南海水域不同深度非光合微生物的固碳潜能及其对不同电子供体的响应

通过对南海水域多个区域不同深度的海水分别以H2、Na2S2O3、Na NO2为电子供体经过一定时间的驯化培养后,测定其中非光合微生物的固碳潜力,并统计南海水域不同深度非光合微生物在不同电子供体条件下固碳潜力的差异性,最后结合不同深度海水的主要固碳基因丰度差异,分析南海水域不同深度海洋非光合微生物在不同电子供体条件下固碳潜能差异的原因.结果发现以Na NO2为电子供体时,海洋非光合微生物固碳能力普遍较低,各深度之间没有显著差异;以H2为电子供体时,表层海水中的非光合微生物的固碳潜力显著高于深层海水中的;而以Na2S2O3为电子供体时,深层海水中的非光合微生物的固碳潜力显著高于表层海水中的.基因分析结果表明,固碳基因cbb L在表层海水中的丰度高于深层海水,而cbb M基因在深层海水中的丰度高于表层海水.硫细菌大多以拥有cbb M基因为主,而氢细菌大多以拥有cbb L基因为主.因此不同海洋深度非光合微生物对不同电子供体响应的差异性可能和优势菌群结构的差异有关.海洋表层和深层溶解氧、无机碳含量的差异是导致菌群结构差异,乃至固碳潜力差异的重要原因.     

非光合CO2同化微生物菌群的选育/优化及其群落结构分析

通过从海水及其沉积物中分离、筛选,并结合电子供体和无机碳源结构的优化以期获得不用光照与供氢的高效固碳微生物菌群;通过16S rDNA序列分析、比对等手段研究非光合固碳微生物菌群的结构,以期为优化群落配置,进一步提升固碳效率提供理论依据.结果显示,通过分离和长期驯化可从海洋中得到在普通好氧、厌氧条件下具有固碳能力的非光合微生物菌群.添加硫代硫酸钠、硫化钠和氢气作为电子供体可有效提升菌群的固碳效率,在以硫代硫酸钠为电子供体的好氧、厌氧条件下,该菌群的CO2同化效率分别可达10.44 mg/L和12.56 mg/L.该固碳菌群对混合无机碳源的同化效率显著高于单一碳源,在以CO2、碳酸氢钠及碳酸钠为混合碳源情况下,菌群好氧、厌氧固碳效率(以CO2计)分别可达110 mg.(L.d)-1,和72mg.(L.d)-1,接近氢氧化细菌的水平.微生物群落结构分析结果表明,添加不同电子供体后,固碳微生物菌群的优势种发生了显著变化,在发现的16个优势菌种中,11个是不可培养微生物,即其只能以共生方式存在.菌群混合培养时的固碳效率可能是多种菌共同作用的结果,因此优化固碳微生物菌群的结构和配比将有利于其固碳效率的进一步提升.     

一种能同时固定CO2和N2的微生物——兼性固CO2、N2菌的分离鉴定及其验证实验

"温室效应"日趋严重,生物固碳特别是微生物固碳将发挥独特的作用.固定N2的微生物固氮菌和固定CO2的微生物固碳菌早已被研究和发现,但能同时固定大气中的CO2、N2并以CO2、N2分别为碳、氮源的微生物至今未见报道,本研究称之为兼性固CO2、N2菌.研究通过固碳菌、固氮菌培养基的优化组合出无碳、氮培养基(分别以空中的CO2、N2为碳源和氮源);通过无氮碳源的兼性固碳氮菌培养基进行分离,筛选分离到一株分别以CO2和N2为碳源和氮源.通过对该菌株的生长特性和固碳酶活性及固氮酶活性进行测定;利用PCR和琼脂糖凝胶电泳技术检测到该菌含有固碳酶RubisCO中cbbL基因及固氮酶nifH基因片段的特异性条带;对该菌进行对照验证实验证明该菌能同时固定空气中的CO2和N2并分别以CO2和N2为碳源和氮源;最后对其形态观察和16SrRNA全序列分析证明该菌株HSJ隶属于链霉菌.     

几种不同方法估算农田表层土壤固碳潜力:以甘肃庄浪县为例

通过采样分析,结合80年代全国第二次土壤普查以及2006年耕地质量评价土壤有机碳数据,采用几种不同的估算方法对庄浪县农田表层(0~20cm)土壤固碳潜力进行了估算.结果表明:1最大值法和分类定级法(高)对同一地区农田土壤理想固碳潜力估算结果差异不大.最大值法估算庄浪县农田表层土壤理想固碳潜力为1.13 Mt,而分类定级法(高)估算的理想固碳潜力为1.09 Mt.2分类定级法(中)、饱和值法、加权法这3种固碳潜力估算方法求得庄浪县农田土壤现实固碳潜力分别为0.37、0.32、0.28 Mt,约为理想固碳潜力水平的1/3.3采用分类定级法(中)、饱和值法和加权法估算现实固碳潜力,有机碳密度增量依次为6.76、5.21、4.56 t·hm~(-2).按照庄浪县近30年农田表层(0~20 cm)土壤的固碳速率,达到现实固碳潜力水平大约需要24~34 a.4在县域尺度上估算现实固碳潜力,加权法优于饱和值法,饱和值法优于分类定级法(中);估算理想固碳潜力,分类定级法(高)优于最大值法.     

生态系统固碳特征及其研究进展

生态系统固碳是人类应对气候变化以及全球系统变化过程的研究热点。论文结合生态系统固碳和碳汇概念,探讨生态系统自然固碳、人为工程固碳措施对生态系统功能的影响并分析生态系统固碳特征及风险。研究得出如下结论:陆地生态系统对CO₂的自然吸收与封存是相对安全有效的固碳措施,对人类与生态系统健康的影响要小于地质层与海洋层固碳。海洋生态系统固碳容易导致海水酸化以及生态系统不可逆的损害;由于地壳运动很难预测,所以地质层固碳可能面临不可预知的风险。因此,利用生态系统自然固碳能力、发展绿色固碳技术是降低人为工程固碳生态风险和减少CO₂排放到大气中的最佳选择。     

碳中和植物降污固碳及其机制研究进展

在经济发展和生态承载的双重制约下,我国实现碳中和碳达峰需要探索更多的技术手段.植物是构建陆地和海洋碳汇体系的重要载体,同时植物修复技术也是治理环境污染的一种科学手段.然而,目前的研究大多集中在植物降污（包括降低环境介质中的污染物浓度和降解污染物两个方面）或植物固碳单一方面,而没有考虑植物降污固碳的双重效益.为挖掘植物的碳中和效应,从碳中和植物入手,深入阐述碳中和植物的降污固碳效应及其进展,评估碳中和植物与其他生物（比如动物、土壤微生物）以及环境功能材料的降污固碳潜力,并对碳中和植物与动物、微生物以及环境功能材料与生态系统协同耦合降污固碳效应的机制进行探究.最后,对碳中和植物降污固碳效应的未来研究方向提出了建设性的展望.     

碳添加对土壤固碳细菌群落结构及多样性的影响——以松嫩平原盐碱耕地为例

采用高通量测序技术,研究秸秆、生物炭和纳米碳3种碳源添加对盐碱耕地土壤固碳细菌群落结构及多样性的影响,并分析土壤化学性质与固碳细菌群落多样性的关系.结果表明：3种碳源添加均降低土壤固碳细菌群落多样性,其中生物炭和纳米碳添加的土壤固碳细菌的Chao1指数、物种多样性、Shannon指数及系统多样性值均高于秸秆添加的.3种碳源添加均降低土壤固碳细菌群落的物种丰度,其中纳米碳添加的物种丰度大于秸秆和生物炭添加的.在群落组成方面及相对丰度上,3种碳源添加后的优势菌门为变形菌门（Proteobacteria）,优势菌纲为γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）,均在纳米碳添加后相对丰度最高,分别为90.38%、57.79%.群落组间差异分析结果显示,秸秆和纳米碳添加后土壤固碳细菌群落结构差异显著.冗余分析结果表明,土壤固碳细菌群落结构受土壤pH值、有机碳、全氮、全磷、碱解氮及有效磷的综合影响,其中土壤pH值和有效磷含量是影响土壤固碳细菌群落结构的主要化学性质.综合来看,在盐碱耕地中添加秸秆、生物炭或纳米碳,都抑制了土壤固碳细菌群落的多样性和物种丰度,但纳米碳能够增加土壤固碳细菌群落结构差异.     

碳添加对土壤固碳细菌群落结构及多样性的影响——以松嫩平原盐碱耕地为例

采用高通量测序技术,研究秸秆、生物炭和纳米碳3种碳源添加对盐碱耕地土壤固碳细菌群落结构及多样性的影响,并分析土壤化学性质与固碳细菌群落多样性的关系.结果表明：3种碳源添加均降低土壤固碳细菌群落多样性,其中生物炭和纳米碳添加的土壤固碳细菌的Chao1指数、物种多样性、Shannon指数及系统多样性值均高于秸秆添加的.3种碳源添加均降低土壤固碳细菌群落的物种丰度,其中纳米碳添加的物种丰度大于秸秆和生物炭添加的.在群落组成方面及相对丰度上,3种碳源添加后的优势菌门为变形菌门（Proteobacteria）,优势菌纲为γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）,均在纳米碳添加后相对丰度最高,分别为90.38%、57.79%.群落组间差异分析结果显示,秸秆和纳米碳添加后土壤固碳细菌群落结构差异显著.冗余分析结果表明,土壤固碳细菌群落结构受土壤pH值、有机碳、全氮、全磷、碱解氮及有效磷的综合影响,其中土壤pH值和有效磷含量是影响土壤固碳细菌群落结构的主要化学性质.综合来看,在盐碱耕地中添加秸秆、生物炭或纳米碳,都抑制了土壤固碳细菌群落的多样性和物种丰度,但纳米碳能够增加土壤固碳细菌群落结构差异.     

湖南省稻田表层土壤固碳潜力模拟研究

稻田土壤有机碳的储存对于缓解大气温室效应具有不可忽视的作用。我国作为水稻产量最大的国家,迫切需要掌握稻田生态系统固碳现状及相应固碳措施。文章利用自主建立的土壤有机碳模型对湖南省稻田生态系统不同有机物投入方式下土壤有机碳的变化进行了模拟研究。结果表明,常规施肥(现状)方式下稻田表层土壤有机碳的饱和固碳量为39.75～64.90th/m₂,半数模拟点已基本饱和,其余点仍具有3.38～4.19th/m₂的固碳潜力;50%秸秆还田效果低于常规施肥方式,而50%秸秆+绿肥效果高于常规方式(平均高10.94th/m₂);全量秸秆还田(冬闲)情况下稻田表层土壤饱和固碳量在55.57～94.25th/m₂之间,与稻田现有碳储量比较有4.15～33.46th/m₂的潜在提高幅度。如果全量秸秆还田结合冬季种植绿肥,土壤饱和固碳量则可以在稻田土壤现有碳储量的基础上平均提高65.77%。模拟结果还表明,湖南稻田土壤中,每年投入1th/m₂的新鲜有机碳可最终形成土壤有机碳饱和固碳量约12th/m₂。研究表明,稻田土壤的饱和固碳量可以通过人为措施进行调控,增加有机物质的投入量(秸秆还田)和冬季绿肥种植是提高稻田土壤固碳能力的有效途径。     

不同电子供体的硫自养反硝化脱氮实验研究

采用硫自养反硝化处理模拟低浓度硝酸盐污染水.分别以单质硫、Na2S和Na2S2O3作为电子供体在3个反应器中连续运行进行脱氮实验,以考察不同电子供体条件下的脱氮效果.结果表明,在进水NO3--N浓度为13 mg.L-1的条件下,以Na2S2O3为电子供体脱氮效果最好,Na2S系统最差;Na2S2O3系统对低温的适应能力最强.20℃以上时,单质硫系统脱氮效率受传质效率和HRT的影响较大,HRT≥2 h时,系统对NO3--N和TN的平均去除率较高,分别为81%和79%,而HRT<2 h时,NO3--N和TN去除率分别降为47%和51%,出水NO2--N无明显积累,平均为0.53 mg.L-1;Na2S系统HRT保持在4 h时,NO3--N和TN的平均去除率分别为47%和41%,出水NO2--N平均质量浓度为0.29 mg.L-1;而Na2S2O3系统的NO3--N和TN平均去除率分别为99%和90%,出水NO2--N平均质量浓度为0.080 mg.L-1,且最短HRT可缩短至0.5 h.分子生物学分析表明,3个系统中存在不同的优势硫自养反硝化菌,单质硫系统中存在脱氮硫杆菌,而Na2S和Na2S2O3系统中得到的反硝化菌基因片段在基因库中尚未找到相似性高的菌种,可能是尚未登记的硫自养反硝化菌新菌种.     

Universally improving effect of mixed electron donors on the CO2 fixing efficiency of nonphotosynthetic microbial communities from marine environments

The universality of improved CO2 fixing upon the addition of mixed electron donors（MEDs）composed of Na2 S,NO2-,and S2O32-to non-photosynthetic microbial communities（NPMCs）obtained from 12 locations in four oceans of the world was validated. The CO2 fixing efficiencies of NPMCs were universally enhanced by MED compared with those obtained using H2 alone as electron donor,with average increase of about 276%. An increase in microbial inoculation concentration could increase the net amount of CO2 fixing to853.34 mg/L in the presence of MED. NO2-and S2O32-may play the roles of both electron acceptor and electron donor under aerobic conditions,which may improve the energy utilization efficiency of NPMC and enhance the CO2 fixation efficiency. The sequence determination of 16 S ribosomal deoxyribonucleic acid（rDNA） from 150 bacteria of NPMC showed that more than 50% of the bacteria were symbiotic and there were many heterotrophic bacteria such as Vibrio natriegens. These results indicate that NPMC acts as a symbiotic CO2 fixing system. The interaction between autotrophic and heterotrophic bacteria may be a crucial factor supporting ladder utilization and recycling of energy/carbon source.     

硫代硫酸钠对排硫硫杆菌固碳能力的影响及其作用机制

通过测定不同浓度Na_2S_2O_3·5H_2O培养时排硫硫杆菌(DSM 505)菌液的总有机碳浓度(TOC),分析Na_2S_2O_3·5H_2O对排硫硫杆菌固碳能力的影响,并结合各浓度Na_2S_2O_3·5H_2O条件下固碳关键酶Rubis CO编码基因cbb的转录特性和胞外游离有机碳浓度(EFOC),阐明Na_2S_2O_3·5H_2O影响排硫硫杆菌固碳能力的作用机制.结果表明,适当范围内增加Na_2S_2O_3·5H_2O的浓度能显著提高排硫硫杆菌的固碳能力,降低胞外游离有机碳在总有机碳中所占的比例.cbb基因转录特性分析结果表明,Na_2S_2O_3·5H_2O浓度对cbb基因的转录效率和表达模式均无显著影响.因此推测Na_2S_2O_3·5H_2O影响排硫硫杆菌固碳能力的作用机制可能是作为电子供体提供能量,促进细胞骨架合成,从而削弱胞外游离有机碳对排硫硫杆菌自养过程的抑制作用,进而增强固碳能力.     

土壤硝化和反硝化微生物群落及活性对大气CO2浓度和温度升高的响应

硝化和反硝化微生物参与土壤氮循环转化过程,大气CO_2浓度和温度升高可能会影响它们的群落结构和活性.本试验依托稻-麦轮作农田系统气候变化平台研究大气CO_2浓度单独升高(CE)、升温(WA)以及两者同时升高(CW)对麦田土壤硝化和反硝化微生物基因丰度、群落结构和活性的影响.结果表明,在小麦分蘖期,大气CO_2浓度和温度升高对氨氧化细菌(AOB)和反硝化细菌丰度没有影响,而在抽穗和成熟期,CO_2浓度单独升高显著提高了氨氧化古菌(AOA)和反硝化细菌丰度,升温处理对其没有显著影响.通过对T-RFLP数据分析发现,大气CO_2浓度和温度升高对土壤AOA、AOB和反硝化细菌群落结构没有显著影响,但是在一定程度上改变了AOA和反硝化细菌多样性.另外,CO_2浓度单独升高处理显著提高了成熟期的土壤硝化速率,不同气候变化处理对反硝化速率没有显著影响.研究表明大气CO_2浓度和温度升高对不同生育期的微生物群落影响存在差异,而且功能微生物对不同气候变化因子处理的响应也各不相同.     

土壤质地对自养固碳微生物及其同化碳的影响

自养微生物可同化大气中的CO2并将其转化为土壤有机碳,对提高农田土壤的碳吸收和碳储存有重要意义,然而土壤质地对自养固碳微生物功能种群及其同化碳的影响机制还不清楚.本研究选取亚热带地区同一母质发育而成的两种质地水稻土壤(壤质黏土和砂质黏壤土),通过14C-CO2连续标记技术结合室内模拟培养实验,探讨土壤质地对自养微生物同化碳(14C-SOC)、自养微生物截留碳(14C-MBC)和自养微生物可溶性碳(14C-DOC)的影响.以固碳功能基因(cbb L基因)作为指示基因,结合PCR和克隆测序技术,分析不同质地土壤自养固碳微生物群落结构和多样性的差异.结果表明,壤质黏土14C-SOC、14C-MBC和14C-DOC平均含量分别为133.81、40.16和8.10 mg·kg-1,均显著高于砂质黏壤土14C-SOC(104.95 mg·kg-1)、14C-MBC(33.26 mg·kg-1)和14C-DOC(4.18 mg·kg-1)平均含量(P0.05),说明土壤质地显著影响了土壤自养微生物碳同化量以及自养微生物同化碳在土壤中的转化.稀疏曲线、细菌cbb L基因文库覆盖度以及多样性指数分析结果显示壤质黏土固碳细菌群落多样性高于砂质黏壤土.系统发育分析表明,壤质黏土细菌cbb L基因序列与Rhodoblastus acidophilus、Blastochloris viridis、Thauera humireducens、Mehylibium sp.、Variovorax sp.等具有一定的同源性,而砂质黏壤土cbb L基因序列主要与根瘤菌和放线菌同源.可见,土壤质地对自养固碳微生物群落结构和多样性产生了深刻的影响,壤质黏土中较高的黏粒含量、土壤养分含量和阳离子交换量可能有利于维持更高的自养固碳微生物多样性和活性,从而导致不同质地土壤自养微生物碳同化量及其转化存在显著差异.     

增施CO2对C3和C4植物根际氯氰菊酯残留浓度的影响

CO2减排和土壤污染修复是我国实现经济和环境可持续发展必须解决的两大难题.基于生物固碳对根际微环境的影响,本研究提出通过增施CO2强化土壤有机污染的植物修复过程,为同时解决CO2减排和土壤污染植物修复面临的困境提供新思路.在模拟的CO2增施环境中,以C3植物菜豆和C4植物玉米为供试植物,以氯氰菊酯为目标污染物,研究增施CO2对C3和C4植物根际氯氰菊酯残留浓度的影响.结果表明,增施CO2可显著增加C3植物菜豆的地上和地下干重,在氯氰菊酯添加浓度为0、20、40 mg.kg-1时地下干重分别比自然CO2水平时增加了54.3%、31.9%和30.0%.增施CO2提高了未添加氯氰菊酯土壤的菜豆根际微生物数量,但降低了添加氯氰菊酯土壤的菜豆根际微生物数量.增施CO2对未添加氯氰菊酯土壤的菜豆根际氯氰菊酯残留浓度没有显著影响,但降低了菜豆根际氯氰菊酯的残留浓度,分别比自然CO2水平时下降24.0%（20mg.kg-1）和16.9%（40 mg.kg-1）.然而,对C4植物玉米而言,增施CO2对植物生物量、根际微生物、根际氯氰菊酯残留浓度下降没有明显促进作用,甚至有抑制作用.本实验表明,增施CO2降低了C3植物根际氯氰菊酯残留浓度,可以考虑将增施CO2作为C3植物修复土壤污染的强化措施,但对C4植物的影响还有待进一步研究.     

Selection of microalgae for high CO2 fixation efficiency and lipid accumulation from ten Chlorella strains using municipal wastewater

As significant differences in cellular physiology, metabolic potential and genetics occur among strains with morphological similarity, the screening of appropriate microalgae species for effective CO₂ fixation and biodiesel production is extremely critical. In this study, ten strains of Chlorella were cultivated in municipal wastewater influent (MWI) and their tolerance for MWI, CO₂ fixation efficiency and lipid productivity were assessed. The results showed that the biomass concentrations of four strains (Chlorella vulgaris, Chlorella 64.01, Chlorella regularis var. minima and Chlorella sp.) were significantly higher than other strains. When the cultivation systems were aerated with 10% CO₂, Chlorella sp. showed the highest CO₂ fixation efficiency (35.51%), while the highest lipid accumulation (58.48%) was observed with C. vulgaris. Scanning electron microscopy images revealed that the cells of both Chlorella sp. and C. vulgaris kept their normal morphologies after 15 day batch culture. These findings indicated that Chlorella sp. and C. vulgaris have fairly good tolerance for MWI, and moreover, Chlorella sp. was appropriate for CO₂ fixation while C. vulgaris represented the highest potential for producing biodiesel.     

TiO2/Ti光电极电助光催化降解甲草胺的研究

采用阳极氧化法制备了TiO₂/Ti光电极,并通过电助光催化的方法研究了恒电流法和恒电压法对甲草胺的降解效率.实验证实了在光催化和电催化之间存在协同效应,反应溶液中加入Na₂SO₄电解质后,SO₄^2-可以被价带空穴氧化成强氧化性的S₂O₈^2-,继而可以氧化处理物质,提高甲草胺的降解效率.实验结果表明：甲草胺在羟基自由基的作用下通过羟基化作用和脱烷作用,发生断键、开环等一系列的氧化还原反应,最终生成CO₂和H₂O等无机小分子物质.     

水环境中化能自养微生物种群及固碳功能研究

化能自养微生物可通过还原性物质的氧化获取化学能以固定无机碳,在缺乏光照的海洋深处、水体沉积物等植物无法生存的环境中固碳,对吸收大气、海洋、湿地中的CO₂具有重要作用。本文基于化能自养微生物的研究现状,概述了其主要固碳途径及参与化能自养固碳的主要微生物类群,着重阐述了化能自养微生物在不同水环境中的固碳功能。同时,本文对水环境中化能自养微生物研究的趋势进行了展望,固碳量的精确计算与化能自养固定的有机碳的存在形式与去向应得到更多研究与探讨,以期增进对碳循环的相关认识。