利用PCR-DGGE分析未开发油气田地表微生物群落结构

利用PCR-DGGE和克隆测序技术,分别对未开发油田、气田和非油气田对照区域,地表30、60、100、150、200 cm深度的土壤微生物分布进行研究,目的在于了解未开发油气田区域土壤微生物的分布特征,寻找潜在的油气资源指示菌.结果表明,不同深度土壤样品间的菌群相似度很低(26～69.9).在150 cm和200 cm处,DGGE图谱具有更好的丰富度(≥19)、多样性(≥2.69)和均匀度(≥0.90).油田区域富含γ-Proteobacteria(75%),此外还包括α-Proteobacteria、Actinobacteria、Acidobacteria,其相似菌株主要为石油相关菌和烃降解菌,如食烷菌、噬甲基菌.气田含有α、β、γ、δ-Proteobacteria和Bacteroidetes,γ-Proteobacteria含量较小(24%),所获16S rDNA条带相似菌株大多不具有烃降解能力,部分具有甲烷相关性,如甲基孢囊菌.在此类研究中,150 cm、200 cm更适于作为统一取样深度进行大范围取样调查;甲基孢囊菌可用来作为潜在的气田指示菌,食烷菌和噬甲基菌可作为潜在的油田指示菌,但仍需进一步地大范围取样验证.     

旱地土壤反硝化厌氧甲烷氧化菌的垂向分布特性与活性分析

在厌氧条件下,以亚硝酸盐作为电子受体将甲烷氧化的反硝化厌氧甲烷氧化反应(nitrite-dependent anaerobic methane-oxidizing,n-damo)的发现,彻底颠覆了人们对甲烷循环的传统理解.通过分子生物学方法及13C和15N稳定同位素示踪技术,对河北省北澧河附近的旱地农田土壤(0~1 m)中n-damo菌的群落结构、丰度和活性进行了研究,深入探究了n-damo菌的亚硝酸盐底物来源.结果显示,n-damo菌更多存在于旱地浅层土壤中,并且随季节变化分布在不同深度的土壤中.针对其pmo A基因的系统发育分析显示,旱地土壤中n-damo菌的群落结构具有明显的空间异质性,来自土壤0~20 cm和40~60 cm土层的序列完全分开,处于系统发育树不同分枝.针对其16S rRNA基因的实时荧光定量PCR结果显示,n-damo菌丰度随土壤深度的增加而降低,夏季丰度(1.44×10~4~1.02×10~5copies·g~(-1))低于冬季(3.66×104~2.67×105copies·g-1).在浅层土壤(0~20 cm)中,硝化反应和反硝化反应共同为n-damo菌提供亚硝酸盐底物来源;而在深层土壤(60~80 cm)中,亚硝酸盐底物主要来源于硝化反应.n-damo菌的活性(0.18 nmol·g~(-1)·d~(-1),以CO_2计)只能在夏季表层土壤(0~20 cm)中检测到,其余深度均未检测到其活性.在旱地农田土壤中,反硝化厌氧甲烷氧化菌对农田碳循环的影响可能不大.     

利用氧化亚氮还原酶基因 (nosZ) 评价人工湿地系统中的反硝化菌

应用人工潜流湿地净化微污染地表水,出水用于补给人工景观河.利用定量PCR测定了湿地植物根际土壤和景观河底泥中16S rDNA和nosZ的丰度,并采用PCR-DGGE技术考察了样品中含nosZ基因的群落结构及其相似性.定量PCR结果表明,潜流湿地及人工景观河16S rDNA、nosZ平均绝对丰度(以DNA计)分别为1.91E+07、1.26E+06和2.68E+07、8.37E+05 copies.ng-1,以干土计时分别为1.45E+11、9.31E+09和5.31E+11、1.45E+10 copies.g-1.景观河底泥中微生物总量和反硝化菌数量要高于湿地根际土壤,但是后者nosZ相对丰度(3.8%～10.1%)则明显高于前者(1.7%～4.1%).根际土壤和底泥样品聚类分析相似度低,根际土壤优势菌种大部分与红杆菌目(Rhodobacearales)、根瘤菌目(Rhizobiales)和伯克氏菌目(Burkholderiales)的细菌相似,而底泥的优势菌种均为不可培养的微生物.     

油气田土壤样品中可培养丁烷氧化菌多样性研究

分别采用丁烷或丁醇选择培养法,对采自四川省达州市普光气田和湖北省江汉油田的土壤样品中的丁烷氧化菌进行了分离、纯化、16S rRNA基因序列测定及系统发育研究,探讨不同油田不同环境中烃氧化菌数量、系统发育地位以及种群多样性的差异.结果表明,初步分离获得共25株丁烷氧化菌,分属于厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)和变形菌门(Proteobacteria).2个油田样品分离出的丁烷氧化菌群落结构简单,均包括芽孢杆菌(Bacillus)、假单胞菌(Pseudomonas)、红球菌(Rhodococcus)和节杆菌(Arthrobacter)4个属的细菌,苍白杆菌属(Ochrobactrum)和分支杆菌属(Mycobacterium)的细菌分离自普光气田.普光气田分离出的丁烷氧化细菌数量和多样性略高于江汉油田.     

同步半硝化-厌氧氨氧化-反硝化一体式反应器的运行条件和微生物丰度研究

通过小试考察了同步半硝化-厌氧氨氧化-反硝化(SNAD)系统的运行条件以及各种细菌的丰度变化情况。结果表明:通过控制温度等运行参数可以成功启动SNAD系统。在启动阶段,细菌的丰度基本保持不变;在稳定化运行阶段,氨氧化细菌(AOB)的丰度为(2.95E+07)copies/g(每克污泥,下同)、亚硝酸盐氧化细菌(NOB)中的Nitrospira和Nitrobacter的丰度分别为(5.87E+05),(3.95E+06)copies/g,厌氧氨氧化(Anammox)细菌的丰度达到了(7.85E+09)copies/g。对于整个系统而言,AOB和Anammox是系统中的优势细菌。     

甲烷氧化菌在填埋场覆盖层的工程应用 (Ⅰ):分离与筛选

选取了湖泊底泥、矿化垃圾、覆盖土和好氧污泥4种填埋场周边易得基质为分离源,采用驯化、传代培养、甲烷氧化能力及适应性等方法进行了适合于填埋场覆盖层应用的甲烷氧化菌的筛选研究.结果表明,从好氧污泥中分离得到的甲烷氧化菌较其它分离源得到的甲烷氧化菌具有更高的甲烷氧化活性(2461.29μg·h-1·g-1,以每g干污泥每小时氧化的CH4量(μg)计,下同)和甲烷氧化速率增幅(1045.56μg·h-1·g-1,以每g干污泥每小时氧化的CH4量(μg)计,下同),接种后能显著提高覆盖材料的甲烷氧化能力(p0.05),且不受CH4浓度的抑制.源自好氧污泥的甲烷氧化菌具有生长迟滞期短、生长速率高等特点,对填埋场的甲烷削减更具适应性,有利于工程扩大应用.     

稻田土壤反硝化厌氧甲烷氧化菌的时空分布与群落结构分析

由"Candidatus Methylomirabilis oxyfera"主导发生的以甲烷和亚硝酸盐为底物的反硝化厌氧甲烷氧化反应(nitrite-dependent anaerobic methane-oxidizing,n-damo)的发现,将生物地球化学碳循环和氮循环以新的方式结合起来.本研究以夏季和冬季江阴稻田土壤柱状样品为研究对象,对稻田土壤M.oxyfera-like菌的时空分布和群落结构进行了考察.M.oxyfera-like菌16S rRNA基因的定量PCR结果显示M.oxyfera-like菌的丰度随着土壤深度的增加而增加,且无明显季节性差异,60~200 cm深度的稻田土壤是M.oxyfera-like菌的高丰度区域.M.oxyfera-like菌pmo A基因的系统发育分析和生物多样性分析显示M.oxyfera-like菌的群落结构具有一定的时空异质性,且生物多样性随着土壤深度的增加而增加.这些结果都说明江阴稻田深层土壤(60~200 cm)是适宜M.oxyfera-like菌生存的生态环境.     

垃圾填埋场覆土层Ⅱ型甲烷氧化菌的群落结构

采用基于16S rDNA 的变性凝胶梯度电泳(DGGE)技术研究了生活垃圾卫生填埋场和生物反应器填埋场覆土中Ⅱ型甲烷氧化菌群落结构,比较了不同填埋操作方式对Ⅱ型甲烷氧化菌的影响.结果表明,覆土铺有HDPE 膜、无填埋气体渗入的填埋覆土中未发现Ⅱ型甲烷氧化菌;而有填埋气体渗入时,进行渗滤液亚表面灌溉的生物反应器填埋场,无论是否同时进行层内回灌,其覆土中均检测到甲烷孢囊菌(Methylocystis).卫生填埋场填埋龄长达5a 的填埋覆土中发现了甲基弯菌(Methylosinus),填埋龄较低的填埋场覆土中未发现II 型甲烷氧化菌.渗滤液亚表面灌溉及长时间填埋气体驯化能促进Ⅱ型甲烷氧化菌的生长.有机质等营养物质丰富而NH4+-N浓度较低的填埋覆土有利于Ⅱ型甲烷氧化菌的生长.     

含硫化合物对Methylosinus trichosporium OB3b生长和合成聚-β-羟基丁酸酯的影响

为了将人类活动排放的含有甲烷的废气用于聚-β-羟基丁酸酯(PHB)合成过程,以M.trichosporium OB3b为菌种,考察硫化氢(H2S)和甲硫醚(DMS)对甲烷氧化菌生长和PHB合成的影响。实验结果表明,H2S浓度高达2 500μmol/mol时对甲烷氧化菌生长及甲烷单加氧酶(MMO)活性基本无影响,含H2S时的PHB含量和产率比无H2S时高,甲烷氧化菌经H2S培养后PHB合成能力增强。然而,DMS浓度为200μmol/mol时即可明显抑制甲烷氧化菌的生长及MMO活性。在DMS存在条件下,PHB含量和PHB产率都明显降低,经DMS培养后甲烷氧化菌的PHB含量进一步降低。     

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Moxyfera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).     

甲烷氧化菌在填埋场覆盖层中的工程应用(Ⅱ):基质选择性及长效性

针对已筛选获得的甲烷氧化混合菌,选取填埋场覆盖土(LCS)、矿化垃圾(AR)和塘渣(TZ)3种填埋场周边易得的材料为供试生存基质,从基质选择性及长效性角度进行了甲烷减排应用条件的探究及使用效能评估.结果表明,在TZ、LCS、AR、TZ-AR和LCS-AR这5种生存基质中,TZ-AR最适合甲烷氧化混合菌的生长,且TZ与AR的复配比例以5∶5为最佳.甲烷氧化混合菌在TZ-AR的粒径≤4 mm和含水率为20%时具有最高甲烷氧化能力.一次性接种甲烷氧化混合菌在静态体系中的最佳使用有效期为31 d.其在接种量为0.08、0.16、0.20 m L·g-1和0.25m L·g-1时甲烷氧化速率无明显差异,从工程应用角度而言,8%的接种量为最佳.     

外加微量N2H4下SBR中硝化微生物特性

运行实验室规模单级硝化序批式反应器(SBR),研究长期外加微量N_2H_4(约3 mg·L~(-1))对硝化污泥中功能微生物好氧氨氧化菌(AOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)的影响.结果表明,外加微量N_2H_4的硝化污泥中,AOB主要属于亚硝化球菌(Nitrosococcu)属和亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)属,另有少部分属于亚硝化螺旋菌(Nitrosospira)属,NOB属于硝化杆菌(Nitrobacter)属.外加微量N_2H_4前后,AOB amoA基因拷贝数(以干污泥计)由1.0×10~9copies·g~(-1)减少为2.09×10~4copies·g~(-1),NOB nxrB基因拷贝数由1.28×10~7copies·g~(-1)减少为2.56×10~5copies·g~(-1).AOB对环境因素较NOB相比更为敏感,N_2H_4对硝化微生物的抑制与毒性作用使外加微量N_2H_4的硝化污泥中AOB流失幅度大于NOB,但定量PCR方法无法准确比较N_2H_4对AOB与NOB活性抑制的强弱.长期外加微量N_2H_4破坏硝化微生物活性,使反应器崩溃.因此在没有厌氧氨氧化菌(AnAOB)消耗N_2H_4的亚硝化系统中,企图通过调控外加N_2H_4浓度水平抑制NOB活性,从而进一步洗脱NOB提高脱氮性能可能无法实现.     

脱硫石膏对稻田CH4释放及其功能微生物种群的影响

为探究脱硫石膏对温室气体CH_4排放及其功能微生物种群的影响,采用静态暗箱/气相色谱法,高通量测序和荧光定量PCR技术,研究了FGDG0(0 t·hm~(-2))、FGDG1(2 t·hm~(-2))、FGDG2(4 t·hm~(-2))、FGDG3(8 t·hm~(-2))、FGDG4(16 t·hm~(-2))这5个施加脱硫石膏处理下CH_4排放特征、稻田细菌群落结构及产甲烷菌和甲烷氧化菌丰度的变化.结果表明施加脱硫石膏后,土壤p H显著提高(P0.05),土壤氧化还原电位、有机质、速效钾含量增加,但处理间无显著差异(P0.05);稻田CH_4平均排放通量随着脱硫石膏用量增加而降低,且FGDG1FGDG2FGDG3FGDG4,较对照分别减少31.56%、57.30%、83.60%、90.66%;与对照相比,FGDG1、FGDG2处理增加了土壤细菌丰富度和多样性,但用量超过4 t·hm~(-2)后,细菌丰富度和多样性逐渐降低;与对照相比,稻田土壤硫酸盐还原菌属相对丰度显著提高6.98%~13.56%,甲烷氧化菌pmo A基因丰度增加0.3%~6.2%,产甲烷菌mrc A基因丰度显著下降2.4%~15.8%,且丰度比(pmo A/mcr A)随着脱硫石膏用量增加而增大;相关性分析表明,CH_4平均排放通量与土壤中硫酸盐还原菌属相对丰度呈显著负相关,与产甲烷菌mcr A基因丰度呈显著正相关,与pmo A/mcr A比呈显著负相关.综上,脱硫石膏能够提高稻田土壤细菌群落多样性,抑制稻田CH_4排放.     

Elevated atmospheric CO2 and drought effects on leaf gas exchange properties of barley

Atmospheric CO₂ concentration (C_a) is rising, predicted to cause global warming, and alter precipitation patterns. During 1994, spring barley (Hordeum vulgare L. cv. Alexis) was grown in a strip-split-plot experimental design to determine the effects that the main plot C_a treatments [A: Ambient at 370 μmol (CO₂) mol⁻¹; E: Enriched with free-air CO₂ enrichment (FACE) at ∼550 μmol (CO₂) mol⁻¹] had on several gas exchange properties of fully expanded sunlit primary leaves. The interacting strip-split-plot irrigation treatments were Dry or Wet [50% (D) or 100% (W) replacement of potential evapotranspiration] at ample nitrogen (261 kg N ha⁻¹) and phosphorous (29 kg P ha⁻¹) fertility. Elevated C_a facilitated drought avoidance by reducing stomatal conductance (g_s) by 34% that conserved water and enabled stomata to remain open for a longer period into a drought. This resulted in a 28% reduction in drought-induced midafternoon depression in net assimilation rate (A). Elevated C_a increased A by 37% under Dry and 23% under Wet. Any reduction in A under Wet conditions occurred because of nonstomatal limitations, whereas under Dry it occurred because of stomatal limitations. Elevated C_a increased the diurnal integral of A (A′) that resulted in an increase in the seasonal-long integral of A′ (A″) for barley leaves by 12% (P = 0.14) under both Dry and Wet - 650, 730, 905 and 1020 ± 65 g (C) m⁻² y⁻¹ for AD, ED, AW and EW treatments, respectively. Elevated C_a increased season-long average dry weight (DW_S; crown, shoots) by 14% (P = 0.02), whereas deficit irrigation reduced DW_S by 7% (P = 0.06), although these values may have been affected by a short but severe pea aphid [Acyrthosiphon pisum (Harris)] infestation. Hence, an elevated-C_a-based improvement in gas exchange properties enhanced growth of a barley crop.     

SO2诱导的萱草保卫细胞凋亡及其信号调节

SO2是一种常见的大气污染物,急性和慢性暴露都会对植物造成伤害.因此,本文以景观绿化植物萱草叶片下表皮为材料,研究了SO2对气孔保卫细胞的致死效应及其可能的信号调节途径.结果表明,利用SO2体内衍生物-亚硫酸钠和亚硫酸氢钠混合液处理萱草表皮3 h后,随着处理浓度(1.0~5.0 mmol·L-1)的增加,萱草保卫细胞生理活性下降,甚至死亡;浓度超过2.0 mmol·L-1时,细胞死亡率显著增高(p0.05),死细胞出现核固缩、核拉长、核碎片等典型凋亡特征,保卫细胞内的活性氧种(ROS)、一氧化氮(NO)和Ca2+水平显著升高.采用不同浓度的抗氧化剂过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸(AsA),Ca2+螯合剂乙二醇双四乙酸(EGTA)和Ca2+通道抑制剂氯化镧(LaCl3)及NO清除剂羧基-2苯-4,4,5,5-四甲基咪唑-1-氧-3氧化物(C-PTIO)和合成抑制剂叠氮钠(NaN3)处理后,均可使SO2衍生物诱发的细胞死亡率降低,以200 U·mL-1CAT、0.05 mmol·L-1的AsA、EGTA、LaCl3及0.20 mmol·L-1的C-PTIO、NaN3的效果最佳,同时胞内ROS、NO和Ca2+水平下降.以上结果表明,一定浓度的SO2可诱导萱草保卫细胞死亡,可能通过诱导ROS和NO爆发,激活细胞质膜钙通道,进而引起胞内Ca2+增加,通过ROS-NO-Ca2+信号途径介导细胞死亡.SO2诱导的萱草细胞死亡可能存在细胞凋亡过程.     

河流沉积物中有机磷提取剂(NaOH-EDTA)提取比例与机制研究

选择海河流域高磷污染河流滏阳新河沉积物为研究对象,利用液相31P核磁共振(31P-NMR)技术优化了沉积物中有机磷提取剂NaOH和EDTA的配比,探讨了提取剂对总磷(TP)、有机磷(P o)及金属离子的提取机制.结果表明,不同配比的NaOH和EDTA提取液提取同一沉积物,所提取的TP和P o的量差异较大,但P o的提取量均高于NaOH单独提取,主要原因为EDTA与Fe、Al等离子的结合促进了无机磷(P i)和P o的释放;TP在1.00 mol·L-1NaOH+75 mmol·L-1EDTA配比的提取液中获得最大提取量,为3.88 mg·g-1,P o在0.25 mol·L-1NaOH+50 mmol·L-1EDTA配比的提取液中提取量最大,为0.24mg·g-1;相同浓度NaOH提取液中金属离子Fe、Mn、Ca、Mg、Al提取量随EDTA浓度增大呈升高趋势,主要是通过螯合作用、金属离子与OH-形成化合物实现.其中,Fe、Mn、Ca提取浓度与提取液pH呈显著负相关(P<0.01),说明其与OH-形成沉淀化合物;Al离子由于既可以与OH-生成可溶性的偏铝酸盐又可以被EDTA螯合形成可溶性络合物,因此其浓度随提取液pH升高呈指数增长趋势(P<0.01);NaOH与EDTA混合提取剂核磁共振图谱优于NaOH提取液,在本研究中均可以检测到膦酸盐、正磷酸盐、磷酸单酯、磷脂、DNA和焦磷酸盐.综合考虑:对北方河流富含Fe和Al的河流沉积物,0.25mol·L-1NaOH与50 mmol·L-1EDTA可以作为理想的沉积物有机磷提取剂.     

表层附着累枝虫的好氧颗粒污泥特性

在序批式反应器(SBR)中处理实际生活污水,并接种城市污水处理厂活性污泥,培养出表层附着大量累枝虫的好氧颗粒污泥.运行120 d时,颗粒污泥浓度可达4482 mg·L-1,污泥容积指数(SVI)为55 m L·g-1左右,颗粒的粒径主要在1.6~2.5 mm之间,平均沉速为55.4 m·h-1,累枝虫密度可达30450 ind·m L-1.CODCr和NH+4-N的平均去除率分别为87.9%和91.8%.采用直接免疫荧光法证实累枝虫可吞食游离细菌,能有效减少出水SS,且出水SS与累枝虫的密度变化整体呈相反趋势.表层附着生长的累枝虫略微降低了颗粒污泥的沉速.结构分析可看出累枝虫根植于颗粒表层,柄的部分成为颗粒污泥的"骨架",有利于颗粒污泥结构强度和稳定性.     

子牙河水系水和沉积物好氧氨氧化微生物分布特征

采集海河流域子牙河水系河流沉积物和河流水样,分析了其好氧氨氧化微生物的分布特征,并探讨了氨氮、溶解氧和pH对其分布的影响.结果表明,沉积物中氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）丰度范围分别为1.05×105～1.18×109genecopies·g-1和1.04×105～2.46×109genecopies·g-1,水体AOA和AOB丰度范围分别为5.21×102～2.44×109genecopies·mL-1和1.75×102～1.56×1010genecopies·mL-1;沉积物中AOB占优势,平均丰度为AOA的8.51倍,水中AOA占优势,平均丰度为AOB的18.99倍.偏相关分析表明,氨氮浓度同水中AOB与AOA丰度比值显著正相关（r=0.477,p〈0.05）,pH同水体AOB丰度显著正相关（r=0.466,p〈0.05）,而溶解氧同水体AOB丰度及AOB、AOA丰度比值都显著正相关（r分别为0.722和0.745,p〈0.01）.