三亚河红树林表层沉积物中好氧氨氧化微生物的分布特征及潜在硝化速率

氨氧化过程是硝化作用的限速步骤,氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB)和氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)是氨氧化作用的主要驱动者,其分布特征及其对硝化作用的相对贡献是氮素循环的研究热点.采用实时荧光定量PCR技术研究了三亚河红树林表层沉积物中好氧氨氧化微生物的分布特征,并通过测定潜在硝化速率分析了AOB和AOA对硝化作用的相对贡献率.结果表明,多数采样点中,AOA amoA基因丰度高于AOB amoA基因丰度; AOB丰度冬季较高,AOA丰度夏季较高,且冬季AOA和AOB丰度的比值较低;溶解氧、pH、总有机碳和硝态氮对AOB和AOA丰度影响较大; AOB和AOA在夏季的潜在硝化速率均高于冬季,冬季AOA对硝化作用的相对贡献率较高而夏季则是AOB在硝化作用中占主导地位,AOB和AOA的潜在硝化速率与amoA基因丰度均不存在显著相关性.     

两个CANON污水处理系统中氨氧化古菌的丰度和多样性研究

近期,氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)在各类环境中的发现,打破了人们原来认为氨氧化主要是由氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)完成的观点.但是在全程自养脱氮(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite,CANON)污水处理系统中关于AOA的研究却鲜有提及.利用PCR、克隆、实时荧光定量PCR(quantitative real time PCR,q PCR)等分子生物学技术,对1个小试(lab-scale,L)和1个中试(pilot-scale,P)CANON系统中的生物膜和活性污泥絮体两种形态的污泥进行AOA数量和种属特征的研究.结果表明:1系统L和P中,AOA的amo A基因数量平均值(以dry sludge计)分别为2.42×106copies·g-1和6.51×106copies·g-1;2 AOA的amo A基因丰度随污泥形态不同数量相差很大:L系统中,生物膜AOA amo A丰度约为活性污泥絮体的11.1~15.1倍;P系统中,污泥絮体AOA amo A数量是生物膜中的2.8倍;3多样性方面:P系统的AOA多样性较低,仅出现一个OTU,该OTU属于Nitrosopumilus subcluster 5.2类群;L系统AOA多样性较高,共有8个OTU出现,分别属于Nitrososphaera subcluster 9、subcluster 8.1、subcluster 4.1、subcluster 1.1和Nitrosopumilus subcluster 5.2这5个类群.总之,在同一个CANON系统中,污泥形态不同,AOA的丰度和群落结构相差较大;AOA可能发挥着氨氧化的作用.     

双氰胺对冬闲稻田和油菜地N2O排放的影响

冬季的温室气体排放往往被忽视,而最新的研究结果表明,冬闲稻田和冬季油菜地N_2O排放仍较大,研究相应的减排措施及减排机制对于减少农田土壤N_2O排放有重要意义.在中国科学院桃源农业生态试验站选择冬闲稻田和油菜地两种不同土地利用方式,并设置添加和不添加双氰胺(DCD)处理,采用静态箱采集和气相色谱法结合监测N_2O排放动态,利用分子生物学手段分析氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的群落结构和丰度变化.结果表明,添加DCD后明显抑制了冬闲稻田和油菜地N_2O排放,分别减少了36.7%和23.6%.DCD施入抑制了冬闲稻田AOA和AOB的丰度但只改变AOA的群落结构,DCD使AOA和AOB丰度分别减少了59.3%和73.7%.与此相反,添加DCD只改变油菜地AOB的群落结构同时只抑制了AOB的丰度.本研究表明,施加DCD能有效减少冬闲稻田和冬季油菜地N_2O排放,但减排机制不一致.     

短程硝化过程中NO-2-N高效富集的工艺条件实验研究

针对厌氧氨氧化工艺需要提供充足的亚硝酸盐氮为电子受体的问题，利用培养基对SBR中具有一定短程硝化功能的污泥进行富集培养，得到氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的数量之比为104︰1，并研究了工艺条件对短程硝化的影响，结果表明，适合氨氧化菌生长的最佳温度为30℃、pH为7.5、nHCO^-₃/nNH⁺₄-N值为1。以适合氨氧化菌生长的最佳环境条件优化SBR，在进水氨氮浓度为250 mg/L时，氨氮的转化率达到90％以上，亚硝酸盐氮积累率维持在85％以上，反应器中氨氧化菌与亚硝酸盐氧化菌的数量之比为10³∶1，亚硝酸盐的高效积累为厌氧氨氧化工艺处理高氨废水的过程提供了稳定的电子受体。     

七星河湿地氨氧化古菌多样性和丰度及其与环境因子的相关性分析

以典型东北寒温带沼泽湿地——七星河湿地中芦苇和小叶樟植被下不同深度土壤中氨氧化古菌(Ammonia-Oxidizing Archaea,AOA)为研究对象,以编码氨氧化作用关键酶——氨单加氧酶(AMO)的amo A基因为分子标记,通过构建克隆文库和生物信息学方法分析数据,考察了不同植被环境中AOA多样性和丰度的垂直分布规律,及其与环境因子的相关性.研究结果表明,小叶樟植被土壤中AOA amo A基因多样性显著高于芦苇植被土壤中amo A基因多样性,芦苇植被土壤中AOA amo A基因多样性在深度为40~60 cm土层中最高,AOA多样性与NH+4-N、NO-3-N含量呈正相关;小叶樟植被土壤中AOA amo A基因多样性在深度为20~40 cm土层中最高,AOA多样性与NH+4-N、NO-3-N含量呈正相关.芦苇植被土壤中AOA丰度最低值出现于0~20 cm土层中,到20~40 cm土层中出现最高值,随着深度增加AOA丰度下降,AOA丰度则与NO-2-N含量呈正相关.小叶樟植被土壤中AOA丰度变化趋势与芦苇不同,最高值出现于0~20 cm土层中,随着土层深度增加AOA丰度下降,到40~60 cm出现最低值,AOA丰度与NO-2-N、TOC含量呈正相关.两种植被土壤中AOA丰度均在60~90 cm处有升高趋势.芦苇植被土壤中AOA丰度约是小叶樟植被土壤中AOA丰度的1.49倍.以上结果为湿地AOA生态功能及分布模式的研究提供基础数据,对全球氮循环的研究提供补充.     

菜地氨氧化微生物驱动的N2O和NO对有机无机肥配施的响应

氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）是驱动土壤氨氧化过程的"引擎".氨氧化过程在土壤氧化亚氮（N₂O）和一氧化氮（NO）排放过程中扮演着重要角色.有机无机肥配施是实现化肥零增长和作物稳产增产的重要途径，但在有机无机肥配施下，菜地土壤AOB和AOA对氨氧化过程的相对贡献仍不清楚.本研究采用选择性抑制的方法（辛炔和乙炔）区分有机肥添加近3年后（2016年10月—2019年5月）AOB和AOA在氨氧化过程中对碱性菜地土壤N₂O和NO产生的相对贡献.试验共设5种施肥处理：不施氮肥（CK）、单施尿素（N）、单施有机肥（M）、50%尿素+50%有机肥（M1N1）和80%尿素+20%有机肥（M1N4）.结果表明，有机无机肥配施（M1N1和M1N4）可显著增加土壤电导率、有机碳和全氮含量.培养试验发现，与N处理相比，M和M1N1处理分别使N₂O排放量增加100.7%和38.8%，NO排放量增加77.9%和42.8%，AOB基因丰度增加16.6%和10.2%，同时，AOB对N₂O排放的相对贡献增加6.5%.相反，M1N4处理分别使N₂O和NO排放量降低19.3%和4.8%，AOB基因丰度降低37.5%，同时，AOB对N₂O及NO排放的相对贡献分别降低7.8%和7.4%.相关分析表明，土壤N₂O和NO累积排放量与土壤AOB基因丰度呈显著正相关（p<0.05），与土壤AOA基因丰度无显著相关性.有机无机肥配施下AOB是氨氧化过程的主要驱动者，适当比例的有机无机肥配施（即M1N4）措施可在一定程度上减弱AOB对碱性菜地土壤N₂O及NO排放的相对贡献.     

一组中温厌氧消化菌群高温启动过程中的菌群多样性变化研究

该研究利用37℃培养的中温厌氧消化菌群为菌源,直接提温至50℃驯化培养,获得连续处理高浓度糖蜜废水的厌氧消化产甲烷菌群,并考察高温驯化过程中菌群结构及多样性的变化特征.结果表明,中温厌氧消化菌群直接转入高温培养后,在高浓度有机废水连续进料的条件下,厌氧消化过程能够快速启动生成甲烷,并在22 d后形成稳定的高温厌氧消化产甲烷菌群,平均甲烷生成效率为162.3 m L CH_4/g COD.乙酸和丙酸是厌氧发酵液内的2类主要有机酸,产气稳定期间的质量浓度分别为25.3和145.3 mg·L~(-1).转入高温培养后,菌群结构产生巨大变化,细菌变异程度强于古菌,并逐渐稳定成为以代谢糖、多种有机酸的细菌和产甲烷古菌为主要优势菌群的高温厌氧消化菌群.克隆结果显示细菌菌群以Thermacetogenium和Acetomicrobium faecal为主要优势菌群,分别占细菌克隆文库的33.44%和20.99%;古菌菌群以Methanosaeta和Methanoculleus为主要优势菌群,占古菌克隆文库的56.40%和39.75%.转入高温培养后,产甲烷古菌的总生物量下降,含量约为7.6×106拷贝/g活性污泥.研究结果对阐明温度选择压力对厌氧消化菌群结构与功能影响,改进高温厌氧消化菌群富集方法具有重要意义.     

Microprofiles of activated sludge aggregates using microelectrodes in completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON) reactor

Microsensor measurements and fluorescence in situ hybridization (FISH) analysis were combined to investigate the microbial populations and activities in a laboratory-scale sequencing batch reactor (SBR) for completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON). Fed with synthetic wastewater rich in ammonia, the SBR removed 82.5±5.4% of influent nitrogen and a maximum nitrogen-removal rate of 0.52 kgN·m⁻³·d⁻¹ was achieved. The FISH analysis revealed that aerobic ammonium-oxidizing bacteria (AerAOB) Nitrosomonas and anaerobic ammonium-oxidizing bacteria (AnAOB) dominated the community. To quantify the microbial activities inside the sludge aggregates, microprofiles were measured using pH, dissolved oxygen (DO), NH4+, NO2− and NO3− microelectrodes. In the outer layer of sludge aggregates (0–700 μm), nitrite-oxidizing bacteria (NOB) showed high activity with 4.1 μmol·cm⁻³·h⁻¹ of maximum nitrate production rate under the condition of DO concentration higher than 3.3 mg·L⁻¹. Maximum AerAOB activity was detected in the middle layer (depths around 1700 μm) where DO concentration was 1.1 mg·L⁻¹. In the inner layer (2200–3500 μm), where DO concentration was below 0.9 mg·L⁻¹, AnAOB activity was detected. We thus showed that information obtained from microscopic views can be helpful in optimizing the SBR performance.     

湖泊沉积物中氨氧化微生物的amoA基因数量

采用定量PCR方法测定了4个湖泊沉积物中氨氧化微生物的amoA基因数量,并分析了其与环境因子之间的关系. 结果表明:小南湖AOA(氨氧化古菌)和AOB(氨氧化细菌)的amoA基因数量最多,分别达2.1×104和2.8×103copies/g(以干质量计,下同);梁子湖仅检测到了AOA amoA基因的存在,平均值为4.9×103copies/g. 东湖和汤逊湖的AOA amoA基因数量比较接近,约为3.0×103copies/g,然而AOB的amoA基因数量在这2个湖泊中仅分别为37和86copies/g;在这些采样点中,AOA的amoA基因数量是AOB的3~278倍. 统计分析发现,随着湖泊营养水平和间隙水中ρ(NH₄+)的上升,AOA和AOB的amoA基因数量均呈增加趋势,但ρ(NH₄+)增加对AOB的促进作用要大于AOA,导致AOA和AOB的amoA基因数量比值与间隙水中ρ(NH₄+)呈显著负相关. pH上升对2类氨氧化微生物的抑制作用则与ρ(NH₄+)增加对它们的促进作用相反. 沉积物中amoA基因数量与间隙水中ρ(NO₂-)无显著相关性,但与ρ(NO₃-)呈显著正相关. 由于ρ(NH₄+)与ρ(DO)之间呈显著负相关,因此认为ρ(DO)与氨氧化微生物amoA基因数量之间的显著负相关可能更多的是对ρ(NH₄+)与氨氧化微生物amoA基因数量之间紧密关系的一种间接反应.