西安市典型景观水体水质及反硝化细菌种群结构

选取西安市区6个典型景观水体作为研究对象,在分析景观水体水质指标的基础上,运用Illumina高通量测序技术对景观水体中的nirS型反硝化细菌种群结构和多样性进行诊断,以期探明景观微污染水体水质与反硝化细菌种群结构多样性的偶联机制.结果表明,丰庆公园和劳动公园水体属于劣V类水,而曲江池、木塔寺生态遗址公园、新纪元公园水体符合V类水质标准,永阳公园水体符合Ⅳ类水标准.总氮从1.21~6.50 mg·L~(-1)(P0.05),永阳公园水体总氮最低,丰庆公园最高.劳动公园水体总磷含量最高,为0.10 mg·L~(-1),曲江池总磷最低,为0.02 mg·L~(-1)(P0.05).劳动公园水体氨氮为曲江池和丰庆公园的4.44倍(P0.01).Illumina高通量测序结果表明6个景观水体中nirS型反硝化细菌优势种属差异显著,副球菌属(Paracoccus sp.)、假单胞菌属(Pseudomonas sp.)、红长命菌属(Rubrivivax sp.)为优势菌群.主成分分析(PCA)表明来自新纪元公园和木塔寺公园水体的nirS型反硝化细菌种群结构主要受水体NH_4~+-N和高锰酸盐指数含量的调控,而NO_3~--N、NO_2~--N、TN、TP和DO对劳动公园和丰庆公园水体的nirS型反硝化细菌的种群结构影响显著;水体pH对永阳公园的nir S型反硝化细菌的种群结构影响显著.结果表明,西安市典型景观水体nir S型反硝化细菌的种群结构受不同水质指标的综合调控.     

汾河下游水体nirS型反硝化细菌群落组成与无机氮关系

为了探明汾河下游水体中nir S型反硝化细菌群落结构组成及其与无机氮的相互影响关系,在分析河流9个水样水质指标的基础上,运用Illumina高通量测序技术对水样中的nir S型反硝化细菌群落结构和多样性进行诊断,并进行统计分析,解析水体nir S型反硝化细菌群落与无机氮之间的关系.结果表明,汾河下游无机氮污染严重,整体水质为Ⅴ类水标准.Shannon指数变化范围为3. 36～7. 54,说明该流域反硝化细菌群落多样性较高;水体中主导菌属相对丰度占总群落的89. 8%,分别为红细菌属Rhodobacter、假单胞菌属Pseudomonas和陶厄氏菌属Thauera; DO、p H值及无机氮含量是影响汾河下游水体反硝化细菌群落的主要因素;优势菌属红细菌属Rhodobacter、陶厄氏菌属Thauera与NO_3~--N、NO_2~--N呈负相关,与NH_4~+-N呈正相关,稷山、河津和入黄口这3处的主要菌属假单胞菌属Pseudomomas与NO_3~--N、NO_2~--N呈负相关,与NH_4~+-N呈正相关.汾河下游水体中nir S型反硝化细菌中的主要菌属促进了反硝化作用,对降低水体中硝态氮的含量有一定的影响.     

湖库沉积物好氧反硝化菌群脱氮特性及种群结构

好氧反硝化菌是水环境生物修复的热点研究领域,本研究从西安市金盆水库、兴庆公园和长乐公园采集沉积物,在运用传统的间歇曝气富集和选择培养基筛选好氧反硝化菌的基础上,引入超声波预处理沉积物-水悬液,成功筛选出3组高效好氧反硝化菌群H-30、X-10和C-30,并对其反硝化能力进行研究.结果表明,该3组混合好氧反硝化菌群具有高效的脱氮能力,在溶解氧为(7.2±0.6)mg·L-1的培养基中,好氧反硝化菌群H-30、X-10和C-30总氮(TN)去除率分别达到83.04%,83.40%和82.68%,仅有少量亚硝氮(NO-2-N)积累.Illumina高通量DNA测序结果表明,3组nir S型好氧反硝化优势混合菌群种群结构差异显著,H-30,X-10和C-30菌群的优势菌种分别是枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis),Paracoccus pantotrophus和斯氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri),其中斯氏假单胞菌(P.stutzeri)在H-30、X-10菌群中所占比例差异不显著,Pseudomonas xiamenensis仅存在于H-30.本研究筛选的3组高效好氧反硝化菌群将为城市内湖污染水体的微生物修复工程提供菌源保障.     

高原湖泊沉积物中反硝化微生物的群落特征——以包头南海湖为例

为了探明内蒙古高原富营养化城市湖泊中nirS型反硝化细菌群落结构的特异性,利用特异性功能基因nirS对包头市南海湖的表层沉积物进行反硝化细菌多样性测定,在分析各采样点沉积物理化指标的基础上,对各样品中nirS型反硝化细菌群落和多样性进行研究.结果表明,南海湖沉积物Shannon指数变化为3.07~3.41,相比于其他研究,反硝化微生物多样性相对较低.参与反硝化的优势菌属与大多数湖泊保持一致,以假单胞菌属（Pseudomonas）和红杆菌属（Rhodobacter）为主.冗余分析（RDA）指出,城市湖泊中的各种类型的污染物对反硝化优势菌属有明显的促进作用,红杆菌属（Rhodobacter）与硝酸盐氮、亚硝酸盐氮呈正相关,假单胞菌属（Pseudomonas）除受硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的影响外,还与总磷呈较强的正相关.南海湖nirS型反硝化细菌中的主要菌属促进了反硝化作用,加速了南海湖氮素的去除.     

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.     

雄安新区-白洋淀冬季冰封期水体好氧反硝化菌群落空间分布特征及驱动因素

为了定向精准地完成适于白洋淀低温期水体水质的好氧反硝化菌的筛选和分离,本文结合水质调查和好氧反硝化功能基因(napA)高通量测序技术,进行了水体水质、微生物群落α多样性、β多样性分析以及微生物网络分析.结果表明,该时期白洋淀不同采样点的水体水质存在显著差异,入淀河口区的氮素最高;各采样点α多样性存在显著差异(P0.05),藻苲淀(ZZD)和瀑河(BH)的菌群丰富度和多样性最低;与此同时,该时期水体的OTU主要属于变形菌门(Protebacteria)中的α-Proteobacteria纲、β-Proteobacteria纲和γ-Proteobacteria纲;韦恩图分析(Venn)表明各采样点水体好氧反硝化菌群组成存在明显差异;膨胀因子分析(VIF)和RDA分析显示,温度、溶解氧、氨氮、硝氮、溶解性总磷以及氧化还原电位是影响菌群组成的主要环境因子;网络分析表明,该时期微生物网络中物种间以共生关系为主;Mantel test分析得出温度、氧化还原电位、硝氮、氨氮、溶解性总磷以及铁锰是影响模块群落结构演变的关键环境因子.综上可知,基于好氧反硝化功能基因(napA)进行高通量测序来研究白洋淀冬季冰封期水体好氧反硝化菌群落特征和环境驱动因素可行,为实现适于该时期水体水质的好氧反硝化菌"定向-精准-高效"的筛选提供技术支撑.     

好/厌氧条件下反硝化细菌脱氮特性与功能基因

从西安市金盆水库沉积物中分离筛选出1株高效反硝化细菌,经形态学观察和16S r DNA测序鉴定为施氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri),命名为KK99.探究了该菌株在好/厌氧条件下的脱氮特性以及nar G、nir S和nos Z功能基因的表达水平.结果表明,KK99菌株在好/厌氧条件下,均能进行反硝化作用,且在两种不同的条件下均具有高效的脱氮效率.经过24h的培养,其总氮(TN)去除率分别为85.08%和89.05%.胞内功能基因nos Z和nir S的表达量较高,nos Z在好氧条件下的反硝化发挥主要作用,nir S在厌氧条件下的反硝化发挥主要作用,nar G在两种条件下的表达均较低.同时该菌株还具有同步硝化反硝化性能,在好氧条件下,能同时去除硝酸盐氮和氨氮,24 h时,TN去除率为76%.施氏假单胞菌(P.stutzeri KK99)将为微污染水体富营养化控制和总氮削减工程应用提供菌源保障.     

微囊藻水华对水体中氮转化及微生物的影响

氮是水生态系统初级生产力的限制性生源要素,认识水体中氮的转化特征有利于调控和削减水体中过量的氮,对维持水生态健康十分重要.氨氧化细菌、氨氧化古菌以及反硝化细菌在氮循环中发挥关键作用.通过在室内构建微宇宙模拟蓝藻水华的重复暴发,发现在蓝藻水华暴发和衰亡短期内,TN、氨氮、TOC浓度快速升高和DO急剧降低,但后期逐渐得到恢复,且水体中的TN在高浓度藻存在下迅速降低.在蓝藻水华暴发和衰亡过程中,太湖水体中氨氧化菌演化为AOB占优势,氨氧化功能活性逐渐恢复,有利于水体中氨氮的去除.蓝藻水华暴发促进太湖水体中含nir S和nir K基因反硝化菌的数量增加至起始的100倍左右,从而促进水体中总氮的去除.     

李家河水库春季分层期nirS型反硝化菌群特征分析

为探究水源水库春季分层期（3～5月）nirS型反硝化细菌群落结构组成及其与水质的关系,以李家河水库为例,采用原位监测耦合Illumina高通量测序技术,分析了水体水质及反硝化细菌群落相对丰度及结构特征.结果表明:（1）通过高通量测序,鉴定为4门13属,优势菌门为变形菌门（Proteobacteria）,相对丰度在52.5%～70.6%,时间尺度总体呈降低趋势（P<0.05）,空间尺度上表层和中层高于底层（P<0.05）,表层与中层无差异（P>0.05）;识别出具有反硝化功能细菌8属,其中优势菌属（相对丰度>1%）为脱氯单胞菌属（Dechloromonas）和假单胞菌属（Pseudomonas）,脱氯单胞菌属相对丰度在时间上呈先降低后升高的趋势,假单胞菌属在时间上呈先升高后降低的趋势,此2属在空间上无差异（P>0.05）;细菌多样性及丰富度变化基本一致,时间上呈先升高后减低的趋势,空间上随深度逐渐升高;（2）本研究期间水库水体ρ（总氮）为2.35～2.91 mg·L^-1,氮素污染较为严重,3月和4月垂向水体总氮基本一致且呈降低趋势,5月...     

CEM-UF组合膜-硝化/反硝化系统处理低C/N废水及种群结构分析

本研究采用具有氨氮富集分离特性的阳离子交换膜-超滤(CEM-UF)组合膜与硝化/反硝化结合处理低C/N废水,考察该系统不同流量比下低C/N废水的硝化、反硝化脱氮特性,并通过对硝化、反硝化活性污泥进行16Sr DNA高通量测序,分析功能微生物群落结构特征.结果表明,系统进水TN为60 mg·L-1,COD/TN为2.65下,各流量比下硝化均有较好效果,平均氨氮去除率为98.7%,流量比值由1∶2上升到1∶6过程中,反硝化m(COD)/m(NO-3-N)随之升高,1∶6时平均硝氮去除率达到最高,为86.28%,系统总氮去除率由22.56%上升到46.8%.Illumina高通量测序结果表明,硝化污泥中可以固氮的Proteobacteria菌门占30.9%,重要的亚硝酸盐氧化菌Nitrospirae菌门占3.06%,属水平上检测到氨氧化菌(AOB)Nitrosomonas和Nitrosospira,亚硝酸盐氧化菌(NOB)Nitrospira和Nitrobacter,AOB与NOB菌比例较高,与硝化反应器中较好的硝化效果相一致.反硝化污泥中Proteobacteria菌门占主导地位(53.13%),其次是Bacteroidetes菌门(10.93%),在属的水平上检测到Dechloromonas、Thauera、Castellaniella、Alicycliphilus、Azospira、Comamonas、Caldilinea和Saccharibacteria多种具有反硝化脱氮作用的相关菌属,反硝化菌所占比例为25.91%,反硝化污泥中具有反硝化功能的微生物丰富,反硝化效果良好.     

青藏高原高寒湿地春夏两季根际与非根际土壤反硝化速率及nirS型反硝化细菌群落特征分析

反硝化是生态系统氮循环的关键过程.目前对于生态系统氮排放及反硝化细菌群落的研究大多基于人为影响显著的环境,对于人为干扰较低的自然生态系统的研究较少.本研究选取青藏高原黄河源区不同海拔（唐克、久治、玛多和达日）不同季节（春季和夏季）的高寒湿地植物根际与非根际土壤作为研究对象,采用¹⁵N同位素标记法测定反硝化速率,高通量测序技术测定nirS反硝化细菌群落组成及相对丰度,并探究环境因子（气温、海拔）和土壤理化性质（pH、土壤有机碳、铵态氮、硝态氮和亚硝态氮）对nirS型反硝化细菌群落的影响.结果表明,高寒湿地土壤反硝化速率范围为0.80~14.98 nmol·（g·h）^-1,对总N₂释放的贡献率为11.23%~71.16%.唐克、久治和达日的土壤样品,均呈现出根际土壤反硝化速率高于非根际的趋势（P<0.05）.Proteobacteria是青藏高原高寒湿地植物根际和非根际土壤中主要的反硝化细菌门;在属水平上,各土壤样本中相对丰度最高的是一种未分类的变形杆菌（unclassified Proteobacteria,2.86%~29.41%）,这表明主导青藏高原高寒湿地反硝化作用的可能有一些独特的未被鉴定的反硝化菌属,相对丰度其次为假单胞菌属（Pseudomonas,2.45%~26.52%）和贪铜菌属（Cupriavidus,0%~34.14%）.基于距离的冗余分析结果表明,高寒湿地的反硝化细菌群落结构主要受到海拔、pH、NO₂^-含量影响（P<0.05）;相关分析表明反硝化速率和Shannon指数与pH呈显著负相关（P<0.05）,且主要反硝化菌群相对丰度受到温度和pH的影响.本研究结果可为进一步了解青藏高原高寒湿地这一特殊生境中的氮循环提供参考依据.     

NUA-DAS生态滤池脱氮效果与反硝化菌特征研究

构建小型酸中和残渣(neutralized-used acid residue,NUA)和脱水铝污泥(dewatered alum sludge,DAS)联合生态滤池,研究了NUA-DAS生态滤池的脱氮效果和反硝化菌特征.系统运行稳定后,装置总出水中COD、TN、NO_3~--N的平均去除率达到60%、70%和95%,出水中NO_3~--N的浓度范围只有0.02~0.55 mg·L~(-1).采用PCR-DGGE分子生物学技术检测系统运行30d和60d各滤料层中含3类基因(nirS、nirK和nosZ)的反硝化菌群落特征,包括丰富度及相似度.结果表明,系统运行30 d和60 d里,nirS、nirK和nosZ基因反硝化菌丰富度均有明显增加,且处在各个滤料层中的反硝化菌丰富度基本相同.NUA和DAS滤料中检测出3类基因丰富度指数大小均为nosZnirKnirS.运行时间对反硝化菌的群落结构影响并不明显,但空间位置有一定影响.反硝化菌在NUA中的适应能力优于DAS,3类基因中nirK基因对滤料环境的适应能力最强.     

咸水滴灌对棉田土壤N2O排放和反硝化细菌群落结构的影响

淡水资源短缺是干旱区农业可持续发展所面临的严峻问题,合理利用咸水灌溉是缓解淡水资源不足的重要手段.长期咸水灌溉会导致土壤盐分积累,进而影响氮素的转化和N_2O的排放.本研究通过10 a咸水灌溉试验,探究咸水灌溉对棉田土壤N_2O排放、反硝化细菌丰度和群落结构组成的影响.试验采用灌溉水盐度和施氮量两因子2×2随机区组设计,其中灌溉水盐度(以电导率表示)设置2个水平:0.35 dS·m~(-1)和8.04 dS·m~(-1),施氮量设2个水平:0 kg·hm~(-2)和360 kg·hm~(-2)(分别用SFN0、SHN0、SFN360和SHN360表示).结果表明,长期咸水滴灌棉田土壤盐分、含水量和NH~+_4-N含量显著增加,pH值、NO~-_3-N、有机质和全氮含量显著降低.咸水灌溉处理显著抑制N_2O排放,不施氮肥和施氮肥处理下分别较淡水灌溉降低45.19%和43.50%.氮肥施用显著增加N_2O排放,施肥处理N_2O排放较不施肥处理增加161%.不施肥条件下,咸水灌溉显著降低反硝化酶活性、nirK、nirS和nosZ基因丰度,α多样性.施肥条件下,咸水灌溉对nosZ型反硝化细菌的丰度无显著影响,但显著降低反硝化酶活性和nirK、nirS基因丰度.咸水灌溉和氮肥施用共同改变nirK、nirS和nosZ型反硝化细菌群落结构,灌溉水盐度对于反硝化细菌群落结构的影响要大于施肥.Lefse分析显示nirK、nirS和nsoZ型反硝化细菌差异物种随着灌溉水盐度的增加而增加,咸水灌溉显著改变反硝化细菌群落结构,导致优势种群数量增加.上述结果表明,长期咸水灌溉降低土壤N_2O排放,但会导致土壤盐分的持续上升,nosZ、nirK和nirS丰度的增加会促进N_2O排放.     

化肥和有机肥配施生物炭对根际土壤反硝化势和反硝化细菌群落的影响

为明确化肥和有机肥配施生物炭对根际土壤反硝化细菌和反硝化势的影响,以柠檬根际土为研究对象,设置不施肥(CK)、化肥(CF)、有机肥(M)、化肥配施生物炭(CFBC)和有机肥配施生物炭(MBC)等5个处理,通过测定根际nirS型、nirK型和nosZ型反硝化菌群落特征、反硝化势和土壤环境因子,明确化肥和有机肥配施生物炭对根际反硝化作用的影响.结果表明,与CK相比,CF处理显著降低根际土壤反硝化势47.7%,M和MBC处理分别显著增加反硝化势的2 192.7%和1 989.9%; M和MBC处理显著增加nirS型和nosZ型反硝化菌的基因拷贝数,CF和CFBC处理显著降低nirS型和nosZ型反硝化菌基因拷贝数,而4个施肥处理均显著增加nirK型反硝化菌基因拷贝数.逐步回归分析结果表明：pH是nirS型反硝化菌丰度的主要影响因子,有机质(SOM)和铵态氮(NH⁺₄-N)是nirK型反硝化菌的主要影响因子,pH、硝态氮(NO^-₃-N)和氮磷比(N/P)则是nosZ型反硝化菌的主要影响因子.偏最小二乘法分析...     

不同碳源下硫还原地杆菌对反硝化过程的影响机制探讨

硝酸盐是废水中常见的污染物,其具有较高的氧化还原电位,在水中的去除主要依靠微生物的反硝化作用.目前的初步研究表明,电活性细菌能够和反硝化细菌通过互营生长加速反硝化过程.为探究在不同外加碳源下电活性细菌对反硝化过程的影响,选取不能够利用硝态氮作为电子受体的模式电活性细菌硫还原地杆菌(G.sulfurreducens PCA)与不同碳源(乙醇、丙酸或葡萄糖)驯化得到的反硝化细菌进行共培养.结果表明,改变碳源为乙酸盐后,不同体系中硝态氮的去除效率达到了94%.碳源的改变造成了不同程度的反硝化滞后现象,在当以乙醇为外加碳源时,G.sulfurreducens PCA的加入能够将迟滞时间缩短3 h,其反硝化速率可达到186 g·m~(-3)·d~(-1),同时产生的亚硝氮含量也相对最低.但以葡萄糖作为反硝化外加碳源时,迟滞时间最短,但加入G.sulfurreducens PCA后会延长反硝化所需的时间,这可能是与反硝化细菌同G.sulfurreducens PCA竞争体系中的乙酸盐碳源有关.分析微生物群落结构变化发现,G.sulfurreducens PCA的加入提高了反硝化细菌的相对丰度,使其能够适应因碳源改变而产生的对反硝化细菌的生长抑制现象.     

城市河道沉积物中残留医用抗生素对反硝化潜势的抑制作用及机制

研究了南明河贵阳城区段中沉积物的5种残留医用抗生素对沉积物反硝化潜势的影响,并采用荧光定量PCR及高通量测序方法检测了5种反硝化过程中的关键功能基因丰度以及编码nirS基因的细菌群落结构,探讨了抗生素残留影响反硝化潜势的微生物学机制.结果表明,南明河沉积物中5种目标抗生素中,诺氟沙星(norfloxacin,NFX)的浓度最高((537.13±212.69) ng·g~(-1)),并且对沉积物中反硝化潜势有显著抑制效果(p0.05).进一步分析表明,NFX对反硝化潜势的抑制作用主要是通过抑制编码nirS细菌主导的亚硝酸盐还原阶段而实现的.本研究揭示了城市河道沉积物中的残留抗生素可能会削弱河道的反硝化脱氮能力从而加重河流氮污染状况,为评估抗生素污染的微生态效应提供了依据.     

凤眼莲对富营养化水体中氨氧化和反硝化微生物的影响

凤眼莲近年来广泛应用于富营养化淡水湖泊的生态修复中,但其对微生物的相互作用和对水体中氮素的去除鲜有报道.本研究在氮素去除过程中对比凤眼莲和细菌的相对重要性,并且检测浮游植物对硝化细菌和反硝化细菌相对丰度及多样性的影响.水体中氮素的去除率以及硝化和反硝化作用的潜在能力使用定量聚合酶链式反应(qPCRs)对硝化作用基因amoA和反硝化作用基因nirS/K进行检测,从微观角度研究富营养化水体中是否会受到凤眼莲存在的影响.结果表明,TN的减少在70d的实验周期中所有处理组表现较为一致,但凤眼莲存在的实验组在24h内TN和NH_4~+-N的去除上有显著的降低,并且amoA的丰度有所增加,nirS/K的丰度有所降低.T-RFLP结果表明亚硝化单胞菌在氨氧化微生物中占优势.凤眼莲的种植可以实现富营养化水体中NH_4~+-N的快速有效减少,且微生物的相互作用可以充分利用到淡水生态系统的修复中.