, the genes involved in nitrite oxidation by comammox bacteria were significantly more upregulated relative to the genes involved in ammonia oxidation with decreasing dissolved oxygen concentrations. Ultimately, our findings suggest that comammox Nitrospira supply anammox bacteria with nitrite via ammonia oxidation and that this synergistic behavior is dependent on dissolved oxygen concentrations.