亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化过程强化新视角:排泥及其微生物机制研究

亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化(Nitrite-dependent anaerobic methane oxidation, n-DAMO)是微生物在厌氧条件下利用甲烷还原亚硝酸盐的过程.本研究通过排泥的策略对n-DAMO过程进行强化,并比较分析了反应器中微生物的群落结构及功能微生物数量.结果发现,与对照组相比,排泥后实验组反应器的脱氮速率从17.00 mg·L~(-1)·d~(-1)提高到73.10 mg·L~(-1)·d~(-1).排泥后反应器中n-DAMO细菌的相对丰度从38.3%上升到67.7%,功能微生物的基因拷贝数由1.404×10~8 copies·g~(-1)增长到4.854×10~8 copies·g~(-1),污泥比活性提高了2.95倍.与之相反,初始反应器中其余优势微生物Unclassified_GCA004、Unclassified_Rhodocyclaceae、Unclassified_Fimbriimonadaceae与Methylosinu相对丰度分别下降为原来的27.66%、32.65%、4.35%、20.27%.结果表明,排泥可以有效地强化n-DAMO过程,同时促进功能微生物的生长,主要原因在于排泥排出了非目标微生物,使得目标微生物大量生长.本研究为强化n-DAMO过程及加快n-DAMO微生物的富集提供了一条新思路,并为进一步推动n-DAMO过程的工程应用提供了理论基础.     

水稻田土壤甲烷厌氧氧化在整个甲烷氧化中的贡献率

对黄松土水田土壤中>0.02mm的颗粒和<0.02mm的颗粒按不同比例组合成的土壤、不同绝对含水量的黄松土水田土壤、不同温育时段的水田土壤和长期定位不同施肥的水稻田土壤中的甲烷好氧氧化和厌氧氧化的速率的检测结果进行比较,结果相当一致,不仅证实了水稻田土壤甲烷厌氧氧化过程的存在,而且表明水田土壤中的甲烷厌氧氧化活性远较甲烷好氧氧化活性要低,如以两者的氧化活性作为对甲烷氧化的贡献来计,则甲烷厌氧氧化的贡献率一般都在整个甲烷氧化的10%以下.但在水田土壤被水淹没的情形下,由于土壤厌氧条件的形成和甲烷扩散受阻,甲烷厌氧氧化的速率明显超过好氧氧化的速率,甲烷厌氧氧化在整个甲烷氧化中的贡献率可到达30%以上.长期施肥对于水稻田土壤的甲烷好氧氧化活性和甲烷排放通量影响显著,而对甲烷的厌氧氧化活性有影响但未达到显著水平.长期施肥处理的土壤中甲烷好氧氧化活性在(9.072～41.088)×10^-6mol·(d·g)^-1之间,而甲烷厌氧氧化活性仅在(0.325～0.671)×10^-6mol·(d·g)^-1之间,仅及甲烷好氧氧化活性的1.31%～4.43%,占整个甲烷氧化的1.3%～4.14%.     

静压快速启动亚硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化反应

在序批式反应器(SBR)中接种污水厂厌氧池污泥和深层水稻土的1∶1混合污泥,在阶段性提升基质NO_2~--N浓度的条件下,考察静压条件对亚硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)反应快速启动过程的影响,并对N-DAMO反应的主导微生物的丰度变化进行分析.结果表明运行120 d后,常压(R1)和0.3 MPa静压(R2)条件下,都观测到了明显的N-DAMO现象,并且R2的NO_2~--N去除速率达到了36.90 mg·(L·d)~(-1),较R1提高了24%;其4 h内平均脱氮速率(以NO_2~--N计)达到0.10 mmol·(L·h)~(-1),比R1提高了186%.R2中富集得到的污泥粒径约为R1的2倍,比表面积更大,优化了污泥中甲烷的传质情况,有助于N-DAMO反应的进行,且R2污泥的N-DAMO比活性(以N/VSS计)达到了0.29 mg·(g·h)~(-1),是R1的2倍.此外,静压有助于N-DAMO功能微生物Candidatus Methylomirabilish oxyfera(M.oxyfera)的生长,实验结束时R2中M.oxyfera细菌16S rRNA基因的丰度比接种初期提高了22倍,是同阶段R1中的10倍.可见,提高静压能够有效促进N-DAMO反应的启动.     

海洋沉积物甲烷厌氧氧化及其影响因子研究进展

海洋沉积物CH4厌氧氧化是当前生物地球化学循环研究的热点和焦点,为了进一步加深学者们对CH4厌氧氧化的理解,本文以海洋沉积环境为例,综述了CH4厌氧氧化过程及其影响因子的最新研究进展,在系统介绍CH4厌氧氧化过程的基础上,重点对CH4厌氧氧化的机制以及微生物、底物和温度等对CH4厌氧氧化的调控作用进行了阐述,并展望了CH4厌氧氧化领域未来研究的发展方向.通过本文的介绍,期望得到国内学者对该领域研究的重视,并为更广泛地开展相关研究提供参考.     

氢气和氮气对厌氧甲烷降解过程及微生物多样性的影响

针对厌氧甲烷氧化过程,考察了填埋场稳定化过程中气态物质(H₂、N₂)的影响,阐明了微生物群落结构的响应。结果表明:在N₂氛围下,存在甲烷氧化、固氮、硝化、反硝化的循环过程;通入H₂对于厌氧甲烷降解过程有一定影响,CH₄含量呈先下降后升高再降低的趋势,CO₂含量则呈先升高后降低趋势,表明H₂可将CO₂还原为CH₄。经过N₂和H₂长期驯化后,土壤微生物群落结构发生了显著变化,放线菌门中具有硝化、反硝化及固氮作用的菌群增加,出现了具有甲烷氧化功能的Methylococcale菌群。好氧菌(如甲烷氧化菌、硝化菌)对O₂的消耗有利于反硝化和厌氧甲烷氧化的进行,为反硝化型厌氧甲烷氧化的发生提供了有利条件。研究揭示了填埋场稳定化过程中气态物质影响厌氧甲烷氧化的过程。     

从亚硝酸还原厌氧氨氧化转变为硫酸盐型厌氧氨氧化

在UASB反应器内,研究了由亚硝酸盐型厌氧氨氧化转变为硫酸盐型厌氧氨氧化的过程及其微生物群落变化.结果表明,历时177 d成功实现了硫酸盐型厌氧氨氧化.进水氨氮和硫酸盐浓度分别为130 mg·L-1和500 mg·L-1下,反应器对氨氮和硫酸盐的去除率分别达到58.9%和15.7%,对氨氮和硫酸盐的去除负荷为74.3 mg·(L·d)-1和77.5 mg·(L·d)-1,氮、硫损失摩尔比约为2,出水p H值低于进水.污泥中细菌从以球菌为主转变成以短杆菌为主,菌群中细菌由Candidatus brocadia为优势种转变为以Bacillus benzoevorans为优势种.说明完成这两种厌氧氨氧化的优势菌不同,两种厌氧氨氧化并非同一种菌参与完成的.     

硝酸盐型厌氧亚铁氧化反应优化试验研究

硝酸盐型厌氧亚铁氧化(NAFO)作为一种新发现的生物反硝化过程,可以在缺乏有机碳源的污水中有效地去除硝酸盐,具有良好的工程应用前景。为了降低反应的启动成本并提高处理效率,选择了厌氧池专用污泥和厌氧颗粒污泥对NAFO工艺的运行效果进行对比评估。构建了两个相同反应条件的CSTR反应器且连续运行了56 d。随后在对比运行实验的基础上研究了硝酸盐处理效果的影响因素,采用优势性能的厌氧颗粒污泥进行单因素实验,分别考察初始无机碳源与硝酸盐比值(IC/N)、初始亚铁与硝酸盐比值(Fe/N)和初始pH对硝酸盐去除性能的影响。结果表明：两个反应器在运行14 d后的硝酸盐处理效率稳定达到80%以上,其中投加厌氧颗粒污泥的反应器表现出较高的性能,硝酸盐平均及最高去除效率分别达到了79.4%和92.9%,硝酸盐平均去除速率为0.045 kg-N/(m³·d);当选择厌氧颗粒污泥作为种子污泥进行反应时,在初始进水的IC/N为12.68、Fe/N为3.82以及pH为6.46的条件下,NAFO工艺处理硝酸盐的效果最佳。     

氨氮对反硝化型甲烷厌氧氧化细菌的影响机理研究

反硝化型甲烷厌氧氧化（Denitrifying Anaerobic Methane Oxidation,DAMO）是以甲烷为电子供体和唯一碳源,以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体的一种氧化还原反应,可用于废水脱氮,而氨氮是含氮废水中存在的主要形式.目前的研究认为主导DAMO过程的微生物主要有DAMO细菌和DAMO古菌.本文以DAMO细菌为优势菌种的系统为研究对象,通过短期和长期试验,从宏观和微观上研究了氨氮对该系统短期和长期的影响,并比较了不同pH体系下影响效果差异,揭示了相关影响机理.短期试验研究表明,氨氮对该系统的安全浓度为250 mg·L^-1.当氨氮浓度为500 mg·L^-1时,对该系统的脱氮效率造成明显的抑制作用,并且随着浓度、时间的增加,氨氮对其的抑制效果增强;不同pH条件下抑制效果的差异对比发现,在碱性条件下,真正起抑制作用的是氨氮的质子化形式FA（Free Ammonia）,在中性及酸性条件下,真正起抑制作用的抑制因子是离子化的NH₄⁺.通过扫描电镜对系统中絮状污泥分析发现,在氨氮的短期抑制后,系统内的微生物出现了明显皱缩,丝状菌的数量增加;采用高通量测序技术分析了长期氨氮抑制后的系统,结果显示,系统内菌群结构发生较大改变,物种的多样性和丰度都大大降低.通过菌属分析认为,系统脱氮效率的降低是由于Methylomonas（甲基单胞菌属）数量的减少引起的.     

不同接种物对富集反硝化型甲烷厌氧氧化微生物的影响

在厌氧条件下,反硝化型甲烷厌氧氧化过程（Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO）以CH4为电子供体,以NO3-或NO2-作为电子受体,可同时实现甲烷氧化和废水中脱氮.本文利用两种电子受体（NO3-、NO2-）及不同接种污泥成功富集了4种DAMO培养物,研究了不同接种物对富集DAMO微生物的影响.结果表明,NO3-对富集DAMO古菌具有重要作用,而NO2-则对DAMO细菌的富集过程有较大影响.其次,在富集培养过程中,NH4+的存在会获得厌氧氨氧化（Anaerobic ammonium oxidation,Anammox）细菌与DAMO古菌的混培物,并形成协同关系,而DAMO细菌却因与Anammox细菌竞争而被淘汰.当NH4+不再加入,NO3-成为唯一氮源时,DAMO细菌重新出现并与DAMO古菌形成一种新的协同关系.此外,以淡水河道底泥、淡水湖泊底泥及水稻田土壤的混合物作为接种污泥而得到的DAMO富集培养物,其脱氮速率比以淡水河道底泥、活性污泥及厌氧消化污泥的混合物作为接种污泥的富集培养物高出3.3倍,但后者在驯化时间上缩短了36%.     

西湖底泥中的反硝化型甲烷厌氧氧化菌的分子生物学检测

反硝化型甲烷厌氧氧化反应(Denitrifying anaerobic methane oxidation, DAMO)是一种最新发现的生物反应,该反应能够偶联反硝化和甲烷的厌氧氧化.催化DAMO反应的微生物是NC10门中一种被命名为\"Candidatus Methylomirabilis oxyfera \"的细菌.本研究采用基因克隆文库技术考察了西湖淡水底泥中DAMO微生物的分布与种群多样性状况.16S rRNA基因系统发育分析表明,西湖底泥中存在NC10门细菌,与已知的M.oxyfera的16S rRNA基因相似度为93%~98%.DAMO微生物功能基因(pmoA)的系统发育分析进一步证实了西湖底泥中分布有此类微生物,与已知的M.oxyfera的pmoA基因相似度为86%~95%.实时定量PCR结果表明,西湖底泥中DAMO微生物的16S rRNA基因的拷贝数为2.15×105 copies·g-1(以干重计).     

N-DAMO菌群的富集及其生长代谢影响因子

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化(N-DAMO)是某些微生物在厌氧条件下以甲烷为电子供体和唯一碳源还原亚硝酸盐(NO2-)为氮气(N2)的过程,为解决废水生物脱氮碳源不足问题提供了新思路.然而,N-DAMO菌群生长缓慢,对环境要求严苛,富集培养难度大,工程应用困难.本文以湿地土壤为菌源,通过强化富集获得一个N-DAMO菌群,并研...     

厌氧氨氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌在岸边带土壤中的分布规律

厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,anammox)和反硝化厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,n-damo)的发现打破了人们长久以来对生物氮、碳循环的传统认识.厌氧氨氧化细菌(anammox bacteria)和反硝化厌氧甲烷氧化细菌(n-damo bacteria)在水生态系统均有分布,并且在全球氮、碳循环中发挥重要作用.但它们在岸边带土壤中的存在和分布还不甚清楚.因此,本文对湖泊岸边带土壤中厌氧氨氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌的存在和分布进行了研究.基于厌氧氨氧化细菌hzsB基因(联氨合成酶关键基因)和M. oxyfera-like细菌16S rRNA基因的序列分析,分别证明了厌氧氨氧化细菌和M. oxyfera-like细菌在白洋淀湖泊岸边带深层土壤中的共同存在.厌氧氨氧化细菌hzsB基因定量PCR结果显示,其主要分布在地下水位附近及以下部分(40~100 cm),而在表层(0~40 cm)土壤中未被检测到.M. oxyfera-like细菌16S rRNA基因定量PCR结果显示,不同深度的土壤均有M. oxyfera-like细菌分布,并且其丰度随着土壤深度的增加而递增.这些结果说明厌氧氨氧化细菌和M. oxyfera-like细菌在湖泊岸边带深层土壤中共同存在,并且有不同的分布规律.     

生活垃圾填埋场甲烷排放规律的短期监测

为了解国内生活垃圾填埋场封场后的甲烷排放规律及其影响因素,以静态箱法测试了杭州市天子岭卫生填埋场封场后的甲烷排放情况.24h周期内,2个测试点甲烷排放速率均值的变化范围为3.67～36.65 mmo·l(m²·h)^-1.2个测试点甲烷排放速率的最大比值为625,其差异可以根据覆土层厚度的不同得到解释.单点甲烷排放速率显示与大气压强和覆土层含水率的相关性,逐次回归结果分别为r²=0.89(测试点1)和r²     

反硝化型甲烷厌氧氧化(DAMO)系统pH值耦合模型研究

对3个具有不同优势菌种反应器中厌氧氧化(DAMO)过程与pH值进行动力学耦合,结果表明,在25℃,Anammox-DAMO混培系统最大脱氮速率、硝酸盐初始抑制浓度和铵盐初始抑制浓度分别为3.95mg/(L·d),182.63,196.40mg/L;Nitrate-DAMO系统最大脱氮速率、硝酸盐初始抑制浓度分别为4.30mg/(L·d), 367.69mg/L;Nitrite-DAMO系统最大脱氮速率、亚硝酸盐初始抑制浓度分别为4.04mg/(L·d), 293.35mg/L.脱氮速率均随pH值增加先增大后减小,3个系统最佳脱氮pH值分别为7.5±0.2,7.2±0.2,7.8±0.2.脱氮动力学表明,3个不同系统DAMO反应过程均可用Haldane-pH值耦合模型描述.Nitrate-DAMO系统、Nitrite-DAMO系统脱氮过程还可用Monod-pH值耦合方程描述,Nitrate-DAMO系统细菌生长速率、硝酸盐亲和常数和抑制常数分别为1291.21cfu/(L·d),295.23,72.63mg/L;Nitrite-DAMO系统细菌生长速率、亚硝酸盐亲和常数和抑制常数分别为4...     

反硝化聚磷污泥厌氧释磷影响因素研究

采用静态试验的方法研究了温度、MLSS、VFA浓度、碳源种类等对反硝化聚磷污泥厌氧释磷的影响,研究结果表明:随着温度的升高厌氧释磷速率有所增加,但厌氧释磷速率与温度之间并不是简单的线性关系,温度对厌氧释磷的长期作用还有待考察;在一定范围内增加污泥浓度与碳源可以有效地强化厌氧释磷效果;反硝化除磷脱氮工艺处理实际生活污水时,建议厌氧池停留时间为4～6 h,在工艺首端设置水解酸化池将有利于厌氧释磷效果的强化.     

垃圾填埋场甲烷释放及氧化技术研究进展

温室气体的大量释放导致全球温室效应日趋加剧。垃圾填埋场作为人类活动最大的甲烷（CH₄）释放源,其甲烷排放和控制技术的基础研究对缓解温室效应意义重大。从甲烷氧化研究进展、垃圾处理现状和垃圾填埋场甲烷释放影响因素等方面对国内外研究进展进行综述。甲烷好氧氧化已经形成了完整的研究体系,而硫酸盐还原型(SAMO)及反硝化型甲烷厌氧氧化(DAMO)原理亟待研究。垃圾填埋场甲烷的产生受垃圾组分、含水率、温度以及pH等因素影响。控制影响因素,综合利用经济可行的减排策略是今后研究的主要方向。