微生物介导厌氧甲烷氧化反硝化过程及其反应机制探讨

微生物进行的厌氧甲烷氧化反硝化过程是减少自然环境中甲烷这一温室气体排放的重要生物途径,即反硝化型甲烷厌氧氧化(denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)。反硝化型甲烷厌氧氧化是指在厌氧条件下以甲烷作为电子供体,NO2-/NO3-作为电子受体的反硝化过程。Candidatus Methylomirabilis oxyfera细菌和Candidatus Methanoperedens nitroreducens古菌是参与DAMO过程的2类主要功能微生物。深入了解微生物介导的DAMO的发生机理以及影响因素,有助于更好地理解碳氮耦合在生物地球化学循环中发生的重要作用,为DAMO工艺的开发与应用提供理论依据。本文从功能微生物的富集、影响因素、生理特性、生物代谢与反应机制等方面对DAMO的最新进展进行阐述,并探讨了DAMO未来的研究方向与应用前景。     

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).     

海洋厌氧氨氧化菌的富集培养及其脱氮特性

采用ASBR厌氧氨氧化反应器,通过接种胶州湾底泥,研究了海洋厌氧氨氧菌的富集培养及其脱氮特性.实验结果表明:海洋厌氧氨氧化菌的富集培养可分为4个阶段:菌体自溶期(1~15 d)、迟滞期(16~152 d)、活性提高期(153~183 d)与稳定运行期(184~192 d).与淡水厌氧氨氧化相比,其迟滞期(137 d)较长,活性提高期(30 d)较短,对基质浓度与HRT的变化更敏感,且由进出水导致的菌活性延迟时间为5 h,远长于淡水厌氧氨氧化菌,因此海洋厌氧氨氧化菌对新环境的适应能力更弱,更难富集培养.经过192 d运行,对NH_4~+-N与NO-2-N的去除率分别达到96.98%与95.66%,三氮转化比n(NH_4~+-N)∶n(NO-2-N)∶n(NO-3-N)为1∶(1.2±0.2)∶(0.22±0.06),接近理论比(1∶1.32∶0.26),NRRNH_4~+-N升至0.080 kg·(m~3·d)-1,海洋厌氧氨氧化菌活性显著提高,这标志着海洋厌氧氨氧化菌富集成功.反应器运行过程中,污泥逐渐由黑色泥状变为砖红色颗粒状,扫描电镜观察,该砖红色颗粒为表面光滑,排列紧密、有类似火山口形状的球状菌相互黏聚而成的菌团.     

厌氧氨氧化系统的快速启动及其脱氮性能研究

在UASB反应器中,将污水处理厂好氧污泥与冷藏的厌氧氨氧化污泥以1∶1体积比混合。采用药剂还原法快速去除水中溶解氧,以ANAMMOX菌最适条件运行13 d,厌氧氨氧化现象明显,逐步提升进水负荷并稳定运行4个多月,进水氮负荷率(NLR)达到1.65 g/(L·d)(以(NH_4~++NO_2~-)计),NH_4~+-N和NO_2~--N去除率均达到95%左右。污泥性状逐渐由黑色糊状转变为砖红色颗粒。通过高通量测序技术检测启动成功的厌氧氨氧化颗粒污泥,发现浮霉菌门、变形菌门、绿弯菌门、纤维杆菌门为主要菌门。浮霉菌门中Candidatus_Kuenenia为主要菌属,占比74.11%,此外还检测到SM1A02属、Candidatus_Brocadia属等ANAMMOX反应器中代表性菌属。     

氨氮对反硝化型甲烷厌氧氧化细菌的影响机理研究

反硝化型甲烷厌氧氧化(Denitrifying Anaerobic Methane Oxidation,DAMO)是以甲烷为电子供体和唯一碳源,以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体的一种氧化还原反应,可用于废水脱氮,而氨氮是含氮废水中存在的主要形式.目前的研究认为主导DAMO过程的微生物主要有DAMO细菌和DAMO古菌.本文以DAMO细菌为优势菌种的系统为研究对象,通过短期和长期试验,从宏观和微观上研究了氨氮对该系统短期和长期的影响,并比较了不同pH体系下影响效果差异,揭示了相关影响机理.短期试验研究表明,氨氮对该系统的安全浓度为250 mg·L~(-1).当氨氮浓度为500 mg·L~(-1)时,对该系统的脱氮效率造成明显的抑制作用,并且随着浓度、时间的增加,氨氮对其的抑制效果增强;不同pH条件下抑制效果的差异对比发现,在碱性条件下,真正起抑制作用的是氨氮的质子化形式FA(Free Ammonia),在中性及酸性条件下,真正起抑制作用的抑制因子是离子化的NH_4~+.通过扫描电镜对系统中絮状污泥分析发现,在氨氮的短期抑制后,系统内的微生物出现了明显皱缩,丝状菌的数量增加;采用高通量测序技术分析了长期氨氮抑制后的系统,结果显示,系统内菌群结构发生较大改变,物种的多样性和丰度都大大降低.通过菌属分析认为,系统脱氮效率的降低是由于Methylomonas(甲基单胞菌属)数量的减少引起的.     

甲烷厌氧氧化协同硝酸盐还原菌群驯化及其群落特征

伴随硝酸盐还原的甲烷厌氧氧化是协同减少环境中硝酸盐及甲烷的有效途径.利用实验室废水处理厌氧污泥、污水处理厂厌氧污泥和填埋场覆土驯化富集硝酸盐还原型甲烷厌氧氧化菌群.考察菌群的甲烷氧化效果,结果发现接种污水处理厂厌氧污泥体系甲烷转化量最大,为0.05 mg·d-1.微生物群落结构分析显示,该体系中甲烷微菌和甲烷八叠球菌是甲烷氧化菌,假单胞菌、梭状芽胞杆菌和热单胞菌参与了硝酸盐的还原反应.硝酸盐的量影响甲烷的转化率及菌群结构.当硝酸盐浓度为200 mg·L-1时,体系中的硝酸盐还原菌为假单胞菌和梭状芽胞杆菌;浓度增加至500 mg·L-1时,硝酸盐还原菌则是假单胞菌和热单胞菌.同时,甲烷转化率增加34.7%.研究结果为该菌群应用于含甲烷废气与含硝酸盐废水的协同处理提供科学依据.     

硫酸盐还原型甲烷厌氧氧化菌群驯化及其群落特征

甲烷的温室效应是二氧化碳的26倍,高浓度硫酸盐废水对水体、土壤和植物均有危害.硫酸盐为氧化剂的甲烷厌氧氧化是减少甲烷的主要途径之一.本研究以硫酸盐作为电子受体,驯化培养硫酸盐还原型甲烷厌氧氧化菌群,采用PCR-DGGE技术分析细菌和古菌菌群多样性和群落结构特征,并对其中的优势菌进行系统发育分析.DGGE指纹图谱结果表明,硫酸盐的加入使微生物群落结构和优势种群数量发生了明显的改变,其增强了甲烷氧化古菌和硫酸盐还原细菌的丰度,加入硫酸盐驯化的菌群,其细菌群落多样性增加而古菌群落多样性略微减少.典型条带测序结果显示,驯化后菌群的优势菌种主要包括螺旋体门(Spirochaetes),除硫单胞菌目(Desulfuromonadales)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)和甲烷丝状菌属(Methanosaeta)等.驯化菌群的甲烷厌氧氧化研究结果显示,甲烷厌氧氧化的同时伴随硫酸盐的还原,甲烷的氧化产物为二氧化碳,硫酸盐的转化产物为硫化氢和硫单质.     

快速启动厌氧氨氧化工艺

为研究如何获得厌氧氨氧化的快速启动工艺,采用两种不同水力流态反应器:完全混合式膜生物反应器(MBR)和推流式厌氧折流板反应器(ABR),分别接种絮状硝化污泥,考察其厌氧氨氧化快速启动性能.结果表明:两种反应器均能成功启动厌氧氨氧化,MBR启动周期(90 d)比ABR(111 d)缩短20%;稳定运行期内,MBR总氮(NH_4~+-N+NO_2~--N)平均去除负荷[0.098 kg·(m3·d)-1]也明显高于ABR[0.089 kg·(m3·d)-1];此外,两个反应器中污泥形态差异明显,MBR中污泥呈絮状,而ABR第1隔室中以厌氧氨氧化颗粒污泥为主;NH_4~+-N、NO_2~--N和NO_3~--N之间的定量关系分析表明:相较于ABR,MBR能实现完全的生物截留,使得系统内含有更多种类的脱氮功能菌,有利于氮素的去除.MBR在厌氧氨氧化的快速启动方面表现出更明显的优势.     

甲烷氧化耦合污水脱氮研究进展

污水处理厂厌氧池或污泥厌氧消化系统存在着溶解态甲烷(DCH₄)外溢风险，不仅会造成直接碳排放，也形成资源/能源的浪费.另一方面，污水处理厂常常需要外加碳源来满足脱氮需要，导致运行成本增加和间接碳排.若转换思路，利用CH4作为脱氮碳源，则有可能一箭双雕地解决问题.基于此，首先综述了好氧与厌氧甲烷氧化形式、发现/发展路径，并剖析它们的代谢途径及相关微生物.以此为基础，重点总结以NO₃^-、NO₂^-、甚至强温室气体N₂O作为电子受体的厌氧甲烷氧化途径，并从经济性和碳减排等方面论述甲烷厌氧氧化耦合反硝化(DAMO)工艺的潜在应用前景.最后，从接种微生物、培养环境等方面剖析DAMO工程应用的技术限制与瓶颈.综述表明，好氧甲烷脱氮技术功能微生物所需生存环境相左，致使工艺在实践中难以应用；相形之下，厌氧甲烷反硝化技术则较具应用潜力，但仍需深入研究，以提高功能微生物的鲁棒性.     

Anammox启动过程中脱氮性能及污泥特性研究

采用NH_4~+-N和NO_2~--N进水浓度分别为200 mg/L和300 mg/L不变,不断缩短HRT以启动厌氧氨氧化反应器,研究了此过程中氮的去除情况、厌氧氨氧化反应化学计量关系及颗粒污泥的特性。结果表明:历时58 d成功启动了厌氧氨氧化反应器,NH_4~+-N和NO_2~--N的去除率分别为96.62%、76.37%,总氮去除速率达到1.71 kg/(m3·d);NH_4~+-N的去除量、NO_2~--N的去除量及NO_3~--N的生成量三者之间的比值为1∶1.29∶0.26,表现出典型的厌氧氨氧化反应特征;运行后期,反应器内的颗粒污泥呈红棕色,结构紧密,表面可见明显的孔洞,其表面分布的球菌具有火山口状的凹陷结构,为典型的厌氧氨氧化菌。     

Simultaneous Fe(III) reduction and ammonia oxidation process in Anammox sludge

In recent years, there have been a number of reports on the phenomenon in which ferric iron (Fe(III)) is reduced to ferrous iron [Fe(II)] in anaerobic environments, accompanied by simultaneous oxidation of ammonia to NO₂^-, NO₃^-, or N₂. However, studies on the relevant reaction characteristics and mechanisms are rare. Recently, in research on the effect of Fe(III) on the activity of Anammox sludge, excess ammonia oxidization has also been found. Hence, in the present study, Fe(III) was used to serve as the electron acceptor instead of NO₂^-, and the feasibility and characteristics of Anammox coupled to Fe(III) reduction (termed Feammox) were investigated. After 160days of cultivation, the conversion rate of ammonia in the reactor was above 80%, accompanied by the production of a large amount of NO₃^- and a small amount of NO₂^-. The total nitrogen removal rate was up to 71.8%. Furthermore, quantities of Fe(II) were detected in the sludge fluorescence in situ hybridization (FISH) and denaturated gradient gel electrophoresis (DGGE) analyses further revealed that in the sludge, some Anammox bacteria were retained, and some microbes were enriched during the acclimatization process. We thus deduced that in Anammox sludge, Fe(III) reduction takes place together with ammonia oxidation to NO₂^- and NO₃^- along with the Anammox process.     

盐度对厌氧氨氧化(Anammox)生物脱氮效率的影响研究

利用UASB反应器,采用厌氧氨氧化（Anammox）工艺处理模拟废水,经过106d无盐运行后,进行加盐试验（其盐度范围为0～33g.L-1,以NaCl计）,探讨盐度对Anammox菌脱氮效率的影响.结果表明：适合Anammox菌驯化的最初盐度为2.5g.L-1;当盐度≤30g.L-1时,随着盐度的增加,Anammox菌...     

厌氧膜生物反应器耦联部分亚硝化/厌氧氨氧化用于污水处理研究

本研究构建了厌氧膜生物反应器（AnMBR）-部分亚硝化/厌氧氨氧化（PN/Anammox）污水处理工艺,以探究AnMBR-PN/A工艺处理效果最佳的水力停留时间（HRT）.AnMBR将厌氧生物处理与膜分离技术相结合实现有机物去除,AnMBR出水NH₄⁺-N通过PN部分转化为NO₂^--N,最终通过NO₂^--N氧化剩余NH₄⁺-N去除.实验结果表明：在HRT=11.2 h时,AnMBR-PN/A工艺化学需氧量（COD）去除率稳定在97%以上,COD转化为CH₄效率超过77.5%,总氮（TN）去除率为78%,出水COD和TN浓度分别低于14和11 mg·L^-1.AnMBR段COD去除率达到95%,平均甲烷产率为0.39 L·L^-1·d^-1.PN段实现了NO₂^--N的高效积累,其出水中NO₂^-/NH₄⁺为0.91±0.11.Anammox段出水中的NO₂^--N、NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度分别低于1.0、4.9和5.1 mg·L^-1.高通量测序结果表明PN段氨氧化菌主要为Nitrosomonas,丰度为7.09%,Anammox段主要微生物为Candidatus Brocadia,丰度高达21.01%.本研究构建的AnMBR-PN/A工艺实现了污水处理过程的高效能源回收和深度自养脱氮,研究成果为工程应用提供了理论支撑.     

不同种泥的厌氧氨氧化反应器的启动及动力学特征

采用2套UBF反应器R1和R~2,R1接种好氧硝化污泥与厌氧氨氧化-反硝化污泥的混合污泥,R~2接种厌氧消化絮状污泥与厌氧氨氧化-反硝化污泥的混合污泥,采用逐渐提高进水亚硝氮和氨氮浓度的方式富集培养ANAMMOX菌.结果表明,R1启动时间短,仅耗时36 d就成功启动了厌氧氨氧化反应器,而R~2则需要53 d; R1和R~2脱氮效果均较好,但R1脱氮效果优于R~2且稳定.在稳定运行阶段,R1氨氮、亚硝氮和总氮去除率分别为99. 92%、96. 64%和81. 87%左右,R~2氨氮、亚硝氮和总氮去除率分别为97. 54%、94. 91%和80. 98%左右.反应器启动成功后,Candidatus Kuenenia属在所检测出的属中丰度位列前六,在R1和R~2中的相对丰度分别为3. 22%和2. 35%;改进的Stover-Kincannon基质去除模型和二级动力学模型对拟稳态阶段R1和R~2的脱氮性能均能进行较好地拟合,经计算,R1的最大基质去除速率Umax稍大于R~2,说明R1的脱氮潜力较大.     

浙江省瓯江氨氧化古菌和氨氧化细菌分布及多样性特征

氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)和氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)在生物地球化学氮循环过程中发挥着重要作用.河流是关系人类生产和生活的重要生态系统,蕴含大量氮循环功能微生物.本研究采用变性梯度凝胶电泳(denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)和荧光定量PCR(quantitative PCR,q PCR)技术对沉积物AOA、AOB群落进行结构和丰度分析,在瓯江感潮河段尺度上探究AOA、AOB分布规律及影响AOA、AOB群落结构与丰度的因素.结果表明,AOA群落结构差异不显著,影响其分布的主要因素为NH+4和TS;AOB群落结构存在显著差异,序列分析比对表明AOB分为Nitrosospira和Nitrosomonas,其中90%序列为Nitrosospira,EC、p H、NH_4~+、NO_3~-、TC和TN是影响AOB群落组成的重要环境因素;总硫(TS)和电导率(EC)分别是影响AOA和AOB多样性的主要因素;AOA丰度显著高于AOB;EC、NH_4~+-N和NO_3~--N是影响AOA和AOB丰度的主要环境因素.研究表明,瓯江感潮河段沉积物中AOA和AOB群落结构和丰度均显著受环境因素影响,AOA在表层沉积物氨氧化过程中可能占主导位置.     

蠡河底泥中反硝化复合菌群富集及菌群结构研究

从无锡市滨湖区蠡河底泥中富集培养反硝化复合菌群,研究其在不同富集培养阶段TN、NO-3-N、NO-2-N、NH+4-N和COD动态变化,分析反硝化过程中气体释放总量、释放速率和成分,通过构建全长16S r DNA克隆文库研究其菌落结构.结果表明,反硝化复合菌群富集在阶段4时脱氮效果最佳,仅在9 h内,330 mg·L-1的TN负荷下,TN去除率达90.9%,NO-3-N去除率达100%,中间产物NO-2-N和NH+4-N积累量最少,分别为3.39 mg·L-1和16.64 mg·L-1,COD去除率达85%;释放气体260m L,气体主要成分为N2,同时还有少量的CH4和CO2等.富集培养反硝化复合菌群细菌属于Pseudomonadaceae科和Rhodocyclaceae科,为Proteobacteria门,OUT丰度分别为57.8%和31.6%,Pseudomonadaceae科是优势类群.     

K+强化高盐环境下厌氧氨氧化脱氮效能

针对含盐废水生物脱氮效能较低的问题,采用厌氧序批式反应器研究了K~+浓度变化对厌氧氨氧化污泥脱氮效能的影响.结果表明,适量的K~+可有效的提升反应器脱氮效能,K~+对厌氧氨氧化污泥脱氮效能的影响主要分为4个阶段:适应阶段,K~+浓度为(0~2 mmol·L~(-1)),K~+的突然添加破坏了原有反应平衡,但最终厌氧氨氧化菌适应了K~+的存在,由于K~+还未对厌氧氨氧化菌产生明显效果,NH_4~+-N和NO_2~--N去除率略有上升;活性提升阶段(2~8 mmol·L~(-1)),K~+对厌氧氨氧化生物系统有促进作用,随着K~+浓度的提升,NH_4~+-N和NO_2~--N去除率显著提升;活性稳定阶段(8~20 mmol·L~(-1)),厌氧氨氧化菌脱氮效能处于稳定状态,NH_4~+-N和NO_2~--N去除率虽有下降,但还是高于未添加K~+时;抑制阶段(大于20 mmol·L~(-1)),此时厌氧氨氧化菌活性降低,K~+对厌氧氨氧化产生较大抑制,脱氮效能已低于0 mmol·L~(-1).在整个周期内K~+浓度8 mmol·L~(-1)时达到最佳去除效果,NH_4~+-N与NO_2~--N的平均去除率为89.24%和84.87%,NRR为1.113 kg·(m~3·d)~(-1).