基于好氧甲烷氧化菌的反硝化效能及微生物群落研究

采用气体循环序批式生物膜反应器（gcSBBR）,构建反硝化型甲烷好氧氧化（AME-D）系统.考察了进水氮负荷的影响,发现氮负荷为0.075kg/（m³·d）时,硝酸盐氮去除率达到98.93%,其反硝化速率为74.25mg/（L·d）,系统的甲烷日平均消耗量为35.91%（初期为50%）;扫描电子显微镜（SEM）分析结果显示,系统中的微生物主要以短杆菌（12~18 μm）为主,并存在少量的丝状菌（长150~200μm）;16S rRNA高通量测序结果显示,该系统中的甲烷氧化菌为Methylocaldum、Methylomonas、Methylococcus和Methylococcaceae_unclassified,反硝化菌为Denitratisoma、Hydrogenophaga、Azoarcus、Thiobacillus和Rhodobacter,其中主要的功能微生物为Methylocaldum、Denitratisoma和Hydrogenophaga,系统对氮的去除是由好氧甲烷氧化菌与反硝化菌协同实现.此外,系统中存在大量以甲醇和甲基胺类物质为生长基质的Methylophilaceae_uncultured（30.4%）.     

有机碳源对同时硝化/反硝化(SND)过程的影响

究了同时硝化 反硝化 (SimultaneousNitrificationandDenitrification ,SND)体系中有机碳源对氨氮去除的影响。实验结果表明 ,在氨氮初始浓度为 35mg L时 ,存在使氨氮降解率达到 99 5 %以上的有机碳源浓度区间 ,其CODCr浓度为40 0mg L～ 10 0 0mg L ;为保证反应后期体系中C N维持在微生物所需的水平 ,提出了补料的方式 ,使得氨氮降解不会出现停滞阶段 ,可以达到较好的去除效果 ;在周期为 8h的连续序批式 (SBR)操作中 ,采用较高的有机碳源初始进料值 ,并在反应过程中进行补料 ,可以很好的将出水氨氮的浓度维持在较低值 (<5mg L)     

硫酸盐和Fe(Ⅱ)EDTA-NO/Fe(Ⅲ)EDTA厌氧还原过程特性及微生物群落分析

在生物法烟气脱硫技术(Bio-FGD)和络合吸收生物还原脱硝技术(BioDeNO_x)基础上,提出了生物结合络合吸收同步脱硫脱硝的工艺思路,该工艺利用加入Fe(Ⅱ)EDTA的碱性吸收液同时吸收烟气中的二氧化硫(SO_2)和一氧化氮(NO).本研究在厌氧反应器中实现烟气脱硫脱硝吸收产物硫酸盐和Fe(Ⅱ)EDTA-NO/Fe(Ⅲ)EDTA的同步去除.结果表明,水力停留时间为16 h,p H维持在7.0时,硫酸盐的平均去除率为95.16%,Fe(Ⅱ)EDTA-NO的平均去除率为96.61%.硫酸盐的还原产物主要以液相中硫离子和气相中硫化氢的形式存在,Fe(Ⅱ)EDTA-NO的最终还原产物为N2.反应运行的各个阶段均可实现Fe(Ⅲ)EDTA的还原,但还原率会随HRT降低而下降.第5阶段反应器中主要的硫酸盐还原菌为Desulfomicrobium,同时存在异养反硝化菌Pseudomonas与两种硫自养反硝化菌Sulfurimonas与Sulfurovum,并发现了两种具有还原单质硫功能的菌属Thermovirga与Mesotoga.     

接种菌根真菌对湿生植物根际土壤硝化反硝化活性的影响及其微生物机制

为探究接种菌根真菌对湿生植物根际土壤硝化-反硝化作用的影响,以湿生植物旱伞草和石菖蒲为材料,接种筛选自本地植物根系及根际土壤的菌根真菌混合菌种MF-MD为试验组,并设置未接种植物作为对照组.在水体氮素富营养化条件下种植3个月,然后测定植物根际土壤硝化反硝化活性.结果表明,接种MF-MD能促进两种植物根际土壤硝化反应,同时接种MF-MD促进了旱伞草根际土壤反硝化作用但是抑制了石菖蒲根际土壤反硝化作用.从接种后植物根际土壤微生物量,硝化细菌与反硝化细菌群落结构变化等角度分析了引起土壤硝化-反硝化反应发生变化的原因.发现接种处理的试验组湿生植物根际土壤微生物量(soil microbial biomass,SMB)高于对照组但差异不显著,且与对照组相比,试验组与土壤硝化反硝化作用相关的微生物群落结构发生变化.此试验对于研究菌根真菌结合湿生植物去除富营养化水体中的N元素具有积极意义.     

外源Fe调控根系微生物群落结构和功能对水稻Cd积累的影响

探究外源铁（Fe）在水稻镉（Cd）阻控效应方面的研究对保障粮食安全具有重要意义.通过水培实验,研究了3种Fe浓度（5、50和500 μmol·L^-1 EDTA-Na₂Fe）对水稻Cd的积累效应和根系微生物群落结构的影响.结果表明,环境Fe浓度的增加促使水稻根表铁膜的形成,缺Fe和Fe充裕情况下均会促进根表铁膜对Cd的吸附固定.和正常Fe相比,缺Fe促进根Cd和地上部Cd累积,分别增加了49.76%和15.68%;而Fe充裕促进了根Cd的积累,增加了18.39%,但显著降低地上部Cd的含量,降低幅度为35.95%.采用16S rRNA高通量测序测定根系微生物群落结构并通过PCA、LEfSe和RDA等分析方法发现,和正常Fe相比,缺Fe环境会降低根系微生物的丰富度和均匀度,在门水平下Proteobacteria和Bacteroidetes为优势菌群,缺Fe抑制Bacteroidetes相对丰度的增加,Fe充裕使Proteobacteria相对丰度降低.而在属水平功能微生物Ensifer、Rhodopila、Bdellovibrio和Dyella等的相对丰度在不同处理下发生改变,可能通过影响根表铁膜的形成和其他生化过程继而影响水稻对Cd的吸收和积累.并且缺Fe环境对微生物功能影响高于Fe充裕环境.为探寻不同Fe环境下调控水稻根系微生物的群落结构变化,以降低水稻对Cd的吸收转运能力,进而为Fe对Cd的阻控机制提供理论依据,并为我国南方稻田Cd污染治理提供重要参考.     

抗生素对耐药型反硝化菌反硝化过程及微生物群落结构的影响

城市污水中部分抗生素通过常规工艺处理的去除率较低,导致自然水环境中微生物耐药性增强.为降低抗生素对城镇受纳水体的生态危害,提出了利用耐药型反硝化菌的共代谢作用降解微量抗生素的风险控制技术.采用乙酸钠为电子供体,并保持氧氟沙星(OFLX)浓度为1μg·L^-1,逐步提高抗生素降解菌的优势生长,分别培养获得仅有乙酸钠和氮元素存在条件下的反硝化菌群(DnB₁)、微量抗生素与乙酸钠、氮元素同时存在条件的反硝化菌群(DnB₂).考察了抗生素通过反硝化共代谢的降解效果,抗生素对耐药型反硝化菌脱氮过程的影响,以及微生物群落结构的变化情况.结果表明DnB₂相比于DnB₁,对OFLX具有明显降解作用, DnB₁和DnB₂对OFLX的降解量分别为0.31μg·g^-1和16.14μg·g^-1.OFLX浓度的提高,会在短期内抑制DnB₁反硝化活性.DnB₂反硝化过程受OFL...     

运行模式对同步短程硝化反硝化脱氮及微生物群落特征的影响

采用复合序批式生物膜反应器（HSBBR）处理高盐废水,实现了同步短程硝化反硝化脱氮。考察了运行模式对同步短程硝化反硝化系统COD去除和脱氮性能的影响,利用高通量测序技术分析了微生物群落的变化。结果表明:当反应器以缺氧/好氧交替模式运行时（缺氧/好氧时间比为2.0 h/4.5 h）,NH₃-N、总无机氮（TIN）和COD去除率分别为95.00%、84.83%和86.72%,出水中含有NO₂--N和NO₃--N。以完全好氧模式运行时（缺氧/好氧时间比为0.0/6.5 h）,NH₃-N去除率达到100.00%,TIN和COD去除率分别为85.94%和89.46%,出水中只含有NO₂--N。高通量测序结果表明:在门水平上,2种模式下生物膜和悬浮污泥中的优势菌均为变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）;Nitrosomonas是本研究检测出的唯一氨氧化菌（AOB）属,当反应器由缺氧/好氧交替模式转换为完全好氧模式时,悬浮污泥和生物膜中Nitrosomonas的相对丰度均增加;悬浮污泥和生物膜中优势反硝化菌属相似,包括Candidatus_Competibacter、Paracoccus、Thauera和Denitratisoma,在完全好氧模式下,悬浮污泥和生物膜中Candidatus_Competibacter和Thauera的相对丰度较低,而Paracoccus和Denitratisoma的相对丰度较高。多种反硝化菌与氨氧化菌的共同作用,使反应器能够实现高效同步短程硝化反硝化脱氮。     

生物质炭对双季稻田土壤反硝化功能微生物的影响

目前,基于田间条件下生物质炭添加对稻田反硝化微生物的调控效应还不甚明确.为此,本研究采用小区试验,通过在双季稻田添加不同量的小麦秸秆生物质炭(0、24和48 t·hm-2,分别用CK、LC和HC代表),结合实时荧光定量PCR(q PCR)和末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)分析技术,研究了生物质炭添加对双季稻田休闲季和水稻季土壤反硝化微生物相关功能基因(调控硝酸还原酶的nar G基因,亚硝酸还原酶的nir K基因和氧化亚氮还原酶的nos Z基因)的影响.由于生物质炭呈碱性,添加到土壤后,可提高稻田休闲季土壤p H 0. 2～0. 8个单位.生物质炭本身含有部分可溶性N,因此,添加生物质炭可增加休闲季土壤铵态氮(NH_4~+-N)和硝态氮(NO_3~--N)含量,增幅分别达21. 1%～32. 5%和63. 0%～176. 0%,但由于其吸附作用,降低了水稻季NH_4~+-N含量48. 8%～60. 1%.生物质炭添加增加了休闲季微生物生物量氮(MBN)含量,这可能是由于生物质炭较大的比表面积为微生物生存提供了适宜的环境,可利用养分的增加促进了微生物的生长.与对照相比,休闲季生物质炭引起的NH_4~+-N和NO_3~--N含量增加,促进NH_4~+-N向NO_3~--N的转化,进而增加nar G和nos Z的基因丰度(P0. 05),同时,生物质炭处理p H的提高促进了nos Z的基因丰度的增加,显著改变了反硝化功能基因nar G和nos Z的群落结构,并以此对反硝化作用产生影响,但未对休闲季氧化亚氮(N_2O)排放产生影响.而在水稻季,生物质炭增加了土壤nos Z的基因丰度(P 0. 05),HC处理增加了nir K基因丰度(P 0. 05),这也是导致水稻季HC处理N_2O排放增加的重要原因.生物质炭通过降低水稻季土壤NH_4~+-N含量,改变了nir K和nos Z基因的群落结构,而nar G基因群落结构的变化影响了土壤N_2O排放.综上所述,生物质炭可通过改变双季稻田土壤性质,来影响参与土壤反硝化作用的相关微生物,进而影响土壤N_2O排放及NO_3~--N的淋失.     

葡萄糖对硫自养反硝化性能及微生物群落的影响

文章在圆柱状填充床生物反应器中成功启动硫自养反硝化过程,系统运行稳定后,第60天,在反应器进水中加入适量的葡萄糖(C/N=5∶1)将自养条件改变为混养条件,NO_3~--N去除率由75%提升到95%以上,并消除NO_2~--N积累现象。通过分析高通量测序结果发现:葡萄糖的加入对系统的微生物群落有很大的影响,变形菌门(Proteobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)丰度减少,酸杆菌门(Acidobacteria)和Latescibacteria几近消失,而拟杆菌门(Firmicutes)和硬壁菌门(Bacteroidetes)的丰度却有较大的提升。从属水平的分析结果对比发现:硫酸杆菌属(Thiobacillus)和硫磺菌属(Sulfurimonas)在硫自养反硝化系统中占比高达33.7%和16.9%,加入葡萄糖后丰富度分别降到11.7%和9.6%,而unclassified_f_Enterobacteriaceae,Gemmobacter,明串珠菌属(Trichococcus)以及假单胞菌属(Pseudomonas)等异养或者混养反硝化菌属丰度明显增加。     

Fe3+对反硝化系统除磷效果及微生物产物的影响

铁盐常作为化学药剂来辅助城市污水处理厂的生物除磷. 利用间歇试验考察投加不同ρ(FeCl₃)时反硝化除磷系统中污染物的去除效果以及EPS(胞外聚合物)、PHA(聚羟基脂肪酸酯)、糖原的形成与转化,并通过分析胞内Fe3+含量来解析Fe3+对反硝化除磷系统的影响. 结果表明:①Fe3+投加量(以ρ计)<10 mg/L时,系统中PO₄3-P的去除率由未投加时的88.4%升至100%;Fe3+投加量>10 mg/L时,PO₄3-P的去除率随Fe3+投加量的增加而缓慢降至84.4%(Fe3+投加量为25 mg/L时). ②Fe3+投加量(10 mg/L)较低时,会增加污泥中w(总EPS);但由于Fe3+会与EPS中的羟基、氨基等官能团发生络合反应,导致Fe3+投加量(>10 mg/L)较高时可检出的w(总EPS)降低. ③投加Fe3+对厌氧段内w(PHA)、w(糖原)的变化及生物释磷的抑制作用影响不大,但Fe3+投加量(>10 mg/L)较高时对缺氧段NO₃--N的生物利用、生物吸磷作用以及PHA和糖原的转化速率有明显的抑制作用. ④缺氧阶段末胞内Fe3+含量(以w计)增加144%(Fe3+投加量为25 mg/L时),说明抑制作用主要是因为缺氧段Fe3+随细胞吸磷作用一并进入胞内,直接影响生物酶活性.      

1株反硝化除磷菌的鉴定及其反硝化功能基因研究

研究反硝化除磷菌(denitrifying polyphosphate-accumulating organism,DPAO)的筛选、鉴定及反硝化功能基因.利用反硝化培养基分离得到菌株ZQN2,经好氧吸磷试验,硝酸盐还原产气试验并辅助异染颗粒和PHB颗粒染色,确定其为反硝化除磷菌.厌氧释磷/缺氧吸磷试验结果表明,菌株ZQN2在厌氧段释磷并合成PHB(poly-β-hydroxybutyrate),在缺氧段以NO3-为电子受体氧化PHB并过量吸磷,进行了同步反硝化除磷.对菌株ZQN2进行16S rRNA基因序列分析,并构建系统进化树,结果表明该菌株与GenBank数据库中多株Bacillus cereus菌株16S rRNA基因的同源性在99%以上.结合生理生化检测,判断菌株ZQN2为蜡状芽胞杆菌(Bacillus cereus).对其反硝化功能基因的研究表明,菌株ZQN2为nirS+和nirK-型,从分子生物学角度确认其具有反硝化功能;菌株ZQN2的nirS序列的系统发育分析结果表明,其nirS序列与多株Pseadomonas aeruginosa的亲缘关系最接近,这与基于16S rRNA的系统发育分析的结果不一致.     

现代非培养技术在反硝化微生物种群结构和功能研究中的应用

反硝化过程对于废水生物脱氮工艺的运行、土壤肥分的流失以及N2O的排放均具有重要意义,但参与反硝化过程的微生物种类繁多且多数不可培养,导致对自然环境中反硝化微生物的种群结构及功能的研究具有很大难度.现代非培养分子技术的发展使得对反硝化微生物进行原位、准确、全面的研究成为可能.对反硝化功能基因进行指纹图谱分析、定量PCR或者利用FISH等技术可以有效确定反硝化菌的组成和数量,通过检测反硝化酶和mRNA可将反硝化菌的种群鉴定与代谢活性联系起来,最近新出现的同位素底物标记技术甚至可直接确定反硝化菌的碳源利用情况.重点介绍了上述各种现代非培养技术对反硝化细菌种群结构和功能的研究现状,以期为深入了解反硝化微生物的多样性和功能特性提供参考.     

三氯生及其降解中间产物对活性污泥中微生物群落变化和硝化反硝化功能基因的影响

三氯生（TCS）对活性污泥中氮循环和微生物群落的长期影响尚不清楚.在长期运行185 d的序批式反应器（SBR）进水中添加100 g·L^-1的TCS,探讨了TCS在活性污泥中的转化特性及其对活性污泥的生长、硝化反硝化性能及关键氮代谢功能基因和微生物群落结构的影响.添加TCS的反应器中硝酸盐浓度为3.80～9.11 mg·L^-1,略低于不添加TCS的空白组(6.66～9.72 mg·L^-1),说明其硝化作用被减弱.随着驯化时间的延长,硝化作用逐渐恢复. TCS在活性污泥迁移转化过程中总共检测出12种代谢中间产物,推导出4种迁移转化路径.添加TCS后,对TCS有潜在降解效能的细菌的相对丰度明显增加,如：Flavobacteriales和Myxococcales目,分别为2.95%～9.07%（第0～185 d）和2.01%～4.53%（第0～90 d）.与硝化作用有关的菌属,如：Nitrosovibrio、Nitrosomonas（氨氧化菌,AOB）和Nitrospira（亚硝酸盐氧化菌,NOB）的相对丰度急剧减少,分别为0....     

反硝化脱硫工艺中微生物群落结构及动态分析

为了研究反硝化脱硫工艺(denitrifying sulfide removal,DSR)中微生物群落与工艺运行的相关性,实验提取了反应器运行不同阶段污泥样品中微生物的全基因组DNA,利用高通量宏基因组学技术———基因芯片来解析各阶段功能微生物群落的结构特征及其演替过程.通过对功能基因的Simpson、Shannon多样性指数和聚类分析表明,微生物群落结构会随着反应器运行的阶段进行相应调整,且变化较大.在运行的前两个阶段,由于不适应环境,微生物群落的多样性指数比起始时明显减少,随着反应器的运行污泥逐渐成熟,多样性指数迅速增加,也标志着反应器进入稳定运行阶段.通过对反硝化脱硫过程中关键基因相对丰度的分析发现,功能基因的丰度不仅能反映功能菌群的活性,而且与工艺处理效果密切相关.     

间歇曝气模式对同步硝化反硝化稳定性的影响

在不同间歇曝气(IA)模式下.采用序批式活性污泥法(SBR)处理模拟低碳城市污水.并考察了ORP和pH值的变化规律与同步硝化反硝化(SND)持续稳定性之间的关系.结果表明,在曝气百分数(AF)为0.5和高曝气频率(fIA)的间歇曝气模式下,TN去除率为92%,ORP均值均化程度最好,ORP和pH值的稳定性最强.因此,低曝气百分数和高曝气频率的间歇曝气模式有利于SND过程的持续稳定,且ORP均值的均化程度与ORP和pH值的稳定性可控制SND过程的稳定性.另外,低曝气频率的间歇曝气模式有利于顺序式硝化反硝化(SQND)的发生.     

城市河流中碳源对同步硝化反硝化的影响

为了解城市污染河流水体有机碳源(COD)及溶解性有机质(DOM)在低氧(ρ(DO)=0.5～0.6 mg/L)条件下对同步硝化反硝化(SND)系统脱氮效率的影响,利用BM-Advance呼吸仪作为反应容器来模拟北运河的水体环境,并通过向水样中投加易生物降解有机碳源(乙醇)、慢速可生物降解有机碳源(淀粉)和北运河水体DOM(腐殖酸和色氨酸)的方式来研究外加碳源和水体DOM(腐殖酸和色氨酸)对水体氮去除及转化的影响。结果表明:外加乙醇时,总氮去除率从49%(C/N为6.5)上升至72%(C/N为16);外加淀粉时,反应时间内总氮去除率从25%(C/N为6.5)上升至59%(C/N为16):在模拟北运河水环境条件下,投加腐殖酸的反应器中总氮去除率为47.75%,腐殖酸可以作为很好的碳源促进SND过程,然而色氨酸则会加剧水体总氮的积累。由此可知,提高C/N可以加速同步硝化反硝化(SND)进程。     

稻田土壤氧化亚氮产生潜势、反硝化功能基因丰度和群落结构的垂向分布

土壤中氧化亚氮（N₂O）的释放量占全球N₂O释放总量的60%.其中，稻田土壤是N₂O最主要的释放源.反硝化过程是稻田土壤N₂O生成的主要微生物过程之一.本研究选取广东韶关稻田垂向土壤（0~100 cm）为研究对象，通过乙炔抑制剂法测定了N₂O产生潜势和反硝化潜势，并利用针对特异性功能基因的实时荧光定量和高通量测序技术分别分析反硝化功能基因丰度和反硝化微生物群落结构.结果显示：0~10 cm深度的土壤样品N₂O产生潜势最高，可达（0.020±0.0035）μg·g^-1·h^-1.反硝化功能基因中，nirK基因的丰度峰值（（1.51±0.0015）×10⁸ copies·g^-1）出现在0~10 cm深度，而nosZ和nirS基因的丰度峰值（（4.29±0.0015）×10⁷ copies·g^-1和（8.86±0.0010）×10⁷ copies·g^-1）均出现在10~20 cm深度.稻田垂向土壤中N₂O产生潜势和相关的反硝化功能基因（nosZ、nirK和nirS）丰度均随土壤深度的增加而逐渐降低.其中在所有深度的土壤样品中nirK基因的丰度均高于nirS.基于nirK基因的高通量测序结果发现慢生根瘤菌（Bradyrhizobium）的相对丰度最高（44.06%±6.14%，n=6）.相关性分析表明，稻田土壤中N₂O产生潜势与环境因子（TN、TC和含水率）、反硝化功能基因丰度以及慢生根瘤菌（Bradyrhizobium），罗河杆菌属（Rhodanobacter）和亚硝化螺菌属（Nitrosospira）的相对丰度呈正相关.上述结果表明稻田土壤中环境因子和反硝化功能基因丰度影响了N₂O产生潜势的垂向分布.     

硫自养反硝化颗粒表面与间隙微生物群落特征和基因分布

研究了单质硫颗粒自养反硝化柱中表面和间隙生物膜的微生物群落结构、功能基因和代谢途径等生物信息学特征.结果表明,硫颗粒表面生物膜的微生物菌群多样性低于间隙生物膜.氮代谢功能基因丰度差异较为显著,间隙生物膜中硝酸盐和亚硝酸盐的胞外转运蛋白基因丰度远高于表面生物膜,分别为0.0792%、0.109%与0.0157%、0.0314%.对于还原性反硝化代谢,表面生物膜的总基因丰度却明显低于间隙生物膜,分别为0.367%、0.406%.此外,参与反硝化过程的基因丰度明显不同,特别是将NO₃^-还原成NO₂^-以及将N₂O还原成N₂过程中的基因.对于硫代谢,没有观察到明显的差异.APS (硫酸腺苷)氧化是将SO₃^2-氧化为SO₄^2-的主要途径,其基因丰度远远高于直接氧化途径,分别为0.137%与0.0005%(表面)、0.138%与0.0007%(间隙).结果表明,在单质硫自养反硝化过程中,间隙生物膜与表面生物膜中的微生物存在合作关系,协同促进硫自养反硝化脱氮过程.     

厌氧氨氧化耦合反硝化工艺的启动及微生物群落变化特征

为了解厌氧氨氧化耦合反硝化启动过程中脱氮除碳性能与微生物群落的关系,通过逐步提高进水COD浓度研究了SAD启动过程中脱氮除碳性能和微生物群落变化.结果表明,随着进水COD浓度增加,出水NH_4~+-N和NO_2--N的浓度保持稳定,平均去除率均在98%以上; TN去除率逐渐升高,第3阶段TN平均去除率为95. 6%,比厌氧氨氧化理论TN去除率高6. 8%;ΔNO_3~--N/ΔNH_4~+-N明显下降,从0. 15～0. 17逐步降至0. 03～0. 07;厌氧氨氧化脱氮贡献率逐渐下降,反硝化脱氮贡献率逐渐上升,COD去除率逐步增加.污泥活性分析表明SAD启动后污泥反硝化活性明显增加,厌氧氨氧化活性略微降低.高通量测序结果表明,反应器内微生物的优势菌门为绿弯菌门、浮霉菌门、厚壁菌门、装甲菌门和变形菌门,微生物群落特征与SAD脱氮除碳性能密切相关,与脱氮除碳有关的功能微生物主要有厌氧氨氧化菌、厌氧消化菌和反硝化菌,SAD启动后反应器内厌氧氨氧化菌丰度减少,厌氧消化菌和反硝化菌丰度明显增加.