硫自养反硝化颗粒表面与间隙微生物群落特征和基因分布

研究了单质硫颗粒自养反硝化柱中表面和间隙生物膜的微生物群落结构、功能基因和代谢途径等生物信息学特征.结果表明,硫颗粒表面生物膜的微生物菌群多样性低于间隙生物膜.氮代谢功能基因丰度差异较为显著,间隙生物膜中硝酸盐和亚硝酸盐的胞外转运蛋白基因丰度远高于表面生物膜,分别为0.0792%、0.109%与0.0157%、0.0314%.对于还原性反硝化代谢,表面生物膜的总基因丰度却明显低于间隙生物膜,分别为0.367%、0.406%.此外,参与反硝化过程的基因丰度明显不同,特别是将NO₃^-还原成NO₂^-以及将N₂O还原成N₂过程中的基因.对于硫代谢,没有观察到明显的差异.APS (硫酸腺苷)氧化是将SO₃^2-氧化为SO₄^2-的主要途径,其基因丰度远远高于直接氧化途径,分别为0.137%与0.0005%(表面)、0.138%与0.0007%(间隙).结果表明,在单质硫自养反硝化过程中,间隙生物膜与表面生物膜中的微生物存在合作关系,协同促进硫自养反硝化脱氮过程.     

PCR-DGGE技术解析固体碳源表面生物膜的微生物群落结构

以聚乳酸/聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PLA/PHBV)作为填充床反应器的碳源和生物膜载体,对受硝酸盐污染的水进行生物反硝化脱氮.采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术分析了PLA/PHBV表面生物膜中微生物群落的结构和动态变化.结果表明,反应器运行初期,生物膜中微生物多样性下降.当反应器稳定运行时,DGGE图谱特征条带的香农威尔指数和辛普森指数均变化不大,微生物群落结构保持相对稳定.DGGE图谱特征条带的16S rDNA序列分析及扫描电镜分析的结果表明,生物膜中的主要微生物均为革兰氏阴性杆菌,包括Diaphorobacter、Acidovorax、Rubrivivax、Azospira、Thermomonas和Devosia,它们分别属于变形菌门(Proteobacteria)的α-,β-和γ-变形菌纲,其中Diaphorobacter为反应器稳定运行期生物膜中丰度最高的菌群.     

碳氮比对聚氨酯生物膜反应器短程硝化反硝化的影响

研究了聚氨酯生物膜反应器在短程硝化反硝化工艺中的应用,考察碳氮比(15∶1、10∶1、5∶1和1.8∶1)对聚氨酯脱氮系统脱氮性能和微生物群落结构的影响,以及微生物群落结构与其处理效果的对应关系.结果表明,经过100 d的运行,当进水碳氮比从15依次下降到10、5和1.8,亚硝酸氮累积率由56.1%逐次上升到62.3%、72.3%和83.2%.在进水碳氮比为10时,系统取得最佳处理效果,氨氮和总氮去除率分别为99.1%和91.0%.进水碳氮比在15、10、5和1.8时,硝化反应和反硝化反应均同时发生在聚氨酯生物膜系统内,随着进水碳氮比的降低,同时硝化反硝化效率逐渐降低.生物膜的功能微生物分析表明,在碳氮比15时,生物膜的微生物多样性要显著高于其他工况.生物膜上的优势亚硝酸菌和硝酸菌分别以亚硝化单胞菌(Nitrosospira sp.)和硝化螺旋菌(Nitrospira sp.)为主,而反硝化细菌则以假单胞菌(Pseudomonas sp.)占据优势.     

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.     

外源群体感应-好氧反硝化菌强化生物膜脱氮研究

重点研究了外源添加高AHLs调控能力的群体感应-异养硝化好氧反硝化菌(QS-HNAD)过程中生物膜反应器的运行、生物膜生理生化特征、信号分子浓度、脱氮功能基因含量、群落组成和空间结构的变化.结果表明,高C/N比(8～14)条件更有利于其促进反应器脱氮效能:添加群体感应Pseudomonas mendocina促进了反应器的反硝化,而添加Pseudomonas putida提高了氨氮的去除.与水相比,生物膜相信号分子对于环境变化具有更灵敏的响应,C6-HSL是潜在调控生物膜修复和强化脱氮的信号分子.荧光定量qPCR表明,外源添加QS-HNAD有效促进了氨氧化、硝酸盐还原和一氧化氮还原过程.微生物群落结构分析表明,添加不同外源QS-HNAD菌的生物膜微生物群落结构差异较大,P.mendocina菌促进了放线菌、TM7、变形菌在生物膜中富集.     

固相碳源脱氮同步去除壬基酚的试验研究

采用一种基于PHBV研发的新型固相碳源NS,构建同步硝化反硝化脱氮生物反应器,同时探究常见的内分泌干扰物壬基酚(NP)在系统中的同步去除特性,并运用Illumina Mi Seq高通量测序和荧光定量PCR(q PCR)技术,对微生物群落进行解析.反应器运行效果良好,硝酸盐氮和氨氮去除率可分别达到96.18%和82.54%,出水COD平均浓度为27.48mg/L,壬基酚平均去除率为81.17%.高通量测序结果表明,Dechloromonas(脱氯单胞菌属)和Zoogloea(动胶菌属)等报道的具脱氮作用的菌属在无壬基酚条件下占据优势地位.加入壬基酚的条件下,菌种总数和α多样性降低.荧光定量PCR结果表明,系统中氮循环基因丰度较高,nir S基因丰度最大,而amo A基因丰度最低.进水中存在壬基酚的条件下碳源表面nir S基因丰度较低.     

运行模式对同步短程硝化反硝化脱氮及微生物群落特征的影响

采用复合序批式生物膜反应器（HSBBR）处理高盐废水,实现了同步短程硝化反硝化脱氮。考察了运行模式对同步短程硝化反硝化系统COD去除和脱氮性能的影响,利用高通量测序技术分析了微生物群落的变化。结果表明:当反应器以缺氧/好氧交替模式运行时（缺氧/好氧时间比为2.0 h/4.5 h）,NH₃-N、总无机氮（TIN）和COD去除率分别为95.00%、84.83%和86.72%,出水中含有NO₂--N和NO₃--N。以完全好氧模式运行时（缺氧/好氧时间比为0.0/6.5 h）,NH₃-N去除率达到100.00%,TIN和COD去除率分别为85.94%和89.46%,出水中只含有NO₂--N。高通量测序结果表明:在门水平上,2种模式下生物膜和悬浮污泥中的优势菌均为变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）;Nitrosomonas是本研究检测出的唯一氨氧化菌（AOB）属,当反应器由缺氧/好氧交替模式转换为完全好氧模式时,悬浮污泥和生物膜中Nitrosomonas的相对丰度均增加;悬浮污泥和生物膜中优势反硝化菌属相似,包括Candidatus_Competibacter、Paracoccus、Thauera和Denitratisoma,在完全好氧模式下,悬浮污泥和生物膜中Candidatus_Competibacter和Thauera的相对丰度较低,而Paracoccus和Denitratisoma的相对丰度较高。多种反硝化菌与氨氧化菌的共同作用,使反应器能够实现高效同步短程硝化反硝化脱氮。     

有机物对厌氧氨氧化生物膜反应器脱氮效能及微生物群落的影响

为考察有机物对厌氧氨氧化生物膜反应器脱氮效能的影响,采用MPN（most probable number）法和高通量测序技术,结合处理效果数据,对比分析了有无有机物影响下生物膜中微生物群落差异.试验表明：在进水有机物（COD）为30和60 mg·L^-1作用下,总氮去除率与进水COD为0 mg·L^-1时的84.10%相比较分别提高了5.08%和10.41%;COD为90 mg·L^-1时,总氮去除率降至89.05%.由MPN法和高通量测序结果可知,相对于无有机物,60 mg·L^-1有机物使反应器中反硝化菌数量增加,浮霉菌门和变形菌门丰度明显提高,且微生物群落更加丰富.有机物能影响反应器中厌氧氨氧化、反硝化脱氮效能及微生物菌落丰度,适宜的有机物浓度可使厌氧氨氧化与反硝化作用有效耦合,提高反应器的脱氮效能.本研究可为厌氧氨氧化生物膜反应器处理含有机物的实际污水提供参考价值.     

生物膜脱氮滤池的微生物群落结构特性

为探究生物膜脱氮滤池脱氮效能差异的微生物因素,设置组1(包括接种污泥、稳定期滤料、反冲洗后滤料微生物变化)和组2(包括反冲洗前滤料、反冲洗后不同时间段滤料微生物变化)两组实验,通过高通量测序,研究不同阶段微生物群落结构、丰度和多样性的分布情况.结果表明:接种污泥与滤料表面微生物群落结构和多样性在门水平下差异不大,但在属水平下差异显著,而相对丰度在两种分类水平下始终差异显著.反冲洗后0～4 h滤料表面微生物的OTU数目、Shannon指数、Chao1指数变化,在滤池30 cm处先升后降,而在60 cm处曲折上升,也即二者的微生物丰度和多样性变化趋势.反冲洗前后Proteobacteria始终占主导地位,相对丰度为79%～90%,Proteobacteria中Betaproteobacteria占主导优势,反冲洗后Betaproteobacteria数量相对减少,后逐渐恢复.总反硝化优势菌属相对丰度在反冲洗1 h后30 cm处由78%左右下降到70%左右,60 cm处由68%左右下降到64%左右,此时出水总氮达到最高值7.7 mg·L~(-1),之后总反硝化优势菌属及出水TN浓度逐渐恢复至正常水平,这种消长变化表明滤池脱氮效果与总反硝化优势菌属相对丰度密切相关,滤池运行状态的改变使得反硝化优势菌属的群落结构差异显著.     

反硝化脱硫工艺中微生物群落结构及动态分析

为了研究反硝化脱硫工艺(denitrifying sulfide removal,DSR)中微生物群落与工艺运行的相关性,实验提取了反应器运行不同阶段污泥样品中微生物的全基因组DNA,利用高通量宏基因组学技术———基因芯片来解析各阶段功能微生物群落的结构特征及其演替过程.通过对功能基因的Simpson、Shannon多样性指数和聚类分析表明,微生物群落结构会随着反应器运行的阶段进行相应调整,且变化较大.在运行的前两个阶段,由于不适应环境,微生物群落的多样性指数比起始时明显减少,随着反应器的运行污泥逐渐成熟,多样性指数迅速增加,也标志着反应器进入稳定运行阶段.通过对反硝化脱硫过程中关键基因相对丰度的分析发现,功能基因的丰度不仅能反映功能菌群的活性,而且与工艺处理效果密切相关.     

Microbial community functional structure in response to micro-aerobic conditions in sulfate-reducing sulfur-producing bioreactor

Limited oxygen supply to anaerobic wastewater treatment systems had been demonstrated as an effective strategy to improve elemental sulfur(S0) recovery, coupling sulfate reduction and sulfide oxidation. However, little is known about the impact of dissolved oxygen(DO) on the microbial functional structures in these systems. We used a high throughput tool(GeoChip) to evaluate the microbial community structures in a biological desulfurization reactor under micro-aerobic conditions(DO: 0.02–0.33 mg/L). The results indicated that the microbial community functional compositions and structures were dramatically altered with elevated DO levels. The abundances of dsrA/B genes involved in sulfate reduction processes significantly decreased(p 0.05, LSD test) at relatively high DO concentration(DO: 0.33 mg/L). The abundances of sox and fccA/B genes involved in sulfur/sulfide oxidation processes significantly increased(p 0.05, LSD test) in low DO concentration conditions(DO: 0.09 mg/L) and then gradually decreased with continuously elevated DO levels. Their abundances coincided with the change of sulfate removal efficiencies and elemental sulfur(S0) conversion efficiencies in the bioreactor. In addition, the abundance of carbon degradation genes increased with the raising of DO levels, showing that the heterotrophic microorganisms(e.g., fermentative microorganisms) were thriving under micro-aerobic condition. This study provides new insights into the impacts of micro-aerobic conditions on the microbial functional structure of sulfatereducing sulfur-producing bioreactors, and revealed the potential linkage between functional microbial communities and reactor performance.     

氨氮浓度对MBBR工艺中微生物群落结构的影响

采用移动床生物膜反应器（moving bed biofilm reactor,MBBR）处理模拟废水,考察进水氨氮浓度（20,30,50,100,200 mg/L）对MBBR工艺处理效果的影响,并利用16S rDNA高通量测序技术,分析微生物群落结构变化。结果表明:氨氮浓度为30~100 mg/L时,氨氮浓度越小,越有利于氨氮的去除,对COD去除率影响较小。氨氮浓度为20,50,200 mg/L时,Ottowia为第1优势菌属,相对丰度分别为66.76%、34.40%、53.88%,而氨氮浓度为30,100 mg/L时,Ottowia优势地位被Arcobacter、Hydrogenophaga等取代,说明微生物群落结构发生波动性变化可能与各类起反硝化作用的菌属和Ottowia菌属争夺优势地位有关。与自养型硝化作用有关的菌属相对丰度稳定在0.3%左右,相对丰度受氨氮浓度影响不大,高浓度氨氮对硝化菌属产生的抑制作用,可能是对其微生物活性的抑制。通过研究发现,进水氨氮浓度对MBBR生物膜中的微生物群落结构有一定的影响。     

三氯生及其降解中间产物对活性污泥中微生物群落变化和硝化反硝化功能基因的影响

三氯生（TCS）对活性污泥中氮循环和微生物群落的长期影响尚不清楚.在长期运行185 d的序批式反应器（SBR）进水中添加100 g·L^-1的TCS,探讨了TCS在活性污泥中的转化特性及其对活性污泥的生长、硝化反硝化性能及关键氮代谢功能基因和微生物群落结构的影响.添加TCS的反应器中硝酸盐浓度为3.80～9.11 mg·L^-1,略低于不添加TCS的空白组(6.66～9.72 mg·L^-1),说明其硝化作用被减弱.随着驯化时间的延长,硝化作用逐渐恢复. TCS在活性污泥迁移转化过程中总共检测出12种代谢中间产物,推导出4种迁移转化路径.添加TCS后,对TCS有潜在降解效能的细菌的相对丰度明显增加,如：Flavobacteriales和Myxococcales目,分别为2.95%～9.07%（第0～185 d）和2.01%～4.53%（第0～90 d）.与硝化作用有关的菌属,如：Nitrosovibrio、Nitrosomonas（氨氧化菌,AOB）和Nitrospira（亚硝酸盐氧化菌,NOB）的相对丰度急剧减少,分别为0....     

复合菌株YH01+YH02强化SBR好氧反硝化脱氮及菌群结构分析

为探讨复合菌株强化好氧反硝化的脱氮特性以及揭示菌群结构动态演替与生物反应器运行效率之间的联系,以硝态氮为底物,研究了异养硝化-好氧反硝化复合菌株Delftia sp.YH01+Acidovorax sp.YH02强化好氧SBR的脱氮特性,并借助高通量测序技术对强化过程中的菌群结构进行了分析.结果表明,经复合菌株强化后,反应器对NO₃^--N、TN和COD去除率分别提高了12.1%、9.2%和9.4%;复合菌株YH01+YH02的加入对菌群结构产生了较大的影响,菌群结构在属水平上丰度呈上升趋势,多样性呈下降趋势;PCA主成分析和UPGMA聚类分析大致把反应器运行过程分成4个阶段;Delftia和Acidovorax菌的丰度随着反应器呈上升趋势,复合菌株YH01+YH02在SBR反应器内具有良好的适应能力,对好氧反硝化起着非常重要的作用.     

基于宏基因组学揭示咸水滴灌对棉田土壤微生物的影响

咸水灌溉已成为缓解干旱区淡水短缺的重要手段,但长期咸水灌溉会造成土壤盐分积累,影响土壤微生物群落结构,进而影响土壤养分转化.通过宏基因组学的手段探究长期咸水滴灌对棉田土壤微生物群落结构的影响,试验中灌溉水盐度(ECw)设2个处理：0.35 dS·m^-1和8.04 dS·m^-1(分别用FW和SW表示),施氮量分别为0 kg·hm^-2和360 kg·hm^-2(分别用N0和N360表示).结果表明,咸水灌溉提高土壤含水量、盐分、有机碳和全氮含量,降低土壤pH和速效钾含量,氮肥施用增加土壤有机碳、盐分和全氮含量,降低土壤含水量、 pH和速效钾含量.各处理土壤的优势菌门为：变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、绿弯菌门和芽单胞菌门.咸水灌溉显著提高放线菌门、绿弯菌门、芽单胞菌门和厚壁菌门的相对丰度,显著降低变形菌门、酸杆菌门、蓝细菌和硝化螺旋菌门的相对丰度.氮肥施用显著提高绿弯菌门和硝化螺旋菌门的相对丰度,显著降低酸杆菌门、芽单胞菌门、浮霉菌门、蓝细菌和疣微菌门的相对丰度.LEfSe分析表明,咸水灌溉对土壤微生物群落...     

Molecular analysis of long-term biofilm formation on PVC and cast iron surfaces in drinking water distribution system

To understand the impacts of different plumbing materials on long-term biofilm formation in water supply system, we analyzed microbial community compositions in the bulk water and biofilms on faucets with two different materials-polyvinyl chloride （PVC） and cast iron, which have been frequently used for more thanlO years. Pyrosequencing was employed to describe both bacterial and eukaryotic microbial compositions. Bacterial communities in the bulk water and biofilm samples were significantly different from each other. Specific bacterial populations colonized on the surface of different materials. Hyphomicrobia and corrosion associated bacteria, such as Acidithiobacillus spp., Aquabacterium spp., Limnobacter thiooxidans, and Thiocapsa spp., were the most dominant bacteria identified in the PVC and cast iron biofilms, respectively, suggesting that bacterial colonization on the material surfaces was selective. Mycobacteria and Legionella spp. were common potential pathogenic bacteria occurred in the biofilm samples, but their abundance was different in the two biofilm bacterial communities. In contrast, the biofilm samples showed more similar eukaryotic communities than the bulk water. Notably, potential pathogenic fungi, i.e., Aspergillus spp. and Candida parapsilosis, occurred in similar abundance in both biofilms. These results indicated that microbial community, especially bacterial composition was remarkably affected by the different pipe materials （PVC and cast iron）.     

多孔生物质基材用于城镇污水处理厂尾水深度净化的试验研究

为探讨城镇污水处理厂尾水的深度净化技术,以农林秸秆生物质发电后的废料制成的生物质基材为填料,考察填料对城镇污水处理厂尾水的处理效果,并借助Miseq高通量测序技术对移动床生物膜反应器（MBRR）中的悬浮填料,多孔生物质基材中生物膜的微生物群落组成和结构进行了解析。结果表明:多孔生物质基材能够深度净化市政污水处理厂尾水,对MBBR出水NH₄+-N、TN、COD和TP的平均去除率分别提高了0.9%、19.0%、7.1%和10.5%。此外,由于多孔生物质基材的微生物物种丰度和多样性高于MBBR,其微生物群落结构中反硝化相关菌属占优势（24.2%）,并含有一定比例的聚磷菌（4.6%）和自养硝化菌（1.3%）,因此多孔生物质基材更利于脱氮除磷等功能菌群的富集和生长,可对污水的强化处理起关键作用。该结果可为城镇生活污水处理厂尾水深度净化过程中强化脱氮除磷的工程化应用提供依据和参数。