盐度条件下ANAMMOX-EGSB反应器颗粒污泥微生物群落

采用高通量测序技术探究了0、15和30 g·L^-1盐度条件下稳定运行ANAMMOX-EGSB反应器中颗粒污泥的微生物群落变化.结果发现,进水盐度提升至15 g·L^-1及30 g·L^-1后,反应器脱氮性能呈现小幅下降,随运行时间延长脱氮性能均可恢复.反应器性能稳定后,3种盐度条件下厌氧氨氧化菌的丰度依次为10.33%、20.90%和35.87%,其中Candidatus Kuenenia属为优势属.浮霉状菌门、变形菌门、绿弯菌门丰度占总体比例较高且累计丰度超过了80%,为反应器的优势菌门.盐度条件下,浮霉状菌门丰度增加,变形菌门丰度降低,绿弯菌门丰度相对稳定.电镜扫描显示盐度条件下颗粒污泥表面有大量丝状菌和胞外聚合物.盐度条件下反硝化菌丰度提高,增强了反硝化协同脱氮,绿弯菌门和拟杆菌门微生物丰度的提高有利于维持颗粒污泥结构稳定,好氧微生物及反硝化菌的存在也有利于维持反应器内部厌氧水平.这些结果表明,厌氧氨氧化菌经驯化可适应盐度,盐度条件下伴生菌对厌氧氨氧化菌功能的发挥提供了支撑.     

厌氧氨氧化耦合反硝化工艺的启动及微生物群落变化特征

为了解厌氧氨氧化耦合反硝化启动过程中脱氮除碳性能与微生物群落的关系,通过逐步提高进水COD浓度研究了SAD启动过程中脱氮除碳性能和微生物群落变化.结果表明,随着进水COD浓度增加,出水NH_4~+-N和NO_2--N的浓度保持稳定,平均去除率均在98%以上; TN去除率逐渐升高,第3阶段TN平均去除率为95. 6%,比厌氧氨氧化理论TN去除率高6. 8%;ΔNO_3~--N/ΔNH_4~+-N明显下降,从0. 15～0. 17逐步降至0. 03～0. 07;厌氧氨氧化脱氮贡献率逐渐下降,反硝化脱氮贡献率逐渐上升,COD去除率逐步增加.污泥活性分析表明SAD启动后污泥反硝化活性明显增加,厌氧氨氧化活性略微降低.高通量测序结果表明,反应器内微生物的优势菌门为绿弯菌门、浮霉菌门、厚壁菌门、装甲菌门和变形菌门,微生物群落特征与SAD脱氮除碳性能密切相关,与脱氮除碳有关的功能微生物主要有厌氧氨氧化菌、厌氧消化菌和反硝化菌,SAD启动后反应器内厌氧氨氧化菌丰度减少,厌氧消化菌和反硝化菌丰度明显增加.     

厌氧氨氧化微生物在有机碳源条件下的代谢特性

通过多系列血清瓶实验并结合吉布斯自由能量分析探讨了厌氧氨氧化微生物在有机碳源条件下的代谢特性.实验结果表明：在葡萄糖作为有机碳源的条件下,低浓度的葡萄糖 (0.5 mmol·L-1) 能够促进厌氧氨氧化反应的速率,高浓度的葡萄糖 (≥1 mmol·L-1) 抑制了厌氧氨氧化活性;厌氧氨氧化微生物不仅具有厌氧氨氧化的代谢特性,还具有反硝化和硫酸盐还原的代谢能力.吉布斯自由能量分析表明： 在低浓度葡萄糖条件下,尽管最初厌氧氨氧化途径具有优势,但随后与反硝化途径展开竞争并处于劣势;在高浓度葡萄糖条件下,与厌氧氨氧化途径相比,反硝化途径完全占据优势;硫酸盐还原途径与厌氧氨氧化和反硝化途径相比不具有能量优势,只能发生在这两个途径之后.     

异养硝化、厌氧氨氧化及古菌氨氧化与新的氮循环

自然界中氮循环与微生物的作用密不可分.在过去的几年里,随着异养硝化、厌氧氨氧化和古菌氨氧化过程的发现,人们对氮循环的认识发生了明显的变化.就异养硝化菌、厌氧氨氧化菌和氨氧化古菌的发现、生化机理及分子生物学等方面进行综述,旨在为今后人们重新认识和构建新的氮循环提供有用信息,并对这些新型微生物今后在污水生物脱氨处理中的应用提出了一些展望和设想.指出今后在污水生物处理系统中,可通过富集异养硝化菌强化同步硝化反硝化、富集厌氧氨氧化菌实现单级自养脱氟、富集氨氧化古菌提高低溶解氧下的脱氮效率.     

低碳氮比猪场废水短程硝化反硝化-厌氧氨氧化脱氮

针对低碳氮比猪场废水传统脱氮法碳源不足的问题,采用SBBR反应器进行短程硝化反硝化-厌氧氨氧化联合脱氮.实验表明,短程硝化反硝化预处理可为厌氧氨氧化创造良好的进水条件;经预处理的猪场废水厌氧氨氧化脱氮效果显著,氨氮、亚硝态氮和总氮的平均去除率分别为91.8%、 99.3%、 84.1%,废水中残留有机物未对厌氧氨氧化效果产生明显影响,氨氮、亚硝态氮、硝态氮平均变化量之比为 1∶1.21∶0.24.色质联用分析结果显示,猪场废水中有机物成分在厌氧氨氧化反应前后未发生明显变化,主要化合物为酯类和烷烃类物质;特殊功能菌种检测结果表明,实验条件下的微生物系统是一个厌氧氨氧化菌与硝化菌、亚硝化菌和反硝化菌共存的系统,厌氧氨氧化菌是该系统主要脱氮功能菌.     

几种生物脱氮新工艺的比较

目前已经发现了2种微生物脱氮新途径:一是根据好氧氨氧化菌具有反硝化能力,从而在一定条件下反硝化脱氮;二是在功能微生物的作用下,亚硝酸盐与氨离子一起厌氧氨氧化,并且发现了厌氧氨氧化菌与好氧氨氧化菌或甲烷菌能协同耦合在一种有利的微生态环境中.基于以上新途径提出了几种生物脱氮新工艺,包括了:SHARON、ANAMMOX、SHARON-ANAMMOX、CANON、OLAND、NOX工艺、需氧反氨化工艺(Aerobic deammonification)、甲烷化与厌氧氨氧化耦合工艺.     

CRI系统厌氧氨氧化协同反硝化脱氮的启动及性能

为进一步提高脱氮效率,该文采用人工快渗(CRJ)系统作为厌氧氨氧化反应器,考察了有机物添加对氮素污染物转化及菌群结构的影响,探讨了厌氧氨氧化协同反硝化脱氮的可行性.结果 表明,通过逐步提高进水COD浓度至20 mg/L,可在49d内实现CRI系统厌氧氨氧化协同反硝化的快速启动,稳定运行期间TN平均去除率达到98.1％,相比未添加有机物时启动周期缩短了11d,TN平均去除率提高了7.3％.当进水COD浓度提高至25 mg/L时,厌氧氨氧化对脱氮的贡献率降低了27.2％,主要厌氧氨氧化功能菌属Candidatus Kuenenia的相对丰度降至12.42％,而反硝化功能菌属Flavobacterium的相对丰度升至11.16％,反硝化菌与厌氧氨氧化菌竞争反应基质而导致厌氧氨氧化活性被削弱,TN平均去除率下降了13.5％.因此,将进水有机物浓度控制在适宜范围时可有效改善厌氧氨氧化的脱氮性能.     

中试SAD-ASBR系统处理含盐废水的启动与工艺特性

采用ASBR(530 L)接种A~2/O厌氧污泥,考察了厌氧氨氧化(ANAMMOX)的启动及其与反硝化耦合处理含盐废水的脱氮特性,并对菌群结构进行了分析.结果表明,温度35℃±1℃、反应时间为14 h,160 d可实现ANAMMOX的成功启动.稳定运行阶段,ANAMMOX与反硝化耦合(SAD)使得总氮(TN)去除率和去除负荷分别达91.1%和0.45 kg·(m~3·d)~(-1);污泥呈浅红色颗粒状,厌氧氨氧化菌为优势菌,且主要菌属为Candidatus Brocadia(10.6%).此外,采用按梯度逐步提高盐度的驯化方式,可实现SAD对高盐(Cl-浓度8 000 mg·L-1)模拟火电厂废水的高效脱氮除碳,COD和TN去除率分别达93.2%和90.0%.推测SAD中反硝化主要为NO_3~--N→N_2,部分反硝化(NO_3~--N→NO_2~--N)仅占30.3%.     

厌氧氨氧化菌与其他细菌之间的协同竞争关系

随着污水脱氮行业的蓬勃发展,各种新工艺、新理论层出不穷.厌氧氨氧化(Anammox)工艺以其独特的优点脱颖而出,成为最具应用前景的新工艺.厌氧氨氧化菌作为该过程的执行者目前已发现5属17种,本文主要对5属17种的厌氧氨氧化菌进行总结,并对厌氧氨氧化菌种内关系中的群体感应系统进行详细介绍,此外还介绍了厌氧氨氧化菌与硝化菌、反硝化菌以及厌氧甲烷氧化菌之间的协同与竞争关系.最后给出常见竞争因素对厌氧氨氧化种群结构的影响,通过控制竞争因素来实现对厌氧氨氧化种群结构的调节.本文将厌氧氨氧化菌微生物生态学与厌氧氨氧化污水处理工艺相结合,为厌氧氨氧化工艺在污水生物处理中的应用提供理论依据.     

低氨氮污水SNAD工艺启动-运行效能与微生物生态学特性

采用升流式微氧污泥床膜生物反应器(UMSB-MBR)处理低氨氮、低C/N比污水,考察了同步亚硝化-厌氧氨氧化耦合异养反硝化(SNAD)工艺启动过程中的运行效能与微生物生态学特性,结果表明:经过厌氧氨氧化(Anammox)、短程硝化-厌氧氨氧化(PN/A)及SNAD工艺启动3个阶段,各阶段末总氮去除率(NRE)分别可达(80.85±0.81)%,(84.62±0.10)%及(90.01±0.23)%,SNAD工艺启动成功时,COD去除效率(CRE)为(85.04±0.18)%;宏基因组测序结果表明,氨氧化菌(Aer AOB)优势菌属Nitrosomonas在PN/A阶段得到富集,且氨氧化功能基因(hao、amo)相对丰度上升;厌氧氨氧化菌(An AOB)优势菌属由Anammox阶段的Candidatus＿Kuenenia转化为SNAD阶段的Candidatus＿Brocadia,厌氧氨氧化功能基因(hzs、hdh)呈先下降后上升的趋势,表明An AOB逐渐适应低DO、低C/N比环境;反硝化菌属Ignavibacterium、unclassified-p-Chloroflexi及反硝化相关...     

MnO2强化厌氧氨氧化工艺启动及其微生物机理研究

通过对照试验考察了添加MnO₂对厌氧氨氧化污泥驯化和培养的影响,并采用16S rRNA基因高通量测序技术和定量PCR分析其机理.结果表明,添加MnO₂粉末能够显著提高容积氮负荷及运行性能,其脱氮速率高达848.04 mg·L^-1·d^-1,几乎是对照组反应器的2倍.16S rRNA基因高通量测序技术和定量PCR结果表明,添加MnO₂粉末促进了典型厌氧氨氧化菌Candidate Brocadia的富集,厌氧氨氧化菌16S rRNA基因和功能基因hzsB的丰度显著提高.     

不同基质条件下厌氧氨氧化SMBBR启动特性研究

通过接种某城市污水处理厂好氧池生物膜,采用NH₄⁺-N+NO₂^--N （SMBBR-1）和NH₄⁺-N+NO₃^--N+HAc （SMBBR-2）两种进水基质启动厌氧氨氧化序批式移动床生物膜反应器（Sequencing Moving Bed Biofilm Reactor,SMBBR）,研究不同基质条件下反应器的启动特性.结果表明,两反应器在运行100 d后均成功启动并稳定运行,在进水负荷分别为0.83和0.32 kg·m^-3·d^-1（以N计）的条件下,氮去除率分别达到81.82%±1.20%和66.35%±4.79%.活性测定结果显示,SMBBR-1和SMBBR-2中Anammox活性分别达到6448.32和1980.32 mg·m^-2·d^-1,表明Anammox菌被成功富集.高通量结果显示,SMBBR-1和SMBBR-2中启动成功后的Anammox菌由Ca.Brocadia和Ca.Jettenia组成,其中,Ca.Brocadia占比分别为11.02%和7.57%,Ca.Jettenia占比分别为2.07%和0.56%.除Anammox菌外,SMBBR-2中还包括Thauera（2.84%）和Flavobacterium菌（0.66%）,其为部分反硝化菌的主导菌属.本研究表明,虽然两种不同基质的启动办法各有利弊,但其均能实现厌氧氨氧化SMBBR的启动,可为主流系统内的Anammox菌快速富集培养提供技术支撑.     

河流湿地氮循环修复过程中的新型功能微生物

自然生态系统中厌氧氨氧化菌和氨氧化古菌的发现,改变了人们对传统氮循环过程的认识.通过氨氧化古菌和厌氧氨氧化菌在缺氧/厌氧的条件下完成硝化反应和封闭的氮循环,对于河流氮循环生态修复意义显著.通过PCR聚合酶链反应结合水体沉积物理化指标,研究典型河流湿地中厌氧氨氧化菌和氨氧化古菌及其在循环中的作用.结果表明,在海河支流北运河湿地中存在厌氧氨氧化菌和氨氧化古菌,它们对于水体和底泥沉积物的氮转化有较重要作用.通过构建16S rRNA克隆文库生物多样性分析比较,发现湿地中厌氧氨氧化菌的生物多样性相对较低,96个克隆序列只分为3个OTUs;其与基因库(GenBank)中已探明的厌氧氨氧化菌Candidatus"Kuenenia stuttgartiensis"和Candidatus"Brocadia fulgida"的相似度分别为98%和95%.通过建立氨氧化古菌克隆文库发现,96个克隆子共得到5个OTUs,其与GenBank中关系最近序列(土壤/沉积物中)的相似度均大于95%;对本实验样本和水相、土壤/沉积物相中不同氨氧化古菌进行进化谱系分析,发现北运河河流湿地的古菌amoA基因属于土壤/沉积物进化分支.     

西湖底泥中厌氧氨氧化菌的分子生物学检测

厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation,anammox）在海洋氮素循环中起了重要作用,而有关天然淡水生态系统中anammox的研究报道并不多.本研究采用16SrRNA基因克隆文库技术首次考察了西湖淡水底泥中anammox菌的分布与种群多样性水平.16SrRNA系统发育分析表明,西湖底泥中的...     

自然生态系统中厌氧氨氧化和反硝化耦合反应研究进展

厌氧氨氧化和反硝化反应是氮循环系统的两个关键环节,它们对平衡整个生态系统氮的收支、改善水体氮的污染、减少温室气体的排放均具有重要意义.在阐述厌氧氨氧化和反硝化生物反应及微生物学机理的基础上,着重综述了二者在水生和陆地两个生态系统中的耦合反应:①探讨了厌氧氨氧化和反硝化反应在不同环境背景下发生的介质及N₂的产生速率和贡献比率,发现水生生态系统中厌氧氨氧化对N₂产生的贡献率相对陆地生态系统占有较大比重.②分析了调控厌氧氨氧化和反硝化反应的细菌群落和功能基因,反应系统占主导的微生物种类随环境发生变化,其中厌氧氨氧化菌Candidatus brocadia作为主导细菌出现频率较高.③二者耦合过程中的影响因素包括环境因素与底物因素.其中,环境因素中厌氧氨氧化与反硝化耦合的最适pH为6.7~8.3,且溶解氧含量过高时也会对耦合反应产生抑制作用;在底物环境中,有机物含量或C/N过高会促进反硝化作用,但同时也会抑制厌氧氨氧化的发生.建议以后能够加大对于厌氧氨氧化和反硝化耦合反应全球尺度的研究,特别是对于陆地生态系统,还应加深对厌氧氨氧化反应速率与反硝化反应速率之间关系的理论与应用研究;同时,在实际应用中,需要在确定厌氧氨氧化菌和反硝化菌最佳生长基础上,建立耦合体系理论预测数学模型,量化两类功能性微生物的耦合效果.      

单级序批式生物膜反应器（SBBR）多途径生物脱氮研究

利用传统微生物分析技术与PCR、变性梯度凝胶电泳（DGGE）等分子生物学技术相结合的方法,对单级SBBR反应器中的主要生物脱氮途径进行分析.结果表明,亚硝化-厌氧氨氧化-反硝化途径是主要的脱氮途径,通过该途径去除的NH⁺₄-N占总去除量的65%以上;另外2条途径则分别是亚硝化-反硝化途径以及全程硝化-反硝化途径.所有途径都采取同步和分步2种方式完成,同步方式以曝气阶段的氮素亏损形式予以表现.分步方式则依靠各种脱氮微生物在曝气阶段和厌氧阶段不同的活性程度完成,亚硝酸细菌是曝气阶段的主要活性菌种,完成NH⁺₄-N向NO^-₂-N的转化,而厌氧氨氧化细菌和反硝化细菌则在厌氧阶段成为优势菌种,完成完整的生物脱氮过程.     

4种反应器中厌氧氨氧化菌完整梯烷脂的特异性

完整梯烷脂是存在于厌氧氨氧化菌的厌氧氨氧化体膜上的一类特殊磷脂.分别从厌氧EGSB反应器、好氧SBR反应器、自养脱氮SBBR反应器、以及厌氧氨氧化EGSB反应器中提取了污泥样品中的磷脂混合物,利用高效液相色谱-电喷雾串联三重四级杆质谱法检测了污泥磷脂提取物中完整梯烷脂的种类,分析了完整梯烷脂的特异性,同时利用高通量测序技术测定了自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器污泥中微生物的群落结构.完整梯烷脂的分析结果表明厌氧EGSB反应器和好氧SBR反应器的污泥磷脂提取物中未检测到完整梯烷脂,而自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器的污泥磷脂提取物中检测到了完整梯烷脂.自养脱氮SBBR反应器的污泥磷脂提取物中检测到了5种完整梯烷脂,厌氧氨氧化EGSB反应器的污泥磷脂提取物中检测到了7种完整梯烷脂.高通量测序结果证实自养脱氮SBBR反应器含有Candidatus Brocadia属与Candidatus Jettenia属An AOB,厌氧氨氧化EGSB反应器含有Candidatus Kuenenia属与Candidatus Jettenia属An AOB.结果说明完整梯烷脂为厌氧氨氧化菌所特有的磷脂物质.     

高浓度基质冲击后厌氧氨氧化菌活性恢复研究

试验研究了阶段式负荷提高法对高浓度基质抑制后反应器中厌氧氨氧化(Anammox)菌的活性恢复特性的影响,考察了活性恢复过程反应器各阶段的脱氮性能、胞外聚合物(EPS)组分及Anammox菌丰度的变化.结果表明,通过逐步提高氮负荷率,反应器中Anammox菌活性于57d内即可恢复至受损前状态,最终氮去除负荷达2.21 kg·m-3·d-1;Anammox泥中的EPS含量、紧密型EPS和松散型EPS中蛋白质与多糖的比例均呈现先降低后上升的趋势,当进水总氮(TN)为500 mg·L-1时,EPS含量及二者的比例均最低;Anammox菌丰度对废水中氮浓度的敏感度较高,在活性恢复过程中,TN浓度为700 mg·L-1时丰度最高,达2.4×1010copies·g-1VSS.     

Start-up of the anammox process from the conventional activated sludge in a hybrid bioreactor

The anaerobic ammonium oxidation (anammox) process was successfully started up from conventional activated sludge using a hybrid bioreactor within 2 months. The average removal efficiencies of ammonia and nitrite were both over 80%, and the maximum total nitrogen removal rate of 1.85 kg N/(m³.day) was obtained on day 362 with the initial sludge concentration of 0.7 g mixed liquor suspended solids (MLSS)/L. Scanning electron microscope (SEM) observation of the granular sludge in the hybrid reactor clearly showed a high degree of compactness and cell sphericity, and the cell size was quite uniform. Transmission electron microscope photos showed that cells were round or oval, the cellular diameter was 0.6--1.0 μupm, and the percentage of the anammoxosome compartment was 51%--85% of the whole cell volume. Fluorescence in situ hybridization analysis (FISH) indicated that anammox bacteria became the dominant population in the community (accounting for more than 51% of total bacteria on day 250). Seven planctomycete 16S rRNA gene sequences were present in the 16S rRNA gene clone library generated from the biomass and affiliated to Candidatus Kuenenia stuttgartiensis and Candidatus Brocadia sp., a new anammox species. In addition, the average effluent suspended solid (MLSS) concentrations of outlets I (above the non-woven carrier) and II (below the non-woven carrier) were 0.0009 and 0.0035 g/L, respectively. This showed that the non-woven carrier could catch the biomass effectively, which increased biomass and improved the nitrogen removal rate in the reactor.     

低温高海拔湖泊岸边带厌氧氨氧化菌的存在、生物多样性及活性——以天山天池为例

本文旨在通过聚合酶链反应PCR、构建克隆文库、15N同位素示踪等技术研究厌氧氨氧化细菌在以天山天池为代表的高海拔低温水生态系统中的存在、发生、活性及对氮循环的影响.通过定量PCR测得天山天池沉积物厌氧氨氧化菌的丰度为(2.93×105±0.25×105)copy/每克干沉积物土样,证明了存在有一定数量的厌氧氨氧化菌;在分别对厌氧氨氧化细菌的16S rRNA和hzs B功能基因构建克隆文库,并对阳性克隆进行生物多样性分析,发现天山天池沉积物中16S rRNA阳性克隆子均属于同一个独立操作单元,与已知的厌氧氨氧化菌的相似度高于99%;而hzs B功能基因克隆文库中,其生物多样性略高于16S rRNA文库.通过同位素示踪技术测得该样品的厌氧氨氧化速率为1.162 nmol·g-1·h-1,其对氮气生成的贡献率高达82%,远高于以往报道的淡水环境中厌氧氨氧化对氮气生成的贡献率.推断高海拔和低温等环境可能不是限制厌氧氨氧化细菌生长的关键因素.