百乐克(BIOLAK)活性污泥宏基因组的生物多样性及功能分析

百乐克(BIOLAK)是一种在全球范围内得到成功推广的多级活性污泥工艺,然而,迄今对于百乐克工艺的核心元件——活性污泥的生物群落及其功能尚鲜见报道.以连云港市大浦工业区废水处理厂为例,借助于新一代高通量测序技术,获得百乐克活性污泥中大规模的宏基因组数据(428 588条高质量DNA序列).鉴定出47个门类、872个属及1 351个物种.细菌域(289 933条序列)中包含33个门,其中变形菌门Proteobacteria是生物量最丰富的门(62.54%),其次是拟杆菌门Bacteroidetes(11.29%)、硝化螺旋菌门Nitrospirae(5.65%)和浮霉菌门Planctomycetes(4.79%),显示这些生物类群在百乐克废水处理系统中发挥着关键作用.在748个细菌属中,硝化螺菌属Nitrospira(5.60%)最为丰富,为活性污泥氮循环过程中的关键菌群.其次为芽单胞菌属Gemmatimonas(2.45%),是生物除磷过程的重要菌属.在古菌域(1 019条序列)中鉴定出3个门及39个属.在真核域(1 055序列),鉴定出10个门及60个属,其中,纤毛虫门Ciliophora是最大的门(257条序列).同时,检测到448条病毒序列,主要为噬菌体.在百乐克活性污泥中,参与氮、芳香化合物和磷代谢的功能基因比例分别为2.50%、2.28%和1.56%,均高于美国和澳大利亚两个废水处理厂活性污泥中功能基因的比例.在氮代谢的4个过程中,反硝化相关基因所占比重最高,达到80.81%,其次是氨化(12.78%)、硝化(4.38%)和固氮(2.04%).总之,在百乐克活性污泥中蕴藏着惊人的生物多样性,同时,参与氮、芳香化合物和磷代谢的功能基因非常丰富.     

铁氮掺杂碳纳米管/纤维复合物制备及其催化氧还原的效果

阴极催化剂是影响微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)性能的关键因素.通过研究制备成本低廉、氧还原反应(ORR)催化活性高的阴极催化剂来替代Pt/C对于实现MFC规模化应用具有重大意义.研究采用化学气相沉淀法,以三聚氰胺作为碳氮前驱物、以黑珍珠2000或乙炔炭黑作为碳源,外加醋酸亚铁作为铁前驱物,合成了两种铁氮掺杂碳纳米管/纤维复合物(FeNCB和FeNCC),作为MFC的阴极催化剂.通过循环伏安法和旋转圆盘-环电极分析FeNCB、FeNCC和Pt/C的ORR催化活性的差异,并用MFC验证其差异.结果表明,FeNCB性能与Pt/C相当,优于FeNCC,其催化路径是通过4电子途径催化氧还原反应;MFC-FeNCB性能略优于MFC-Pt/C,显著优于MFC-FeNCB有助于MFC的扩大化,其最大功率密度为1 212.8mW·m~(-2),开路电压为0.875 V,电池稳定电压为(0.500±0.025)V.用X射线衍射、X射线光电子光谱、拉曼光谱等进一步分析显示,复合物中碳纳米管管径的大小、铁氮掺杂的类型和含量以及氧含量是引起制备的复合物催化氧还原性能差异的原因所在.     

低DO下AGS-SBR处理低COD/N生活污水长期运行特征及种群分析

本研究在序批式活性污泥反应器(SBR)中接种好氧颗粒污泥(AGS),构成AGS-SBR系统,研究其在低DO(0.5~1.0mg·L~(-1))条件下,处理低COD/N比(4.0)生活污水同步脱氮除磷的长期稳定运行特性,并解析反应器的主要菌群构成.结果表明,在反应器运行的180d里,AGS-SBR系统表现出了良好且稳定的除污能力,反应器对水体中COD、NH~+_4-N、TN和TP平均去除率分别达到87.17%、95.21%、77.05%和91.11%.好氧颗粒污泥沉降性能一直很好,污泥始终保持着完整的颗粒外观和密实紧凑的结构,并没有出现明显的颗粒污泥解体的现象.同时,高通量测序结果表明,变形菌门、厚壁菌门、绿菌门、绿弯菌门和拟杆菌门为SBR-AGS反应器中主要优势菌群.Denitratisoma、Planctomycetaceae、Thauera、Comamonas、Nitrosomonas和Nitrospira是反应器中与脱氮有关菌群;Clostridium和Anaerolinea是除磷相关细菌.     

海水异养硝化-好氧反硝化芽孢杆菌SLWX2的筛选及脱氮特性

从分离自刺参养殖环境的7株候选菌株中筛选出1株具有较强异养硝化和好氧反硝化能力的菌株SLWX_2,通过形态学特征、生理生化特性和16S rRNA基因测序分析鉴定其为花津滩芽孢杆菌(Bacillus hwajinpoensis).该菌株脱氮特性研究结果表明,SLWX_224 h对氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮的去除率分别达到100%、99.5%和85.6%;当3种无机氮源同时存在时,菌株优先利用氨氮,再利用NO_2~--N和NO_3~--N,72 h 3种无机氮的质量浓度均降至0.013 mg·L~(-1)以下,表明该菌株能同时进行异养硝化和好氧反硝化完成脱氮;在氨氮负荷500 mg·L~(-1)、亚硝酸氮负荷100 mg·L·~(-1)和硝酸氮负荷200 mg·L~(-1)范围内,该菌的脱氮能力不受明显抑制,对3种形态的氮均有良好去除效果,96 h最多可去除180 mg NH_4~+-N、30 mg NO_2~--N和120 mg NO_3~--N,并且在硝化过程中没有亚硝酸氮积累.该菌株在海水养殖和高盐高氮工业废水的脱氮处理方面具有更大潜力.     

模拟水体硝态氮对黄菖蒲生长及其氮吸收的影响

为了对挺水植物在水环境与水生态修复中的应用提供参考依据,选取黄菖蒲(Iris pseudacorus L.)为对象,通过模拟水培实验,对比研究了6种水体硝态氮质量浓度(10.68、23.88、42.22、63.33、82.92、97.13 mg·L~(-1))下,黄菖蒲地上和地下生物量、根冠比、叶绿素含量、氮累计吸收量以及对硝态氮去除效果的差异,以期明确模拟水体硝态氮质量浓度对黄菖蒲生长及其氮吸收能力的影响.结果显示,首先,不同硝态氮质量浓度对黄菖蒲地上部分(茎叶)生长的影响大于地下部分(根);当硝态氮质量浓度为10.68 mg·L~(-1)时,黄菖蒲的根冠比增加;当硝态氮质量浓度为42.22~97.13 mg·L~(-1)时,黄菖蒲的根冠比减少.其次,黄菖蒲适宜生长的硝态氮质量浓度为23.88~63.33 mg·L~(-1);硝态氮质量浓度低于10.68 mg·L-1或高于82.92mg·L-1时,均会对黄菖蒲的叶绿素合成产生抑制作用.再次,黄菖蒲对氮的累积量随硝态氮质量浓度增加而增加,且地下部分对氮的累积能力优于地上部分;6种浓度下,单株黄菖蒲的氮累计吸收量为10.56~75.43 mg,其地下部分依次为地上部分的7.2、2.3、2.5、2.1、1.6以及1.5倍.此外,黄菖蒲对氮的利用效率与硝态氮质量浓度之间成显著的幂函数关系,且地上部分的氮利用效率高于地下部分.最后,黄菖蒲对硝态氮的去除率随硝态氮质量浓度增加而增加,6种浓度下黄菖蒲对硝态氮的去除率介于94.9%和99.3%之间,且水体中硝态氮质量浓度随时间延续呈指数函数降低.结果表明,黄菖蒲对硝态氮有很好的去除效果,但黄菖蒲的生长及其对氮的吸收与去除效率受水体硝态氮质量浓度影响显著,且地上部分较地下部分更为敏感.     

水稻不同生育期根际与非根际土壤胞外酶对施氮的响应

与稻田土壤碳氮循环(矿化、转化等)密切相关的酶活性可以反映微生物的生长和代谢过程.为明确水稻不同生育期根际与非根际土壤胞外酶对施氮的响应,采用根际袋法区分水稻根际和非根际土壤,利用96微孔酶标板荧光分析法,测定其碳氮过程关键酶β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)和β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性,探讨根际效应、施氮和生育期对土壤酶活的影响及其调控机制.结果表明,施氮使拔节期土壤BG酶活性相对于不施氮处理降低了7.4~13.5 nmol·(g·h)~(-1),而使成熟期BG酶活性增大了7.0~31.4 nmol·(g·h)~(-1),同时根际与非根际土壤中BG酶活性也随水稻的生育期而发生相应的变化.与不施氮处理相比,施氮使水稻成熟期非根际土壤NAG酶活性增加了1.1倍,根际土壤降低了0.3倍.施氮和生育期显著影响土壤BG酶活性,而水稻生育期、施氮和根际效应及其交互作用均对NAG酶活性有极显著影响.RDA分析表明土壤微生物生物量碳(MBC)和可溶性有机碳(DOC)含量主要影响水稻根际土壤胞外酶活性;而非根际土壤中酶活性的变化主要受微生物生物量氮(MBN)和铵态氮(NH_4~+-N)的影响.土壤酶活性与多种因素存在复杂关系,需要综合考虑植物生理特征、土壤酶活性和土壤特征,分析N添加对微生物群落组成的影响.     

福建省地级市人为源活性氮排放及其特征分析

在人口增长和快速城市化的背景下,活性氮排放对生态环境的影响日益加剧.为研究省级尺度活性氮排放规律,采用排放因子法建立2000、2005及2010年福建省人为源活性氮排放清单,分析各地市3个年份活性氮排放量及排放强度特征.结果表明,3个年份福建省活性氮排放总量分别为538.4、587.0和619.97 Gg,呈整体增加趋势.在9个地级市中,增速最快的为莆田市,而漳州市排放量有所下降.排放量最大的为漳州和泉州,排放量最小的为宁德与厦门.从排放来源看,90%以上的排放来自农田生态系统和畜禽养殖系统.能源活动贡献较小,但其排放增长最为显著.2010年,各地市单位面积活性氮排放强度呈"东南沿海高西北内陆低"的格局,最高为厦门市,最低为三明市;GDP和人口排放强度则呈"东南沿海低西北内陆高"的格局,最高为南平市,最低为厦门市.在分析各地市活性氮排放源特征的基础上,探讨了不同地区活性氮减排重点,研究结果可为福建省及下辖各地市活性氮减排提供科学依据.     

三峡库区干支流落干期消落带土壤可转化态氮含量及分布特征

为探明三峡支流水体富营养化频发与库岸消落带土壤氮素"源-库"关系转化之间的内在关系,采用分级浸提法,分析了三峡库区长江万州段干流、苎溪河支流、密溪河支流消落带落干期土壤可转化态氮含量和分布特征.结果表明,与三峡库区万州段干流相比,支流消落带落干期土壤有机质和总氮含量较高,而阳离子交换量(CEC)和p H值较低.三峡干支流消落带土壤可转化态氮(TF-N)以OSF-N(有机态和硫化物结合态)为主,且含量上OSF-NIMOF-N(铁锰氧化物结合态氮)IEF-N(离子交换态氮)CF-N(碳酸盐结合态氮);而空间分布上,TF-N表现为:密溪河苎溪河长江干流,4种TF-N形态中IEF-N和OSF-N在干支流间无显著差异,而CF-N和IMOF-N分布与TF-N相反,是造成干支流消落带TF-N差异的主要因素.     

半短程亚硝化与厌氧氨氧化联合脱氮工艺微生物特征研究进展

半短程亚硝化-厌氧氨氧化脱氮技术具有良好的发展前景,该工艺的发展以及应用分子生物学技术对好氧氨氧化菌种群和厌氧氨氧化种群生态学的研究备受人们关注.本文综述了工艺原理和影响因子诸如温度、pH值、氧的可利用性、游离氨浓度等对氨氧化菌及厌氧氨氧化菌的影响,并介绍了应用分子生物学方法对氨氧化菌与厌氧氨氧化菌的类别及分布的研究结果,并对该工艺提出了展望.     

1980~2010年浙江某典型河流硝态氮通量对净人类活动氮输入的动态响应

以浙江某典型流域为研究对象,基于1980～2010年的水质水量和氮源数据及LOADEST模型,估算了逐年河流NO-3-N通量和净人类活动氮输入(NANI),分析了河流NO-3-N通量和NANI的年际演化特征及其动态响应关系,探讨了每年NANI、滞留氮库、自然背景源对河流NO-3-N通量的贡献.结果表明,1980～2010年,河流NO-3-N通量和NANI总体上都呈现出先增后减的抛物线型变化趋势,均在1998年左右分别达到峰值5.74 kg·(hm2·a)-1和77.5 kg·(hm2·a)-1;过去31 a,河流NO-3-N通量和NANI分别净增加了～42%和～77%.化肥氮和大气氮沉降是NANI的主要来源,分别占了NANI的～48%和～40%.河流NO-3-N通量的年际变化不仅与NAIN(R2=0.27**)和化肥氮输入量(R2=0.32**)显著相关,而且与河流年均流量(R2=0.79**)或降雨量(R2=0.63**)具有更强的相关性,意味着河流NO-3-N的来源除了当年的NAIN,还受滞留氮库的影响.所建立的以NANI和流量为自变量的回归模型能很好地模拟河流NO-3-N通量变化(R2=0.94**).该模型预测结果显示,在NANI和流量分别降低30%的情况下,河流年均NO-3-N通量将分别减少～21%和～30%;每年的NANI、滞留氮库、自然背景源对河流当年NO-3-N通量的贡献率分别为～53%、～24%、～23%.河流NO-3-N通量长期的年际变化是NANI和水文要素共同作用的结果;但是,由于滞留氮库的影响,与源控制方式相比,增加"汇"景观应该能更加快速地削减河流NO-3-N通量.