FISH-NanoSIMS技术在环境微生物生态学上的应用研究

微生物分子生态学技术的不断发展,使得同时分析复杂生态系统中微生物的分布和功能特征成为可能.为了研究荧光原位杂交-纳米二次离子质谱技术(fluorescence in situ hybridization-Nano secondary ion mass spectroscopy,FISH-Nano SIMS)在环境微生物生态学上的应用,本研究采用稳定同位素标记的化合物13C-C6H12O6、15N-NH4Cl作为C源和N源,分别对纯培养锰氧化细菌假单胞菌Pseudomonas sp.QJX-1(培养基加锰及不加锰两种条件下),以及浅层土壤及厌氧污泥两种环境样品进行培养.利用FISH-NanoSIMS技术检测培养后样品中微生物体内12C-、13C-、12C14N-、12C15N-的分布特征及其丰度值,进而探讨纯菌及环境样品中微生物利用同位素碳氮源的情况.结果显示所有样品细菌分布区域对应的同位素碳氮(13C、15N)的含量均显著大于其自然丰度值,这表明Pseudomonas sp.QJX-1及环境样品中的微生物均能代谢13C-C6H12O6和15N-NH4Cl.研究进一步发现,Pseudomonas sp.QJX-1在碳氮源消耗至较低浓度时才进行锰氧化;浅层土壤和厌氧污泥中可能都存在同步硝化反硝化细菌群落.FISH和Nano SIMS技术联用能同时分析环境样品中特定微生物的分布特征及代谢功能,进而能更好地掌握环境样品中微生物群落的生理生态学特征.     

微生物固定化技术在污水处理中的应用

通过对微生物固定化方式、载体分类的介绍,综述了微生物固定化技术在污水处理中的应用研究进展,认为微生物经固定化后在污水处理中的效果明显大于游离状态.最后对微生物固定化技术在污水处理方面的应用前景及存在的问题进行了评述.     

环境有益微生物的开发、应用及产业化

微生物在污染物的降解转化,资源的再生利用,无公害产品的生产开发,生态环境的建设保护等方面都能发挥重要作用,一些发达国家在环境有益微生物的开发,应用等领域进行了大量的研究,取得了巨大的经济、环境和社会效益,本文结合我国的实际情况探讨了今后在环境有益微生物的开发应用及产业化方面的发展方向,包括建立环境有益微生物菌种库,促进其产业化应用;水污染综合防治中微生物技术的应用;固体废弃物的微生物处理技术;高新     

厌氧颗粒污泥中微生物种群变化的分子生物学解析

荧光定量-聚合酶链式反应(RTQ-PCR)与荧光原位杂交(FISH)技术对厌氧反应器内不同状态下颗粒污泥中微生物种群的数量变化与空间分布进行研究.结果发现,颗粒污泥中真细菌明显多于古细菌,但随着厌氧反应器有机负荷的提高,古细菌明显增加,其中产甲烷丝菌也明显增加;真细菌多分布生长在颗粒污泥的外层,而对环境条件敏感的古细菌多分布生长在内层,且随着反应器有机负荷的提高,这种层状分布的特点更为明显.     

基于秸秆厌氧干发酵的FISH预处理条件优化

优化了荧光原位杂交技术(FISH)定量测定秸秆厌氧干发酵基质中微生物的样品预处理条件,并在最优条件下做了验证性实验。结果表明:使用无水乙醇作为清洗液,FISH样品的荧光信号强度和丰度比用PBS清洗液(磷酸缓冲盐溶液)时有显著提高;样品预处理过程中加无菌玻璃珠震荡能提高微生物的分散度,从而提高FISH技术对秸秆厌氧发酵基质中微生物定量的准确性;采用离心转速为13 000 r/min时,微生物菌体收集率提高,而且还能保证完好的细胞形态,为后续的FISH杂交奠定基础。     

FISH/MAR技术及其在环境微生物学研究中的应用

荧光原位杂交与微量自动照相集成技术(FISH/MAR)能够同时在单细胞水平原位进行细胞的分类鉴定和细胞对底物的吸收特性研究,这是微生物学研究领域的一大突破。目前,这一技术已有效应用于工程系统(污水处理厂、生物反应器等)和自然生态系统中微生物的研究。污染水体的原位强化净化及其生态修复与微生物也有着密切的关系,因此,这一技术的应用不仅能够提高工程系统污水处理效率,也将为受损水生态系统的原位修复提供科学依据。     

PCR-DGGE分析技术在环境检测中的应用

多聚酶链式反应结合变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE）分析技术是一项基于分子生物学技术的分析方法。文章综述了PCR—DGGE分析技术的产生背景、基本原理和在环境微生物检测中的应用现状，并对该技术的优缺点和今后的应用前景进行了探讨。     

处理含酚废水曝气生物流化床中丝状菌种群结构的解析

应用曝气生物流化床反应器(ABFT)处理含酚废水,随着进水ρ(苯酚)由100 mg/L提高到400 mg/L,苯酚的去除率稳定在100%左右,且苯酚的去除主要发生在4个反应池中的第一池. 利用扫描电镜(SEM)、荧光原位杂交(FISH)和变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术对反应器内微生物种群进行分析. 扫描电镜结果表明,随着反应器进水ρ(苯酚)的提高,填料生物膜微生物逐渐演变为以丝状菌为主. 针对SSU rRNA的荧光原位杂交结果表明,反应器内丝状微生物主要为真菌. 分别对细菌和真菌的16S rDNA和18S rDNA 进行PCR-DGGE分析,结果表明,反应器内主要的苯酚降解菌为克氏地霉(Geotrichum klebahnii),同时存在发硫菌等丝状细菌. 聚类及多样性分析表明,苯酚对微生物种群表现出很强的选择性.      

高效厌氧产甲烷颗粒污泥中微生物多样性及定量化研究

以小试高效厌氧反应器不同运行阶段的颗粒污泥为对象,利用变性梯度凝胶电泳(DGGE)、荧光原位杂交(FISH)和实时定量链式聚合酶反应(RTQ-PCR)等技术研究了其中微生物种群的多样性、特征微生物的空间分布和定量关系,结果表明:随着反应器有机负荷逐渐提高,颗粒污泥中古菌的群落结构的变化较细菌更为明显;细菌多分布在颗粒外层,而古菌则主要分布在颗粒内层;古菌含量略少于细菌,但有逐渐增多的趋势;产甲烷丝菌在古菌中的含量增加明显.     

区域地下水环境演化的分子生物学特征——以太行山前平原浅层水为例

以太行山前平原大沙河流域的典型区域浅层地下水为研究对象,沿岸布点采集样本94组,采用基于16S rRNA基因的高通量测序技术,以硝酸盐、溶解氧、化学需氧量为环境因子,分析指示环境因子演化的微生物群落结构特征及功能性指示菌属.结果显示：采用累积概率分布法将样品分为背景（B）、硝酸盐污染（N）、有机污染（O）、有机硝酸盐复合污染（O_N）4组,该分类与地下水质量标准的I类、Ⅱ类水分类相近;污染使种群结构趋于一致,且有机污染可使微生物群落丰富度降低;不同污染类型导致环境演化的功能性指示菌属分别为：Micromonospora和unclassified_f_Micromonosporaceae指示有机污染,Chryseobacterium和Streptomyces指示硝酸盐污染,Pseudomonas和Microvirgula指示硝酸盐和有机复合污染.以上构建的分子生物学方法可为区域环境调查及微生物修复提供理论依据.     

海水入侵区含水层中原核微生物多样性和群落结构特征及其意义

海水入侵引起的地下水咸化是沿海地区面临的主要自然灾害之一,并由此产生了强烈的物理化学梯度变化,严重影响了原生态环境. 为研究海水入侵影响下含水层微生物的多样性和群落结构,揭示海水入侵对原位微生物群落的环境影响,采用基于高通量测序的微生物群落分析方法,对珠江三角洲含水层中微生物群落多样性和结构组成进行表征和比较,并探讨微生物群落对环境变化的响应. 结果表明:研究区地下水中微生物群落主要分属于47个原核微生物门类,其中最丰富的门是变形菌门(Proteobacteria),其次是厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes),而古菌的群落结构以奇古菌(Thaumarchaeota)和广古菌(Euryarchaeota)为主,且Thaumarchaeota和Euryarchaeota在高浓度咸水中丰富度更高. 不同盐度梯度下微生物群落之间共有的OTUs占比为59%,在一些高浓度咸水样品中存在大量的脱硫弧菌属和甲烷球菌厌氧微生物. 虽然微生物群落的多样性并不完全与盐度梯度一致,但在溶解性总固体(TDS)浓度大于1 g/L的含盐地下水中,微生物群落的多样性随盐度的增加而增加. 典范对应分析(CCA)表明,TDS和总氮(TN)是影响微生物群落分布最显著的环境因子. 研究结果为进一步揭示海水侵蚀下的地下水中微生物群落的结构及其环境相互作用奠定了基础.      

土壤微生物对环境胁迫的响应机制

微生物在生态系统物质循环和能量流动过程中起重要作用.研究土壤微生物对各种环境胁迫的响应有助于认识微生物对环境变化的适应与演变机理,维持土壤生态系统功能的稳定.土壤微生物群落多样性是衡量土壤生态系统稳定性的一个重要指标.多数研究表明,土壤微生物群落多样性越高,土壤生态系统越稳定.本文在总结土壤微生物群落多样性及其与环境胁迫响应关系的基础上,进一步讨论了土壤微生物对环境胁迫响应的生态学机制,包括:①抗性微生物的出现及抗性基因的水平转移.该过程导致了土壤微生物群落结构和多样性的改变,产生了更多抵抗能力较强的微生物类群,从而达到对外源干扰的适应,使土壤微生物群落对环境胁迫的抵抗力和恢复力随之提高.②土壤微生物群落功能的冗余.这些冗余程度越高,冗余组分缓冲维持生态系统正常功能的能力越强,从而提高微生物群落对环境胁迫的抵抗力和恢复力.研究土壤生态系统的稳定性与微生物多样性之间的关系,不仅有助于揭示土壤生态系统稳定性的内在机制,为合理调控提供科学依据,也可以为土壤环境质量管理提供参考.     

水-硅油双相系统筛选分离多环芳烃降解菌

利用水－硅油双相系统筛选，分离了3种多环芳烃的降解菌，对7种主要的多环芳烃进行了降解试验，结果表明从水－硅油双相系统筛出来的混合菌对多环芳烃降解效果较好，降解率随多环烃环数增加而递减。     

全氟和多氟烷基化合物微生物降解与转化研究进展

全氟和多氟烷基化合物(PFASs)因其持久性、长距离迁移性、生物积累性和生物毒性而受到广泛关注.目前世界上对环境中PFASs的监测和管控主要针对全氟烷基酸(PFAAs).而大部分多氟烷基化合物在环境中能够被微生物降解为PFAAs,也被称为前体物.因此,探究前体物在环境中的微生物转化行为有助于综合评价PFASs的环境风险,以及制定相关的管控和修复措施.虽然PFAAs一直被认为是环境中的“永久化合物”,但近年来,PFAAs的厌氧微生物还原脱氟作为一项极具潜力且充满挑战的修复技术,成为研究的一个前沿热点.系统总结了前体物(氟调化合物和全氟辛烷磺胺衍生物)、 PFAAs和新型PFASs在微生物作用下的降解规律和转化路径,并讨论了PFASs微生物降解的影响因素,最后提出未来的研究方向.     

生物矿化在重金属污染治理领域的研究进展

生物矿化通过生物代谢影响金属及类金属物质的形态分布,进而改变金属及类金属物质的生物有效性及毒性,在环境污染治理领域成为研究热点.文献计量学结果显示,2007—2017年生物矿化研究以微生物为主要对象,在纳米颗粒物和矿区修复等方面形成热点,并在环境学、生物学、化学和工程学等领域形成交叉学科.结合典型矿化菌与重金属间的矿化关联规律和微界面反应对微生物矿化中重金属的钝化机制进行归纳:①依据矿化菌与矿化产物的关联性对矿化菌进行分类,从碳酸盐、铁锰氧化物、硫化物和磷酸盐4类矿化产物角度汇总了碳酸盐矿化菌、铁锰氧化菌、硫酸盐还原菌及磷酸盐溶解菌的代表微生物;②矿化菌通过诱导矿化的方式固定重金属离子,其中碳酸盐矿化菌、硫酸盐还原菌及磷酸盐溶解菌可以直接促进金属矿物的形成,铁锰氧化菌生成的矿物间接吸附金属离子;③微生物矿化是由外及内的过程,细胞壁及胞外多聚物具有丰富基团,在矿化初期提供吸附和成核位点,原生质体也可以提供矿化场所,在矿化中后期继续固定游离离子.但是,由于微生物复杂的细胞结构及独特的生理习性,矿化过程的微界面反应机制研究尚显不足,需要利用生物学、矿物学、环境科学等领域的先进技术进一步的探索;同时也应开展宏观生态水平的生物矿化研究,并结合实际问题完善生物矿化在环境污染治理中的理论,为重金属污染地区的治理提供新的思路和技术.      

膜曝气生物膜反应器运行单级自养脱氮工艺功能型菌群特性研究

基于16S rDNA基因的分子生物学方法,对运行单级自养脱氮工艺的膜曝气生物膜反应器（membrane-aerated biofilm bioreactor, MABR)内的2个主要效应菌群(氨氧化菌和厌氧氨氧化菌)之间的协同作用关系和在生物膜上可能的空间分布进行研究.荧光原位杂交结果显示,试验的曝气生物膜主要存在2个明显的功能层,一个是靠近曝气膜和生物膜交界的氨氧化菌聚集层,另一个是靠近生物膜与水体交界的厌氧氨氧化菌聚集层.氨氧化菌和厌氧氨氧化菌群为曝气生物膜上的2个主要功能菌群,它们之间的合作共生和协同作用是膜曝气生物膜实现单级自养脱氮的基础.     

再生水雾化导致的病原微生物暴露剂量计算方法研究

呼吸吸入是再生水利用过程中病原微生物的主要暴露途径之一.本研究提出了呼吸途径病原微生物暴露剂量的计算方法.首先根据再生水中病原微生物的浓度、喷洒强度和再生水雾化效率因子（雾化效率因子取值一般在0.003～0.01之间）,确定再生水喷洒过程中病原微生物的排放强度.然后参考大气污染物扩散模型计算微生物气溶胶的分布,并考虑病原微生物在环境中的衰减,得出空气中病原微生物浓度.病原微生物的衰减计算与其自身衰减因子和环境影响因子有关.根据微生物种类的不同,其在空气中的衰减因子在-0.23～0 s^-1之间,而环境对微生物的影响因子在0.016～73之间.最后结合呼吸速率和暴露时间求得呼吸途径的暴露剂量.根据易感人群年龄、性别和活动强度的不同,日平均呼吸速率在4.5～17 m³·d^-1之间,小时平均呼吸速率在0.3～3.2 m³·h^-1之间.本研究提出的方法可直接用于计算再生水利用于农业灌溉、园林绿化以及水景喷泉过程中因再生水雾化导致的病原微生物暴露剂量.