基于甲烷氧化菌的城镇污水厂尾水极限脱氮系统构建及机制

好氧甲烷耦合反硝化（AME-D）在城镇污水厂尾水深度脱氮方面具有巨大的应用潜力,研究采用改良型反硝化生物滤池,利用低浓度甲烷构建出AME-D极限脱氮系统.研究发现该系统在间歇式运行方式下,出水中总氮和氨氮的平均浓度能达到1.05 mg·L^-1和0.54 mg·L^-1,其平均去除率分别为94.77%和93.30%.拉曼光谱分析结果显示,由NO₃^-对称伸缩引起的峰明显消失,由醇COH面外弯曲或C—H面外弯曲振动吸收引起峰明显增强,甲烷被氧化形成的中间产物可能主要为醇类物质.16S rRNA基因测序结果表明,系统中的甲烷氧化菌主要为Methylocystis（0.27%）、Methylosarcina（0.10%）和Methyloparacoccus（0.12%）,反硝化菌主要为Pseudomonas（56.92%）、Paenibacillus（3.52%）和Lysinibacillus（3.00%）,硝化菌主要为Nitrospira（0.1%）,说明AME-D极限脱氮系统的脱氮功能是由好氧甲烷氧化菌、反硝化菌和硝化菌协同实现.     

Characterization of Methylocystis strain JTA1 isolated from aged refuse and its tolerance to chloroform

To accelerate the efficiency of methane biodegradation in landfills,a Gram-negative,rod-shaped,non-motile,non-spore-forming bacterium,JTA1,which can utilize methane as well as acetate,was isolated from the Laogang MSW landfills,Shanghai,China.Strain JTA1 was a member of genus Methylocystis on the basis of 16S rRNA and pmoA gene sequence similarity.The maximum specific cell growth rates(μmax=0.042 hr-1,R2=0.995) was derived through Boltzmann simulation,and the apparent half-saturation constants(Km(app)=7.08mmol/L,R2=0.982) was calculated according to Michaelis-Menton hyperbolic model,indicating that Methylocystis strain JTA1 had higher-affinity potential for methane oxidation than other reported methanotrophs.By way of adding the strain JTA1 culture,the methane consumption of aged refuse reached 115mL,almost two times of control experiment.In addition,high tolerance of Methylocystis strain JTA1 to chloroform could facilitate the methane oxidation of aged refuse bio-covers.At the chloroform concentration of 50mg/L,the methane-oxidation rate of bio-cover reached 0.114mL/(day·g),much higher than the highest rate,0.0135mL/(day·g),of reported bio-covers.In conclusion,strain JTA1 opens up a new possibility for environmental biotechnology,such as soil or landfills bioremediation and wastewater decontamination.     

Diversity of methanotrophs in Zoige wetland soils under both anaerobic and aerobic conditions

Zoige wetland is one of the most important methane emission centers in China. The oxidation of methane in the wetland a ects global warming, soil ecology and atmospheric chemistry. Despite their global significance, microorganisms that consume methane in Zoige wetland remain poorly characterized. In this study, we investigated methanotrophs diversity in soil samples from both anaerobic site and aerobic site in Zoige wetland using pmoA gene as a molecular marker. The cloning library was constructed according to the pmoA sequences detected. Four clusters of methanotrophs were detected. The phylogenetic tree showed that all four clusters detected were a liated to type I methanotrophs. Two novel clusters (cluster 1, cluster 2) were found to relate to none of the recognized genera of methanotrophs. These clusters have no cultured representatives and reveal an ecological adaptation of particular uncultured methanotrophs in Zoige wetland. Two clusters were belonging to Methylobacter and Methylococcus separately. Denaturing gradient gel electrophoresis gel bands pattern retrieved from these two samples revealed that the community compositions of anaerobic soil and aerobic soil were di erent from each other while anaerobic soil showed a higher metanotrophs diversity. Real-time PCR assays of the two samples demonstrated that aerobic soil sample in Zoige wetland was 1.5 times as much copy numbers as anaerobic soil. These data illustrated that methanotrophs are a group of microorganisms influence the methane consumption in Zoige wetland.     

内蒙古高原干涸湖泊反硝化及甲烷氧化细菌的群落分析

以内蒙古高原半干旱草原区干涸湖泊为研究对象,应用末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)技术对湿地土壤中的反硝化和甲烷氧化关联菌群的关键功能基因nosZ和pmoA进行了研究,根据末端限制性片段(T-RFs)分析了两种菌群的群落结构及多样性变化,以及环境因素所产生的影响,并探讨了土壤微生物群落对湖泊干涸的响应机制.结果表明:干涸湖泊的湖心、湖底土壤反硝化和甲烷氧化细菌多样性指数较高,群落结构较复杂;而较早干涸的湖坡以及相邻草原对照区,两个菌群多样性指数较低,群落结构相对单一.从湖心到相邻草原,反硝化和甲烷氧化细菌的群落相似度逐渐降低,显示两个菌群处于动态演替中.湖泊干涸过程中,水分含量和有机质含量对反硝化和甲烷氧化细菌的群落结构影响显著;高pH值和高铵态氮分别对反硝化和甲烷氧化细菌有抑制作用.随着湖泊干涸,土壤微生物群落因环境扰动而受到胁迫,这一过程会加剧CO2等温室气体的排放.     

水稻土甲烷氧化菌对镉胁迫的响应

重金属污染影响土壤微生物群落结构与活性,间接影响土壤碳（如CO2、CH4）的生物地球化学循环和全球气候变化。甲烷氧化菌氧化消耗CH4,降低大气中CH4含量,在缓解由温室气体导致的全球温暖化方面起着重要作用。本研究通过短期土壤培养实验,比较研究了不同强度重金属镉（Cd）胁迫下,水稻土中甲烷氧化菌的多度、群落组成及其氧化CH4潜势的差异。结果表明,添加Cd含量越大,水稻土氧化CH4潜势越弱,甲烷氧化菌pmoA基因拷贝数显著减少;甲烷氧化菌多度与水稻土氧化CH4潜势之间存在显著正相关关系（P〈0.001）。群落组成分析发现,在相对低含量Cd（1 mg.kg-1）条件下,有新的甲烷氧化菌菌属出现,而添加较高含量Cd（10 mg.kg-1）时甲烷氧化菌种类减少。总之,Cd胁迫降低水稻土中甲烷氧化菌多样性及其氧化CH4潜势,可能导致原位CH4消耗减少,从而增加稻田CH4排放。     

松嫩平原芦苇湿地退化与修复过程中土壤细菌和甲烷代谢微生物的群落结构

湿地是全球CH₄重要的源与汇.受人为活动和气候条件影响,我国湿地退化严重,相关部门近年来已逐步开展湿地生态修复的工作.为研究湿地退化与修复过程中细菌和甲烷代谢微生物群落结构的响应,以松嫩平原芦苇湿地为研究对象,采集原始未退化芦苇湿地土壤、退化的和正在修复的芦苇湿地土壤,采用基于细菌16S rRNA基因、产甲烷菌mcrA基因和甲烷氧化菌pmoA基因的高通量测序技术研究细菌和甲烷代谢微生物的多样性和群落组成.结果表明,芦苇湿地退化导致土壤细菌和产甲烷菌的α多样性降低,甲烷氧化菌的α多样性升高,而细菌和产甲烷菌的α多样性与土壤含水率呈显著正相关关系,含水率越高的湿地土壤产甲烷菌的多样性也越高.原始未退化芦苇湿地土壤中细菌Rhizobiales和产甲烷菌Methanobacteriaceae的相对丰度较高;湿地退化导致根际促生菌Rhizobiales的相对丰度下降,致病菌Burkholderiaceae、耐污染细菌Sphingomonas、抗辐射细菌Rubrobacter以及Type Ⅰ型耐受极端环境的甲烷好氧氧化菌Methylobacter、Methylomonas和Methylococcus的相对丰度上升;正在修复的芦苇湿地土壤中细菌Bacillus和产甲烷菌Methanosarcinaceae、Methanomicrobiaceae以及Type Ⅱ型甲烷好氧氧化菌Methylocystis的相对丰度较高.因此,不同的芦苇湿地状态可以间接改变土壤性状进而改变湿地甲烷代谢菌群落结构.     

13C-PLFA分析方法及其在土壤微生物研究中的应用

磷脂脂肪酸（PLFA）是重要的生物标志物之一,能够提供有关微生物群落结构的信息。将PLFA分析与稳定性同位素¹³C示踪技术结合（¹³C-PLFA）,可以指示微生物群落对于环境变化的响应及微生物群落间的相互作用。该技术在土壤生态系统的研究中已得到广泛应用。本文主要基于¹³C-PLFA技术的研究现状,介绍了该技术的原理和分析方法,举例阐述了¹³C-PLFA技术在土壤微生物生态学中的应用,包括植物-土壤系统中碳的微生物利用、外源碳的微生物利用、污染物的微生物降解以及在甲烷氧化菌等特定微生物群体的应用。同时分析了¹³C-PLFA技术在应用中的优缺点,并展望了其未来应用。     

长期不同施肥对暗棕壤甲烷氧化菌群落特征与功能的影响

不同施肥方式对我国旱地农田土壤甲烷氧化影响的微生物机制尚不明确.本研究利用PCR-DGGE和实时荧光定量PCR技术,结合甲烷氧化速率和土壤性质测定,探索了长期不同施肥条件下暗棕壤的"土壤性质-甲烷氧化菌群落特征-土壤甲烷氧化速率"关系.结果表明,有机肥和无机肥配施处理显著降低了土壤甲烷氧化速率,降幅为61.2%,而单独施用有机肥或无机肥对暗棕壤甲烷氧化速率的影响不显著;与对照相比,有机肥处理土壤甲烷氧化菌多样性指数增加91.9%,有机肥和无机肥配施处理增加102.5%,而单施无机肥后土壤甲烷氧化菌多样性指数变化不明显;有机肥处理土壤的pmoA基因丰度显著增加,平均pmoA基因丰度为不施用有机肥的12.7倍;土壤甲烷氧化速率与甲烷氧化菌的群落结构和比活性呈显著正相关,相关系数分别为0.363和0.684,但与甲烷氧化菌群落丰度和多样性不相关;甲烷氧化菌的群落结构和比活性与土壤pH值、全氮和有机质含量呈显著正相关.上述结果说明,长期不同施肥可以通过改变暗棕壤的pH值、全氮和有机质含量等土壤性质,改变甲烷氧化菌群落结构和比活性,进而影响土壤甲烷氧化速率;有机肥和无机肥配施土壤甲烷氧化菌多样性和丰度大幅度增加,而甲烷氧化速率却显著降低,说明有机肥和无机肥配施土壤中只有部分微生物发挥了甲烷氧化活性,但有待进一步研究.     

甲烷氧化菌在填埋场覆盖层的工程应用 (Ⅰ):分离与筛选

选取了湖泊底泥、矿化垃圾、覆盖土和好氧污泥4种填埋场周边易得基质为分离源,采用驯化、传代培养、甲烷氧化能力及适应性等方法进行了适合于填埋场覆盖层应用的甲烷氧化菌的筛选研究.结果表明,从好氧污泥中分离得到的甲烷氧化菌较其它分离源得到的甲烷氧化菌具有更高的甲烷氧化活性(2461.29μg·h-1·g-1,以每g干污泥每小时氧化的CH4量(μg)计,下同)和甲烷氧化速率增幅(1045.56μg·h-1·g-1,以每g干污泥每小时氧化的CH4量(μg)计,下同),接种后能显著提高覆盖材料的甲烷氧化能力(p0.05),且不受CH4浓度的抑制.源自好氧污泥的甲烷氧化菌具有生长迟滞期短、生长速率高等特点,对填埋场的甲烷削减更具适应性,有利于工程扩大应用.     

氮肥对土壤氧化大气甲烷影响的机制

综合评述了氮素对土壤氧化甲烷的抑制机制。包括 :( 1)竞争甲烷单氧化酶的竞争抑制机制 ,( 2 )代谢产物的毒害抑制机制 ,( 3)外源盐引起的微生物生理缺水抑制机制和 ( 4)氮素周转作用引起的抑制机制。提出了氧化菌竞争利用土壤空气有限O2 的竞争抑制机制 ,即氨氧化菌利用更多的土壤有限氧气→产生优势氨氧化菌→形成优势菌群→限制甲烷氧化菌繁殖和功能发挥的氨长期抑制土壤氧化大气甲烷的机制 ,并认为这种抑制作用是不可逆的