宏基因组学解析蚯蚓粪中微生物种群及耐药基因的组成

为判定蚯蚓粪作为微生物肥料的潜力,本研究采用宏基因组学的方法,对污泥、牛粪与蔬菜蚯蚓粪样品抽提的DNA进行测序,并将结果进行物种注释及功能注释,以揭示不同蚯蚓粪中功能性微生物的种群结构.结果表明：污泥、牛粪和蔬菜蚯蚓粪分别检测到117505、81182、81104条scaftigs.变形菌门、拟杆菌门、疣微菌门与放线菌门为3种蚯蚓粪的优势菌门.氮磷代谢途径分析表明,蚯蚓粪中富含固氮菌（Rhizobium、Mesorhizobium、Bradyrhizobium、Azospirillum）、硝化菌（Nitrosomonas、Nitrosospira、Nitrosococcus、Nitrospira）和溶磷菌（Flavobacterium、Pseudomonas、Arthrobacter、Streptomyces）等肥料功能菌.相比而言,蔬菜蚯蚓粪微生物肥料潜力较高.相对于蔬菜蚯蚓粪（371条Unigenes）,污泥（2461条Unigenes）和牛粪（965条Unigenes）蚯蚓粪中存在较多的病原菌.而且,污泥、牛粪与蔬菜蚯蚓粪中耐药基因相对丰度高达0.93×10^-3、0.32×10^-3和0.32×10^-3,主要为β-内酰胺类、氨基糖苷类、大环内酯类及四环素类耐药基因等.研究结果显示,蚯蚓粪中有益的功能菌群和有害微生物同时存在,其生物污染物的环境风险值得关注.     

玉米芯生物炭对污泥蚯蚓粪中微生物种群及ARGs的影响

较多的抗生素抗性基因（ARGs）积蓄于剩余污泥中降低了污泥蚯蚓粪的农用价值.为削减污泥蚯蚓粪中的ARGs,向污泥中分别添加1.25%和5%（质量比）的玉米芯生物炭（简称玉米芯炭）,以无添加为对照组,揭示玉米芯炭对污泥蚯蚓堆肥过程中微生物种群结构及ARGs的影响.结果表明：添加高含量玉米芯炭显著促进污泥有机质的矿化,提升蚯蚓堆肥产物的电导率和pH值（P<0.05）.同时,添加玉米芯炭能增加污泥蚯蚓粪中细菌16S rDNA和真核生物18S rDNA的丰度,且其丰度均与玉米芯炭添加量呈显著正相关性（P<0.05）.与对照组相比,高含量玉米芯炭污泥蚯蚓粪中变形菌门、拟杆菌门、放线菌门与浮霉菌门的相对丰度分别降低了11.8%、7.1%、33.3%和20%,但厚壁菌门的丰度显著增加了40%（P<0.05）.此外,添加玉米芯炭蚯蚓粪中大环内酯类抗性基因（ermF）和四环素类抗性基因（tetX）的绝对丰度较对照组分别显著降低了32%~45%和13%~31%（P<0.05）,但同时整合子基因（intI1）和磺胺类抗性基因（sul2）的丰度分别显著增加了47%~135%和9%~42%（P<0.05）.研究结果显示,添加玉米芯炭能增加污泥蚯蚓粪中微生物数量和种群多样性,加速有机质矿化,但对ARGs的削减具有选择性.     

蚯蚓摄食污泥对其肠道功能区微生物种群及耐药基因的影响

以赤子爱胜蚓(Eisenia fetida)为实验蚓种, 研究蚯蚓消化污泥前后, 其肠道各功能区微生物种群结构及耐药基因(ARGs)丰度的变化情况.为表征活体功能性微生物, 所取新鲜样品均采用叠氮溴化丙锭(PMA)预处理后, 再进行DNA相关分析.结果表明: 蚯蚓消化污泥5d后, 细菌16S rDNA和真核生物18S rDNA的丰度在其胃中分别显著增加了28.2倍和42.2倍(P<0.05), 而在砂囊和后肠中均显著性降低(P<0.05).此外, 蚯蚓消化污泥使其砂囊中的优势菌门由变形菌门变为软壁菌门, 胃中的优势菌门由拟杆菌门变为厚壁菌门, 而对后肠微生物种群结构的影响较小.对于ARGs而言, 大环内酯类耐药基因ermF、四环素类耐药基因tetX和磺胺类耐药基因sul2在蚯蚓胃中的丰度分别显著升高了1.9×10²倍、8.4×10⁵倍和25.9倍(P<0.05), 而在其砂囊和后肠中ARGs总丰度分别显著下降了11.0倍和45.2倍(P<0.05).基于网络分析结果显示, 蚯蚓摄食污泥可影响其肠道内ARGs宿主细菌的结构多样性.     

氧化还原介体强化厌氧活性污泥发酵产氢特征

为提高厌氧污泥的发酵产氢能力,采用间歇培养方式考察了氧化还原介体（ROMs）对厌氧污泥发酵葡萄糖产氢效能的影响,并通过Illumina MiSeq测序揭示了ROMs对微生物群落的影响.结果表明,在发酵液体积为100mL及葡萄糖初始浓度500mg/L条件下,对照的累计产氢量和最大产氢速率（R_max）分别为11.0mL和0.28mL/h.当腐殖酸和蒽醌-2-磺酸钠（AQS）作为ROMs加入发酵体系后,厌氧污泥的产氢能力显著提高,其累计产氢量和R_max分别比对照高出56.4%、13.6%和53.6%、10.7%.相反,氧化石墨烯（GO）、指甲花醌和蒽醌-2,6-二磺酸钠（AQDS）导致厌氧污泥的产氢能力受到不同程度的抑制.Illumina MiSeq测序揭示了发酵系统的优势菌群存在显著差异.对照系统中的优势菌群主要来自5个属（Thermomarinilinea、Longilinea、Defluviimonas、Gimesia、Planctomicrobium）,腐殖酸、AQS和指甲花醌发酵系统的主要优势菌群为Thermomarinilinea、Longilinea、Ottowia,而Thermomarinilinea、Longilinea、Ottowia、Defluviimonas为AQDS和GO发酵系统的主要菌群.冗余分析的结果表明,产氢量与Longilinea、Macellibacteroides、Trichococcus、Thioflavicoccus和Ottowia呈正相关,而与Defluviimonas、Pirellula、Gimesia和Ignavibacterium呈负相关.     

铜对蚯蚓转化牛粪过程抗生素抗性基因的影响

以赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）为试验蚓种,设定不同Cu浓度梯度,研究蚯蚓转化牛粪过程中Cu对ARGs消长的影响.结果表明,不同Cu浓度处理下,ARGs累积总丰度呈现出CF （未添加Cu）-1降低至4.33×10^-1copies/16S copies.低、中浓度Cu的添加显著提高了样品中ARGs的总丰度水平（P<0.05）.通过研究不同类型ARGs在不同时间阶段的变化,发现低、高浓度Cu处理组（T1、T3）在蚯蚓转化过程中提高了tet-ARGs、erm-ARGs和str-ARGs的丰度,而中浓度Cu处理组（T2）中tet-ARGs和str-ARGs丰度降低.冗余分析（RDA）得出pH值显著影响蚯蚓转化过程中ARGs相对丰度的变化（P<0.05）,且TOC、TN和Cu对ARGs的消长也发挥着重要作用.蚯蚓转化可加速牛粪中ARGs丰度的削减,一定程度上能够减少其环境风险,但牛粪中Cu的残留可导致蚯蚓转化过程中部分ARGs的富集,因此亟需进一步优化蚯蚓转化处理工艺.     

应用好氧生物菌剂深度处理消化污泥

为评估应用好氧生物菌剂-地衣芽孢杆菌深度处理消化污泥的可行性,比较了不同接种比（分别为2.7×10^-3,2.7×10^-2和2.7×10^-1,以总固体之比计）条件下,菌解处理过程中消化污泥液相的溶解性有机碳DOC,溶解性总氮DN,氨氮,荧光性有机物浓度和消化污泥絮体中的蛋白质,氨氮浓度,以及以模化CST值表征的脱水性能的变化,同时分析了机械破碎法和菌解法对消化污泥再次厌氧消化产气性能的影响.结果表明,需要达到较高的接种比,投加地衣芽孢杆菌才能显著促进消化污泥胞内物质溶出,大幅提高消化污泥的生物可降解性.接种比为2.7×10^-1时,菌解过程中消化污泥的液相DOC,DN,氨氮和消化污泥絮体中的氨氮含量达到最大值,分别是对照组的6.23,2.83,5.93和4.94倍;并且,消化污泥絮体的蛋白质平均降解速率最高;同时,消化污泥的产甲烷潜力优于其它接种比,是机械破碎处理后消化污泥产甲烷潜力的5.96倍.但是,在菌解处理结束后,消化污泥的模化CST值是对照组的2.69倍,说明经菌解后消化污泥的脱水性能有所劣化.     

蚯蚓对城市污泥蚯蚓堆肥过程中微生物特征变化的影响

为揭示蚯蚓对城市污泥中微生物特征的影响和作用,本研究采用赤子爱胜蚓处理城市污泥,以无蚯蚓处理为对照,探讨蚯蚓对污泥堆肥中微生物数量、活性和种群变化的影响.结果显示:蚯蚓在前期能够显著提升脱氢酶的活性和细菌16S r DNA的丰度;从而加速有机物的降解,促进后期堆肥产物的腐殖质化.高通量测序结果表明:从60 d开始,蚯蚓组和对照组的细菌种群结构出现明显差异,蚯蚓处理能够显著增加最终产物的细菌种群的Chao1和Shannon指数.最终产物中,对照组的优势菌群为变形菌门(56%)、拟杆菌门(16.3%)和厚壁菌门(15.4%);蚯蚓组的优势种群有变形菌门(31.3%)、拟杆菌门(27.1%)、放线菌门(21.1%).与对照组相比,蚯蚓粪中放线菌和根瘤菌的丰度分别提高了13.1%和2.5%,表明蚯蚓的作用提升了堆肥产物作为微生物肥料的潜力.     

餐厨垃圾干式厌氧消化污泥膨胀微生态特征

分别在推流式反应器（PFR）（R1）和完全混合式反应器（CSTR）（R2）中进行餐厨垃圾（KW）中温干式厌氧消化（AD）,并采用MiSeq高通量测序技术分析反应器污泥膨胀前后的微生态特征.结果表明,污泥膨胀后古菌群落结构变化不显著,R1和R2分别以乙酸营养型的Methanosaeta和复合营养型的Methanosarcina为优势产甲烷菌;而细菌群落中某些可能与污泥膨胀有关的菌属的相对丰度显著增大,包括能合成并分泌生物表面活性物质的菌属（如Corynebacterium、Lactobacillus等）和细胞壁含分枝菌酸的菌属（如Actinomyces、Corynebacterium）.反应器在污泥膨胀前均经历了挥发性脂肪酸（VFAs）和氨氮积累,相应的,能贡献系统酸积累（如Petrimonas、Anaerosalibacter和Fastidiosipila等）和氨氮积累（如Proteiniphilum、Tepidimicrobium和Aminobacterium等）的菌属也大量增殖.     

磁性活性炭强化SBR脱氮除磷及微生物种群分析

为了提高传统活性污泥法脱氮除磷效率,改善污泥易膨胀等问题,在序批式活性污泥反应器（SBR）中,投加140目1.00g/L的磁性活性炭构建磁性炭基活性污泥系统（1^#）,同时,以不投加任何材料（单独活性污泥系统）为对照组（0^#）,研究磁性活性炭对活性污泥系统除污性能和主要微生物种群结构组成的影响,探讨了磁性活性炭强化活性污泥系统脱氮除磷机理.结果表明：1^#对TN和TP的平均去除率分别为68.59%和78.25%;而0^#对于TN和TP的平均去除率则为53.17%与54.10%,1^#出水NO₃^--N浓度平均降低了7.03mg/L,两系统对NH₄⁺-N和COD的去除效率差别不大,均在95.00%以上.典型周期内1^#中TN、NH₄⁺-N、TP、COD的下降速率快于0^#;0^#同步硝化反硝化效率为60.31%,反硝化速率为4.44mg/（L·h）,1^#同步硝化反硝化效率为80.74%,反硝化速率为6.13mg/（L·h）,实验组1^#脱氮速率明显快于空白对照组0^#.高通量测序结果表明,1^#内污泥的优势菌门为Saccharibacteria（38.74%）、Proteobacteria（22.52%）、Actinobacteria（18.54%）和Chloroflexi（8.40%）.此外,与0^#相比,1^#引发污泥膨胀密切相关的Actinobacteria菌门的微生物相对丰度显著下降;与脱氮除磷功能相关的Micropruina、Shinella、norank_f_Anaerolineaceae和norank_f_Xanthomonadaceae 4种菌属的相对丰度都明显上升.SBR系统中加载一定量的磁性活性炭既能抑制引起污泥膨胀微生物的生长,又能利于脱氮除磷微生物的富集,整个污泥系统表现出良好的稳定性和脱氮除磷性能.     

基于活体微生物揭示蚯蚓对污泥耐药基因转归的影响

为削减污泥蚯蚓堆肥产物中耐药基因(ARGs),以无蚯蚓组为对照,采用叠氮溴化丙锭对蚯蚓堆肥样品进行预处理,探究蚯蚓对污泥中活微生物种群及其ARGs的影响.结果显示,与对照组相比,蚯蚓堆肥产物中有机物矿化度与降解量分别显著提升82.5%与5.2%(P<0.05).并且接种蚯蚓使其产物中放线菌门的丰度显著增加了65.6%(P<0.05),而厚壁菌门和拟杆菌门的丰度分别显著降低了74.7%和34.6%(P<0.05).相较于对照组,蚯蚓堆肥致使sul1、sul2、ermF和tetM基因丰度分别显著减少了66.5%、82.8%、72.8%和77.6%(P<0.05),但ermB的丰度显著增加了5.7倍(P<0.05).蚯蚓堆肥产物中intI1基因丰度比对照组显著降低了67.2%(P<0.05),蚯蚓处理后ARGs总绝对丰度为4.19×10¹³copies/g,ARGs总去除率为82.6%,比对照组高45.4%.研究表明,蚯蚓可通过改变活细菌种群结构,减少ARGs潜在活体宿主的丰度,进而降低其传播扩散的潜在风险.     

牛粪-化肥配施对水稻田氮磷迁移转化的影响

在控制外源N输入量相同的前提下,通过田间小区实验,探讨有机肥与化肥不同施用量（牛粪施用量：5,10,20t/hm²）对稻田田间土-水界面氮磷迁移转化特征的影响.结果表明：控制稻田水中NH₄⁺-N、NO₃^--N、TN和TP输出的最佳时期分别为施肥后的第5,30,7,20d,且TN和TP浓度随时间变化符合单指数衰减方程（0.7444≤R²≤0.9724;1.1×10^-6≤F≤0.0055）.采用牛粪部分代替化肥的施肥方式,在一定范围内能降低稻田退水中TN、TP输出负荷（41.8%、36.0%、64.3%;20.3%、39.1%、48.9%）,还可以降低稻田水中N/P,降低水体富营养化风险.同时,牛粪的施用可提高土壤中脲酶和磷酸酶的含量,促进氮磷向植物可吸收形态转化.综合经济成本和生态效益核算,采用10t有机肥代替无机肥的处理是相对经济环保的施肥方法,该施肥方式下,氮磷年输出负荷分别为17.70,1.26kg/hm².     

牛粪燃烧实时排放挥发性有机物特征研究

在实验室模拟青海和西藏2种牛粪在民用炉具中的燃烧过程,采用稀释通道系统与质子转移飞行时间质谱（PTR-TOF-MS）在线分析牛粪燃烧排放的挥发性有机物（VOCs）,通过电子秤实时记录燃料质量的动态变化,获得牛粪燃烧排放VOCs浓度的时间序列与实时排放因子.结果表明,70g牛粪一次燃烧过程持续1100~1500s.牛粪燃烧排放VOCs浓度的时间变化趋势总体上呈单峰分布;西藏牛粪在燃烧450s左右VOCs浓度达到峰值7.92×10^-6;青海牛粪在燃烧400s左右VOCs浓度达到峰值6.01×10^-6.牛粪燃烧VOCs实时排放因子变化范围为40.74~156.88mg/g,趋势不同于VOCs浓度变化,随燃烧过程进行排放因子呈上升趋势.牛粪燃烧至3~4min左右,VOCs排放因子最低.甲醇、甲醛和乙醛3种VOCs排放因子占比最大,其中西藏牛粪燃烧3种VOCs排放占比分别为24.0%±1.9%、11.9%±1.8%和27.4%±1.4%,青海牛粪为22.0%±1.1%、13.3%±2.9%和17.7%±4.6%.本研究首次给出了牛粪燃烧VOCs实时排放因子,可为高时间分辨率排放清单建立和青藏高原地区室内空气污染的健康效应研究提供基础数据.     

兰州市叶面尘磁性与黑碳特征对大气污染的响应

通过采集兰州市不同功能区小叶黄杨和刺柏叶片样品,对叶片表面滞尘量、叶表颗粒物磁性特征和黑碳（EC）浓度进行系统分析,探究其对周围大气污染的响应.结果显示,小叶黄杨和刺柏叶表颗粒物磁性特征以低矫顽力的亚铁磁性矿物为主导,磁晶体粒径以假单畴（PSD）颗粒为主.交通区小叶黄杨和刺柏饱和等温剩磁（SIRM）（489.40×10^-6A,290.73×10^-5A·m²/kg）显著高于公园（99.56×10^-6A,74.00×10^-5A·m²/kg）和生活区（61.91×10^-6A,209.79×10^-5A·m²/kg）,表明SIRM明显受到周围环境中污染物浓度的影响.小叶黄杨和刺柏叶表颗粒物亚铁磁性矿物浓度与黑碳浓度的高值分布区域在空间上具有一致性,并且二者高度相关（r=0.94,0.94;P<0.0001）,表明二者来源具有一致性.同时,不同采样高度不同树种叶片磁性对叶表颗粒物中黑碳浓度均有稳定的指示性,进一步表明叶表颗粒物SIRM可以作为指示叶表颗粒物黑碳污染的重要磁学参数.以城市绿化植物叶片为载体的环境磁学研究可实现颗粒物污染高空间分辨率的环境友好型监测.     

PM10中重金属的健康风险评估及修正方法比较

通过对华南某电子垃圾拆解区PM₁₀中重金属含量特征分析,计算该地区的人群暴露量,评估人群健康风险,并引入靶器官毒性剂量法（TTD）和证据权重法（WOE）对常规评估方法的非致癌健康风险进行修正,比较探讨3种方法对非致癌健康风险评估结果的影响.结果表明：研究区域夏,冬季节的非致癌和致癌健康风险均为：儿童>成年女性>成年男性,重金属Ni对人群可能存在致癌风险（ILCR在10^-6~10^-4之间）.其中,Cr,Pb,Cd和As 4种重金属（类金属）对成年男性的非致癌健康风险值为3.05×10^-2,经TTD法和WOE法修正后为5.41×10^-2和5.4×10^-1,表明当综合考虑重金属作用的靶器官及重金属间的相互作用时,PM₁₀中重金属的非致癌健康风险值高于常规方法.     

厌氧和好氧处理过程中四环素抗药基因的丰度

为了了解抗生素生产废水不同处理过程(厌氧生物处理和好氧生物处理)中抗药基因的行为,本文以两种四环素(土霉素、金霉素)生产废水处理系统为调查对象,采用PCR和实时定量PCR(qPCR)方法考察厌氧和好氧处理过程中常见的6种四环素抗药基因(tet(A), tet(C), tet(G), tet(Q), tet(W), tet(X))及2种转移因子(I型整合子intI1, 异常插入序列ISCR3)的丰度特征.结果表明,tet(C)在所有样品中均未检出,其它基因在所有样品中检出.四环素生产废水处理系统中,厌氧污泥中tet(A)、tet(G)、tet(X)的相对丰度(与16S rRNA基因的比值)范围为(1.25±0.16)×10^-4~(4.52±0.002)×10^-2,显著低于好氧污泥[(9.88±0.67)×10^-5~(2.70±0.29)×10^-1],而tet(Q)、tet(W)在厌氧污泥中的相对丰度为(1.66±0.03)×10^-2~(7.48±1.22)×10^-2,比好氧污泥中[(1.94±0.12)×10^-3~(2.85±0.16)×10^-2]高1个数量级;转移因子intI1和ISCR3在厌氧污泥中相对丰度范围为(1.48±0.01)×10^-3~(2.61±0.31)×10^-2,显著低于好氧污泥[(1.18±0.15)×10^-1~(8.99±0.75)×10^-1],表明厌氧处理过程中由这两种转移因子介导的水平转移潜力较小.研究表明,好氧处理促进了tet(A)、tet(G)、tet(X)的传播,但对tet(Q)和tet(W)有控制效果,而厌氧处理过程与之相反.抗药基因的分布与水平转移因子、抗药机制、群落结构有关.