Nitrification, the oxidation of ammonia via nitrite to nitrate, has always been considered to be a two-step process catalysed by chemolithoautotrophic microorganisms oxidizing either ammonia or nitrite. No known nitrifier carries out both steps, although complete nitrification should be energetically advantageous. This functional separation has puzzled microbiologists for a century. Here we report on the discovery and cultivation of a completely nitrifying bacterium from the genus Nitrospira, a globally distributed group of nitrite oxidizers. The genome of this chemolithoautotrophic organism encodes the pathways both for ammonia and nitrite oxidation, which are concomitantly activated during growth by ammonia oxidation to nitrate. Genes affiliated with the phylogenetically distinct ammonia monooxygenase and hydroxylamine dehydrogenase genes of Nitrospira are present in many environments and were retrieved on Nitrospira-contigs in new metagenomes from engineered systems. These findings fundamentally change our picture of nitrification and point to completely nitrifying Nitrospira as key components of nitrogen-cycling microbial communities.

Until now, the oxidation steps necessary for complete nitrification had always been observed to occur in two separate microorganisms in a cross-feeding interaction; here, together with the study by Daims et al., van Kessel et al. report the enrichment and characterization of Nitrospira species that encode all of the enzymes necessary to catalyse complete nitrification, a phenotype referred to as ‘comammox’ (for complete ammonia oxidation). Two groups this week report the enrichment and characterization of Nitrospira species that encode all of the enzymes necessary to catalyse complete nitrification, a phenotype referred to as 'comammox' (for complete ammonia oxidation). Until now, this two-step reaction was thought to involve two organisms in a cross-feeding interaction. Phylogenetic analyses suggest that comammox Nitrospira are present in a number of diverse environments, so these findings have the potential to fundamentally change our view of the nitrogen cycle and open a new frontier in nitrification research. Nitrification is a two-step process where ammonia is first oxidized to nitrite by ammonia-oxidizing bacteria and/or archaea, and subsequently to nitrate by nitrite-oxidizing bacteria. Already described by Winogradsky in 18901, this division of labour between the two functional groups is a generally accepted characteristic of the biogeochemical nitrogen cycle2. Complete oxidation of ammonia to nitrate in one organism (complete ammonia oxidation; comammox) is energetically feasible, and it was postulated that this process could occur under conditions selecting for species with lower growth rates but higher growth yields than canonical ammonia-oxidizing microorganisms3. Still, organisms catalysing this process have not yet been discovered. Here we report the enrichment and initial characterization of two Nitrospira species that encode all the enzymes necessary for ammonia oxidation via nitrite to nitrate in their genomes, and indeed completely oxidize ammonium to nitrate to conserve energy. Their ammonia monooxygenase (AMO) enzymes are phylogenetically distinct from currently identified AMOs, rendering recent acquisition by horizontal gene transfer from known ammonia-oxidizing microorganisms unlikely. We also found highly similar amoA sequences (encoding the AMO subunit A) in public sequence databases, which were apparently misclassified as methane monooxygenases. This recognition of a novel amoA sequence group will lead to an improved understanding of the environmental abundance and distribution of ammonia-oxidizing microorganisms. Furthermore, the discovery of the long-sought-after comammox process will change our perception of the nitrogen cycle.

A pure culture of the complete nitrifier Nitrospira inopinata shows a high affinity for ammonia, low maximum rate of ammonia oxidation, high growth yield compared to canonical nitrifiers and genomic potential for alternative metabolisms, probably reflecting an important role in nitrification in oligotrophic environments. Nitrospira inopinata was the first bacterium identified that is capable of catalysing complete ammonia oxidization (referred to as comammox). Holger Daims and colleagues now report a pure culture of this organism, which enabled a characterization of its physiology. The authors find that N. inopinata has a high affinity for ammonia, a low maximum rate of ammonia oxidation, a high growth yield compared to canonical nitrifiers, and the genomic potential for alternative metabolisms. The team compare the nitrification kinetics of N. inopinata to that of four ammonia-oxidizing archaea. The results suggest that N. inopinata is likely to have an important role in nitrification, especially in oligotrophic environments. Nitrification, the oxidation of ammonia (NH3) via nitrite (NO2−) to nitrate (NO3−), is a key process of the biogeochemical nitrogen cycle. For decades, ammonia and nitrite oxidation were thought to be separately catalysed by ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and archaea (AOA), and by nitrite-oxidizing bacteria (NOB). The recent discovery of complete ammonia oxidizers (comammox) in the NOB genus Nitrospira1,2, which alone convert ammonia to nitrate, raised questions about the ecological niches in which comammox Nitrospira successfully compete with canonical nitrifiers. Here we isolate a pure culture of a comammox bacterium, Nitrospira inopinata, and show that it is adapted to slow growth in oligotrophic and dynamic habitats on the basis of a high affinity for ammonia, low maximum rate of ammonia oxidation, high growth yield compared to canonical nitrifiers, and genomic potential for alternative metabolisms. The nitrification kinetics of four AOA from soil and hot springs were determined for comparison. Their surprisingly poor substrate affinities and lower growth yields reveal that, in contrast to earlier assumptions, AOA are not necessarily the most competitive ammonia oxidizers present in strongly oligotrophic environments and that N. inopinata has the highest substrate affinity of all analysed ammonia oxidizer isolates except the marine AOA Nitrosopumilus maritimus SCM1 (ref. 3). These results suggest a role for comammox organisms in nitrification under oligotrophic and dynamic conditions.

DNA extraction and primer choice have a large effect on the observed community structure in all microbial amplicon sequencing analyses. Although the biases are well known, no comprehensive analysis has been conducted in activated sludge communities. In this study we systematically explored the impact of a number of parameters on the observed microbial community: bead beating intensity, primer choice, extracellular DNA removal, and various PCR settings. In total, 176 samples were subjected to 16S rRNA amplicon sequencing, and selected samples were investigated through metagenomics and metatranscriptomics. Quantitative fluorescence in situ hybridization was used as a DNA extraction-independent method for qualitative comparison. In general, an effect on the observed community was found on all parameters tested, although bead beating and primer choice had the largest effect. The effect of bead beating intensity correlated with cell-wall strength as seen by a large increase in DNA from Gram-positive bacteria (up to 400%). However, significant differences were present at lower phylogenetic levels within the same phylum, suggesting that additional factors are at play. The best primer set based on in silico analysis was found to underestimate a number of important bacterial groups. For 16S rRNA gene analysis in activated sludge we recommend using the FastDNA SPIN Kit for Soil with four times the normal bead beating and V1-3 primers.

Nitrospira are a diverse group of nitrite-oxidizing bacteria and among the environmentally most widespread nitrifiers. However, they remain scarcely studied and mostly uncultured. Based on genomic and experimental data from Nitrospira moscoviensis representing the ubiquitous Nitrospira lineage II, we identified ecophysiological traits that contribute to the ecological success of Nitrospira. Unexpectedly, N. moscoviensis possesses genes coding for a urease and cleaves urea to ammonia and CO2. Ureolysis was not observed yet in nitrite oxidizers and enables N. moscoviensis to supply ammonia oxidizers lacking urease with ammonia from urea, which is fully nitrified by this consortium through reciprocal feeding. The presence of highly similar urease genes in Nitrospira lenta from activated sludge, in metagenomes from soils and freshwater habitats, and of other ureases in marine nitrite oxidizers, suggests a wide distribution of this extended interaction between ammonia and nitrite oxidizers, which enables nitrite-oxidizing bacteria to indirectly use urea as a source of energy. A soluble formate dehydrogenase lends additional ecophysiological flexibility and allows N. moscoviensis to use formate, with or without concomitant nitrite oxidation, using oxygen, nitrate, or both compounds as terminal electron acceptors. Compared with Nitrospira defluvii from lineage I, N. moscoviensis shares the Nitrospira core metabolism but shows substantial genomic dissimilarity including genes for adaptations to elevated oxygen concentrations. Reciprocal feeding and metabolic versatility, including the participation in different nitrogen cycling processes, likely are key factors for the niche partitioning, the ubiquity, and the high diversity of Nitrospira in natural and engineered ecosystems.

Abstract Understanding the microbial ecology of a system requires that the observed population dynamics can be linked to their metabolic functions. However, functional characterization is laborious and the choice of organisms should be prioritized to those that are frequently abundant (core) or transiently abundant, which are therefore putatively make the greatest contribution to carbon turnover in the system. We analyzed the microbial communities in 13 Danish wastewater treatment plants with nutrient removal in consecutive years and a single plant periodically over 6 years, using Illumina sequencing of 16S ribosomal RNA amplicons of the V4 region. The plants contained a core community of 63 abundant genus-level operational taxonomic units (OTUs) that made up 68% of the total reads. A core community consisting of abundant OTUs was also observed within the incoming wastewater to three plants. The net growth rate for individual OTUs was quantified using mass balance, and it was found that 10% of the total reads in the activated sludge were from slow or non-growing OTUs, and that their measured abundance was primarily because of immigration with the wastewater. Transiently abundant organisms were also identified. Among them the genus Nitrotoga (class Betaproteobacteria) was the most abundant putative nitrite oxidizer in a number of activated sludge plants, which challenges previous assumptions that Nitrospira (phylum Nitrospirae) are the primary nitrite-oxidizers in activated sludge systems with nutrient removal.

High-throughput amplicon sequencing of large genomic regions remains challenging for short-read technologies. Here, we report a high-throughput amplicon sequencing approach combining unique molecular identifiers (UMIs) with Oxford Nanopore Technologies (ONT) or Pacific Biosciences circular consensus sequencing, yielding high-accuracy single-molecule consensus sequences of large genomic regions. We applied our approach to sequence ribosomal RNA operon amplicons (~4,500 bp) and genomic sequences (>10,000 bp) of reference microbial communities in which we observed a chimera rate <0.02%. To reach a mean UMI consensus error rate <0.01%, a UMI read coverage of 15× (ONT R10.3), 25× (ONT R9.4.1) and 3× (Pacific Biosciences circular consensus sequencing) is needed, which provides a mean error rate of 0.0042%, 0.0041% and 0.0007%, respectively. This work presents a sequencing strategy based on unique molecular identifiers that improves long-read consensus sequence accuracy of targeted amplicons as well as shotgun whole-genome fragments.

The Microbial Database for Activated Sludge (MiDAS) field guide is a freely available online resource linking the identity of abundant and process critical microorganisms in activated sludge wastewater treatment systems to available data related to their functional importance. Phenotypic properties of some of these genera are described, but most are known only from sequence data. The MiDAS taxonomy is a manual curation of the SILVA taxonomy that proposes a name for all genus-level taxa observed to be abundant by large-scale 16 S rRNA gene amplicon sequencing of full-scale activated sludge communities. The taxonomy can be used to classify unknown sequences, and the online MiDAS field guide links the identity to the available information about their morphology, diversity, physiology and distribution. The use of a common taxonomy across the field will provide a solid foundation for the study of microbial ecology of the activated sludge process and related treatment processes. The online MiDAS field guide is a collaborative workspace intended to facilitate a better understanding of the ecology of activated sludge and related treatment processes—knowledge that will be an invaluable resource for the optimal design and operation of these systems. Database URL:http://www.midasfieldguide.org

Long-read Oxford Nanopore sequencing has democratized microbial genome sequencing and enables the recovery of highly contiguous microbial genomes from isolates or metagenomes. However, to obtain near-finished genomes it has been necessary to include short-read polishing to correct insertions and deletions derived from homopolymer regions. Here, we show that Oxford Nanopore R10.4 can be used to generate near-finished microbial genomes from isolates or metagenomes without short-read or reference polishing.