自然生境中氨氧化细菌的分子生物学研究进展

摘要 硝化过程是自然界氨氮污染降解的主要生化机制,氨氧化细菌对于富营养的河流、海洋及土壤环境等自然生境具有重要作用.氨氧化细菌的群落结构很复杂,且在不同研究区的时空上存在很大差异性.随着分子生物技术的发展,各种自然环境中存在的氨氧化细菌得到了研究.目前,中国对氨氧化细菌的研究多集中于污水处理、土壤等方面,采用非培养方法对自然环境中氨氧化细菌的研究较少.首先介绍了氨氧化细菌的发现过程和生理特性,其次论述了不同的分子生物学方法对土壤和水生生态环境等自然生境中氨氧化细菌研究进展和研究方法,最后提出了自然生境中氨氧化细菌研究的问题和展望.     

黑藻根际对沉积物中氨氧化细菌和古菌的影响

氨氧化反应对水生态系统氮循环和氮的去除有重要作用,沉水植物通过根系泌氧促进沉积物中硝化反应并对氨氧化细菌和古菌的分布产生影响。本研究以轮叶黑藻为实验对象,利用微电极研究沉积物-水界面的溶解氧变化,研究了黑藻根系对沉积物中氨氧化细菌和古菌数量的影响。结果表明,黑藻通过根系泌氧增加沉积物-水界面的溶解氧量和表层沉积物有氧层厚度,有氧层厚度增加了3 mm以上;种植黑藻后,根际沉积物中氨氧化细菌数量逐渐增加,氨氧化古菌数量前30天增加随后减少,氨氧化细菌与氨氧化古菌amoA基因拷贝数的比值由0.51增加到6.75,说明黑藻根际沉积物更适宜氨氧化细菌的生存。     

铁、锰氧化细菌在环境污染治理中的应用

对各种铁、锰氧化细菌的生理生化特性进行了讨论 ,介绍了铁锰氧化细菌在环境污染治理方面的应用 ,并提出了今后研究工作的重点及亟待解决的问题     

鞘细菌FC9901氧化铁生化机制的研究

本文对分离到的鞘细菌菌株FC9901氧化铁的生化机制进行了初步研究，结果表明，该菌株的营养类型为化能有机营养型，其能源主要来自有机碳源的氧化，并不能从Fe^2 氧化过程中获取能量。活性定位研究和pH、温度、抑制剂试验结果表明，该铁氧化活性物质是酶 ，而且是一种胞外酶，铁的生物学氧化属于酶学催化过程，并遵守酶的动力学。     

包埋氨氧化细菌处理合成氨工业废水

以聚乙烯醇与海藻酸钠为载体,包埋固定氨氧化细菌(AOB),研究温度、DO、初始游离氨(FA)、有机物等影响因素对其短程硝化稳定性的影响。结果表明,25~30℃时载体中氨氧化细菌占优势;DO宜控制在4.0~5.5 mg/L之间,既能满足细菌生长所需,又不至过度曝气,造成载体间的摩擦增大,减少其使用寿命;载体耐氨氮负荷能力强,同时可以抵御有机物对氨氧化细菌的伤害;当初始FA>6.5 mg/L时,氨氧化细菌的活性将受到抑制;富集氨氧化细菌的污泥包埋后氨氮去除率降低了7.5%;包埋载体在确保短程硝化作用的同时,在内部形成的缺氧区可实现反硝化脱氮,提高了系统氨氮的处理能力。     

在微生物燃料电池生物阴极实现硝化过程的试验研究

微生物燃料电池(MFCs)去除废水中有机物已经进行了大量研究,然而MFCs去除营养盐的能力较弱是将来产业化的障碍之一。研究了以铁锰氧化细菌为催化剂的生物阴极稳定产电的同时实现生物硝化反应的可行性以及其影响因素,并对生物阴极中的铁锰氧化细菌以及硝化细菌进行了计数。以铁锰氧化细菌为催化剂的生物阴极MFCs的启动时间为150～200h,运行稳定时,最高电压达600 mV。研究表明,该生物阴极在稳定产电的同时实现了生物硝化反应,其NO3--N的生成速率为0.792mg/(L.h),NO2--N最高质量浓度为1.56mg/L;阴极进水中NH4+-N以及DO浓度均是重要影响因素;对生物阴极中的铁锰氧化细菌以及硝化细菌计数结果表明,铁锰氧化细菌为7.5×106 MPN/mL,硝化细菌为9.3×105 MPN/mL。     

硝化速率法用于活性污泥活性测试的研究

以城市污水厂回流污泥中的硝化细菌(氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌)为受试生物,HgCl2为标准毒性物质,通过对两组实验--氨氧化速率实验(NH 4-N→NO-2-N)和亚硝酸盐氧化速率实验(NO-2-N→NO-3-N)的研究表明,氨氧化细菌对HgCl2的灵敏度(IC50=0.034 mmol/L)明显高于亚硝酸盐氧化细菌(IC50=0.20 mmol/L).氨氧化速率法测试活性污泥活性时,使用NH 4-N或NO-X-N指标需要120 min或更长的时间,但使用NO-2-N指标仅需30 min就可完成测试,而且结果重现性要比NH 4-N和NO-X-N好,其变异系数CV为5.9 %.     

超声波-缺氧／好氧污泥消化反应器中氨氧化细菌群落结构的演变

为了揭示超声波-缺氧／好氧污泥消化反应器中氨氧化细菌群落结构多样性的演变过程,采用变性梯度凝胶技术（PCR—DGGE）研究不同运行时期氨氧化细菌群落结构的变化。DGGE分析表明,反应器中氨氧化细菌群落比较丰富。在反应器运行的不同时期,氨氧化细菌的群落结构发生了一定的变化,反映了种群的动态演变。UPGMA聚类分析将DGGE图谱分为3大类群并对应于各自的运行时期。测序结果表明,反应器中的优势种群属于变形菌门（Proteobacteria）,包括α-proteobacteria,β-proteobacteria,γ-proteobacteria和ε-proteobacteria4个纲,其中β-proteobacteria占45％,γ-proteobacteria占40％。在始终保持明显优势地位的种属中,5株为反硝化细菌,它们对提高反应器脱氮效率具有重要作用。     

厌氧氨氧化的研究及其应用

厌氧氨氧化是近年来发现的一种新的氮素转化途径。与部分硝化相结合，应用于污水脱氮，具有运行成本低、节约能源和资源等优点。厌氧氨氧化是一生物过程，已确定的细菌有2种：Candidauas Brocadia anammoxidans和Candidatus Kuenenia stuttgartiensis。描述了其生理学特性、生物化学途径，介绍了其2种应用途径：全自养亚硝酸型脱氮(CANON)和SHARON-ANAMMOX。     

三级串联式BCO反应器比耗氧速率及菌群结构分析

以厌氧/缺氧/好氧和生物接触氧化反应器(AAO-BCO)组成的双污泥系统为研究对象,研究了三级串联式生物接触氧化反应器(N1、N2、N3)中有机物浓度对比耗氧速率(SOUR)的影响,同时对比了各级处理单元的硝化特性。实验结果表明,N1、N2、N3分别在有机物浓度低于40、60和40 mg·L~(-1)时,比耗氧速率随有机物浓度的升高而升高。根据比耗氧速率粗略估计了氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化菌在各级中的百分比,其中氨氧化细菌的百分比分别为43.47%、54.94%和63.83%,而亚硝酸盐氧化菌的百分比分别为11.65%、21.87%和18.23%。由比耗氧速率计算得到氨氮比氧化速率和亚硝酸盐氮比氧化速率,其最高值分别为实际污水处理厂的1.9倍和1.2倍,生物接触氧化反应器中氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化菌菌群更密集,硝化性能更优,且存在明显的亚硝酸盐累积现象(亚硝酸盐浓度为1.52～3.65 mg·L~(-1),亚硝态氮积累率最高可达25%)。     

pH和硝化细菌浓度对氨氮氧化速率的影响

为实现氨氮氧化速率的提高,以污水处理厂A~2/O工艺回流污泥为菌源,利用细菌发酵罐,通过间歇运行方式实现了硝化细菌菌群的筛选和富集。实验中通过调节系统pH值考察不同游离氨(FA)水平对氨氮氧化速率、亚硝酸盐积累和硝酸盐生成的影响,以及通过沉淀排水保留污泥,反应有效容积缩小,等同于污泥浓度提高的方式考察了硝化细菌浓度变化对氨氮氧化速率的影响。结果表明在一定氨氮底物浓度条件下适合的pH值是实现氨氮高速率氧化的重要条件,同时硝化细菌浓度是高氨氮氧化速率实现的物质基础。通过FISH检测,证明了所得培养物中,氨氧化和亚硝酸盐氧化细菌菌群(AOB和NOB)占有绝对数量优势。     

基于SIMULINK的硝化反应动力学模型的仿真

利用MATLAB/SIMULINK对序批式生物膜反应器内的氨氧化细菌与亚硝酸盐氧化菌的生化反应进行仿真预测。模型的验证结果表明,适当的选择模型中的溶解氧浓度、碱度以及温度3种参数,SIMULINK仿真动力学模型能够比较准确地对氨氧化细菌与亚硝酸氧化细菌处理生活污水的过程进行仿真和预测.NH4+-N、NO2--N和NO3--N 3种基质仿真值的绝对平均误差最大为15.88,最小为1.13;NH4+-N、NO2--N和NO3--N的Nash.Suttcliffe模拟效率系数分别为99.36%、98.64%和99.25%;此外,还对SIMULINK仿真动力学模型中的溶解氧浓度、碱度以及温度进行了灵敏度分析,结果表明,温度的灵敏度最大、溶解氧次之、碱度灵敏度相对最小。     

有机碳源条件下厌氧氨氧化SBBR中的微生物多样性

研究有机碳源对SBBR厌氧氨氧化菌群等微生物的影响。采用16S rDNA序列与PCR-DGGE分析技术相结合的方法,对稳定运行的反应器内的活性污泥和生物膜样品,进行细菌多样性图谱分析,同时采用巢式PCR-DGGE技术对浮霉状菌属(Planctomycetes)细菌进行分析。结果表明,在有机碳源反应系统细菌条带数和多样性指数均高于无机系统,与活性污泥相比,生物膜表尤为明显。当进水不含有机碳源时,氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacteria,AOB),厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonia oxidizing bacteria,ANAMMOX)为优势功能菌;当进水含有机碳源时,系统中存在的AOB以亚硝化单胞菌(Nitrosomonas sp.)为优势菌群,同时存在反硝化菌,如索氏菌(Thauera sp.)以及厌氧氨氧化菌,它们共同作用完成N的去除。此外,与无机碳源系统相比,有机碳源的存在,有利于浮霉状菌的积累,但压缩了ANAMMOX的生存空间。本研究可为厌氧氨氧化工艺处理低C/N比有机废水提供了理论依据。     

污染物与蒙脱石层间域的界面反应及其环境意义

系统地评述了无视、有机阳离子、农药分子、细菌等环境污染物在蒙脱石层间域中的吸附、脱附、氧化还原、催化降解等界面反应机理，并指出它们的环境化学行为对环境的影响和意义。     

石油炼化废水组成对厌氧氨氧化-反硝化细菌混培物的影响

为了探究石油炼化废水中COD和毒性物质对厌氧氨氧化-反硝化细菌混培物的影响,利用已具有高效脱氮性能的细菌混培物建立生物脱氮反应器进行连续驯化实验,实现进水COD和毒性物质比例的增加,并结合MPN-PCR技术对驯化前后两类菌群数量进行检测。结果发现,驯化前后厌氧氨氧化细菌数目由7.549×10~(14)个·g~(-1)减为8.212×10~8个·g~(-1),脱氮生化活性仍保持在40.2%左右;反硝化细菌数目由3.523×10~6个·g~(-1)增为4.693×10~(16)个·g~(-1),脱氮生化活性增加了5.76倍左右。结果表明,厌氧氨氧化细菌和反硝化细菌混培脱氮体系的脱氮生化活性未与细菌数目呈正相关性变化,COD和毒性物质对体系产生了不同程度的影响;厌氧氨氧化细菌比反硝化细菌对石油炼化废水毒性的作用更敏感;混培脱氮体系在一定程度上可以有效地抵抗石油炼化废水高浓度COD、高毒性物质对厌氧氨氧化生理生化脱氮过程的负面影响。     

处理畜禽废水的序批式生物膜反应器中的细菌多样性

采用序批式生物膜反应器(SBBR)处理畜禽废水,在室温(9～18℃)下,采用8 h/周期、交替停曝气的模式运行,控制曝气阶段DO浓度在2 mg/L,可实现明显的亚硝酸盐积累,氨氮及总氮的去除率分别可达(95.1±0.8)%和(87.2±0.6)%。为揭示SBBR中细菌种群构成及其动态变化规律,采用PCR-DGGE技术进行了细菌多样性分析,并构建了系统发育树,结果表明:与接种污泥相比,驯化期生物膜中细菌种群丰富度未发生明显变化,运行期交替曝气、停曝模式有助于提高生物膜中细菌的多样性指数,但受运行模式及氨氮负荷变化影响,运行期氨氧化菌多样性指数略低于驯化期;生物膜内存在一些具有反硝化功能的变形菌和特殊的氨氧化细菌,在本实验条件下未发现厌氧氨氧化菌,说明主要脱氮机理为同时短程硝化反硝化。     

炭管膜曝气生物膜反应器SNAD脱氮研究

以包裹无纺布的微孔炭管作为膜曝气生物膜反应器（MABR）的膜组件,进行了短程硝化,厌氧氨氧化和反硝化耦合脱氮(SNAD)研究。实验中,控制温度34±1℃,pH 7.5～8.5, HRT 8 h,通过逐步降低膜内压力使反应器中的溶解氧由8 mg/L逐步降低到0.5 mg/L以下。实验采用亚硝酸细菌挂膜,然后接种厌氧氨氧化细菌,实现在单一反应器中同时发生短程硝化、厌氧氨氧化和反硝化耦合脱氮功能。结果表明,经过180 d的连续稳定运行,氨氮去除率达到了93.4%,总氮去除率达到了92.5%,COD去除率达到97.2%, 氨氮去除负荷0.6 kg N/（m³ ·d）。适合SNAD工艺的最佳C/N比为0.2～0.6,当COD浓度过高时,会抑制厌氧氨氧化细菌,使SNAD工艺的处理效果明显下降。     

晚期垃圾渗滤液的部分亚硝化

利用实验室小试SBR在(33±1)℃的条件下,通过动态调控溶氧浓度(DO)(2～7 mg/L)和水力停留时间(2～5 d),经过130 d的运行成功启动了晚期垃圾渗滤液(NH4+-N含量1 227～2 133 mg/L)的部分亚硝化,使出水NO2--N∶NH4+-N稳定维持在1∶1左右,为后续的厌氧氨氧化工艺创造了进水条件。利用实时荧光定量PCR研究启动过程中的特异微生物氨氧化细菌的含量变化表明,氨氧化细菌的含量与NO2--N的生成速率和出水NO2--N稳定性有着显著相关性。     

人工湿地中氨化细菌去除有机氮的效果

人工湿地去除有机氮主要由于氨化细菌的作用.为了了解人工湿地中氨化细菌去除有机氮的效果,对人工湿地基质中5株氮化细菌进行了初步鉴定,比较了不同氨化细菌去除有机氮的效果,氨化细菌去除有机氮的量通过其生成的NH4< >-N来衡量.结果表明,芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)为人工湿地中氧化细菌的优势菌属;氨化细蒲-1、氨化细菌-2及氨化细菌-5对有机氮的去除效果相对较好,分别达到46.2%、49.4%和52.6%.添加沸石对玄除氨氮有明显效果,从而能够提高有机氮的去除率.     

鞘细菌FC9901氧化铁生化机制的研究

本文对分离到的鞘细菌菌株FC990 1氧化铁的生化机制进行了初步研究。结果表明 ,该菌株的营养类型为化能有机营养型 ,其能源主要来自有机碳源的氧化 ,并不能从Fe2 + 氧化过程中获取能量。活性定位研究和 pH、温度、抑制剂试验结果表明 ,该铁氧化活性物质是酶 ,而且是一种胞外酶。铁的生物学氧化属于酶学催化过程 ,并遵守酶的动力学。