我国北方四类土壤中氨氧化古菌和氨氧化细菌的活性及对氨氧化的贡献

氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)与氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)是目前已知的两类好氧氨氧化微生物,广泛分布于各类生态系统中.采用双氰胺(dicyandiamide;DCD)和1-辛炔(1-octyne)抑制剂的方法对我国北方湿地、草原、农田、沙漠4类生态系统的土壤中AOA和AOB的氨氧化速率(ammonia oxidation rate,AR)分别进行定量测定,剖析AOA、AOB对不同土壤中氨氧化的贡献.结果表明:在氨氮含量较高的湿地土壤((32.58±1.38)mg·kg~(-1))中氨氧化速率由AOB主导(ARAOB占AR的86.19%),而在氨氮含量较低的草原土壤((10.40±0.69)mg·kg~(-1))、农田土壤((5.09±0.25)mg·kg~(-1))中氨氧化速率则由AOA主导(ARAOA分别占AR的65.50%、62.20%).氨氮含量是影响AOA、AOB相对活性的主要限制性因素.湿地土壤中氨氧化速率最高,为3.22 mg·kg~(-1)·d~(-1)(以N计),其次是草原土壤和农田土壤,其AR分别为1.11、1.00 mg·kg~(-1)·d~(-1),沙漠土壤中未检测到氨氧化速率.对氨氧化古菌、细菌的amoA基因进行定量分析的结果表明:在氨氮含量最高的湿地土壤和最低的沙漠土壤((1.27±0.05)mg·kg~(-1))中AOA丰度高于AOB丰度,在草原、农田土壤中AOB丰度高于AOA丰度.amoA基因生物多样性分析表明,377个古菌amoA序列以85%相似度可以划分为19个独立操作单元(operational taxonomic unit,OTU),具有较高的生物多样性,其Shannon指数为1.51~1.73.直接通过氨氧化微生物amoA基因丰度来推测AOA、AOB的活性具有一定的缺陷,而依靠AOA、AOB分别的氨氧化速率能够准确地衡量其在不同生态系统中对氨氮去除的相对贡献,对于理解不同生态系统中氨氮去除过程和效应有着重要的意义.     

高浓度游离氨冲击负荷对生物硝化的影响机制

工业废水厂或含工业废水较多的城市污水处理厂,在运行过程中可能会意外受到高浓度氨氮废水急性冲击负荷的影响,造成生物硝化反应受到抑制,出水不能稳定达标.为了指导实际污水处理厂应对游离氨(FA)急性冲击负荷造成的出水不达标问题,本文探究高浓度氨氮废水对污水生物硝化系统的影响机制.本文利用序批式活性污泥反应器(SBR)处理模拟高氨氮废水,通过监测氨氮最大比降解速率、硝酸盐氮最大比生成速率、亚硝化和硝化比耗氧速率,硝化菌丰度等指标,研究高浓度氨氮废水中FA对硝化菌活性的影响规律.结果表明,FA在低浓度范围内,增加FA急性负荷能够促进硝化活性,而当FA急性冲击负荷大于一定值时,会对硝化作用造成抑制;FA浓度越大,受到抑制的硝化生物活性所需要的恢复周期越长.利用荧光原位杂交分析技术,发现当进水FA浓度(以N计)从3.6 mg·L~(-1)升高到8.1 mg·L~(-1)时,氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)菌群数量都略微升高,而当FA浓度大于8.1 mg·L~(-1)时,AOB和NOB菌群数量明显下降.FA对AOB和NOB菌群的临界抑制浓度分别为8.1 mg·L~(-1)和6.6 mg·L~(-1),NOB相对于AOB菌群更敏感.     

碳化稻壳-铁锰氧化菌耦合净化严寒村镇高铁锰地下水效能与机制

针对严寒地区特有地理气候条件及制约当前村镇建设与发展的典型问题,以建设绿色低碳、节能环保村镇为目标,研发碳化稻壳-优势铁锰氧化菌耦合工艺净化严寒村镇高铁锰地下水,探究生物滤柱低温快速启动方式;基于接触氧化与生物法,对比分析不同滤速条件下滤柱沿程除铁效能与反应速率,研究生物滤层除铁机制;基于扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、傅立叶红外线光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)、X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)、拉曼光谱(Raman spectra)、电子顺磁共振(electron paramagnetic resonance,EPR)对运行不同阶段的滤料与反冲洗水泥样表征剖析生物滤层除锰机制.结果表明,优势菌液低滤速-全循环的运行方式使稻壳生物滤层成熟且稳定仅需15 d;稳定运行阶段出水铁、锰、细菌浓度分别低于0.3 mg·L~(-1)、0.1 mg·L~(-1)、100 CFU·m L~(-1),均满足国家生活饮用水卫生标准(GB 5749-2006);除铁机制主要依靠物化作用、辅以生物作用;在滤料成熟阶段与稳定运行初期除锰主要依靠生物作用,稳定运行后期物理化学作用占优势;该研究为严寒村镇Fe~(2+)、Mn~(2+)地下水集中处理应用提供了技术支撑.     

岩性对喀斯特灌丛土壤固氮菌与丛枝菌根真菌群落结构及丰度的影响

运用末端限制性片段长度多态性(terminal restriction fragment length polymorphism,T-RFLP)和荧光定量PCR(real-time PCR)法,检测喀斯特灌丛生态系统中不同岩性条件下土壤固氮菌与丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal,AM)真菌群落结构与丰度的变化,揭示岩性对灌丛生态系统土壤中固氮菌与AM真菌群落结构与丰度的影响.结果表明不同岩性条件下,土壤固氮菌与AM真菌丰度存在显著差异,其中,固氮菌与AM真菌丰度在石灰岩土壤中最大,白云岩土壤中最小,石灰岩-白云岩夹层土壤介于两者之间;同样,不同岩性土壤中固氮菌与AM真菌群落结构存在显著性差异.土壤Olsen-P、有机碳、黏粒含量与固氮菌丰度存在显著正相关关系,而土壤全氮、黏粒含量与AM真菌丰度存在显著正相关.RDA分析表明,植物均匀度影响固氮菌群落组成结构,而植物均匀度、香农多样性指数及丰富度指数影响AM真菌群落组成结构.以上的研究结果表明:岩性主要是通过影响植物与土壤养分来影响土壤固氮菌与AM真菌群落组成结构及丰度.     

不同形态磺胺类药物在根-土界面的空间分布及毒性评价

采用化学分析和发光细菌检测相结合的方法,研究了磺胺类药物在作物根-土界面的形态分布及生态毒性.结果表明,磺胺类药物在根际土壤中主要以水溶态的形式存在,远根区则以有机溶剂可提取态为主要形态.3种形态磺胺类药物对明亮发光细菌的相对发光抑制率均小于30%,表现为低毒性.不同形态磺胺类药物对明亮发光菌表现的生态毒性不同,有机溶剂可提取态对明亮发光细菌的毒性最大,水溶态次之,结合态毒性最小.根际区水溶态的含量及其对明亮发光细菌的相对毒性抑制率大于远根区,而有机溶剂可提取态和结合态的含量及其对明亮发光细菌的相对毒性抑制率则小于远根区.     

西安市秋冬季不同空气质量下可培养微生物气溶胶浓度和粒径分布

利用Anderson空气微生物采样器对西安市2014年9月~2015年1月间可培养微生物气溶胶进行采样、培养,分析不同空气质量下其浓度与粒径变化特征,并对其与颗粒污染物(PM_(2.5)、PM_(10))、气象参数(温度、相对湿度)和其它气态污染物(NO_2、SO_2、O_3)进行主成分+多元线性回归分析.结果显示,可培养细菌和真菌气溶胶浓度范围分别为97~1 909CFU·m~(-3),92~1 737 CFU·m~(-3).随空气污染程度加深,两种微生物气溶胶浓度均呈现增加趋势;细菌气溶胶粒径分布向粗颗粒偏移;而真菌气溶胶在低污染时呈正态分布,高污染时粒径峰值向细颗粒偏移.主成分分析结果显示,可培养微生物气溶胶主要与灰霾、太阳辐射和相对湿度有关.多元线性回归结果表明,细菌气溶胶与灰霾呈显著正相关(P0.05),与太阳辐射呈不显著负相关,与湿度呈不显著正相关;真菌气溶胶与灰霾、太阳辐射和相对湿度均呈不显著正相关.研究结果可以为评估微生物气溶胶所引起的环境与健康效应提供基础数据.     

不同氮水平下间作对玉米土壤硝化势和氨氧化微生物数量的影响

利用荧光定量PCR(real-time quantitative PCR,Q-PCR)技术,结合氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacteria,AOB)和氨氧化古菌(ammonia oxidizing archaea,AOA)丰度和土壤理化性质的测定,探索了不同氮水平下间作对玉米土壤硝化势(PNF)的影响.试验设置玉米单作和与马铃薯间作两个种植模式,4个施氮水平(不施氮N0、1/2常规施氮N1、常规施氮N2和3/2常规施氮N3)的随机区组试验.结果表明,从不施氮到常规施氮,土壤硝化势和AOA、AOB数量均随施氮量增加而逐渐增加,而高氮(N3)时与N2没有显著差异;间作对土壤硝化势、AOA与AOB数量的影响与施氮量和作物生育期有关,低氮投入(N1)间作有利于增加土壤氨氧化微生物数量和硝化作用.施肥是硝化势增加的主要驱动因子,相关性分析结果表明,土壤含水量是影响PNF的主要环境因子;PNF与土壤中AOA、AOB amoA基因丰度成显著的正相关.尽管玉米马铃薯间作降低了土壤中AOA、AOB amoA基因丰度,却使得间作土壤中AOB占据氨氧化微生物数量上的优势.以上结果表明,施氮和间作均影响了土壤硝化作用和氨氧化微生物AOA和AOB数量的变化,这些变化会影响土壤环境质量.     

外源环烷酸在土壤中的降解过程及对微生物群落结构的影响

环烷酸类物质(naphthenic acids,NAs)是石油中的一种天然成分,所占质量分数约为2%,是除多环芳烃外最具生态毒性的石油污染物.随着能源需求的增长,大量NAs通过石油工业的各个过程进入土壤环境中,对人类健康和生态系统造成了巨大的潜在威胁.然而,目前对外源NAs在土壤中的降解过程及其对微生物群落结构的影响等研究较少.本研究以自然洁净土壤为样本,通过添加180 mg·kg~(-1)高浓度NAs,并借助液相色谱、高通量测序等技术探究了土壤中NAs的降解过程及微生物群落动态变化.研究发现,自然洁净土壤对高浓度NAs降解能力较强,5 d内降解量达到50%,15 d后稳定在80%左右,但NAs含量低于42 mg·kg~(-1)后难以被生物利用;NAs污染明显改变了土壤细菌群落结构,土样中特有OTU数目增加,主要分布在未鉴定门、变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes);高含量NAs污染胁迫下,拟杆菌门、酸杆菌门(Acidobacteria)及变形菌门中的γ变形菌纲(γ-Proteobacteria)物种丰度在短期内迅速升高,显示了较强耐受性,是潜在的NAs降解菌,而放线菌门(Actinobacteria)相对丰度则大幅下降,降幅高达24.8%;研究结果揭示了外源NAs在土壤中的降解过程及对微生物群落结构的影响,为石油污染土壤的生态修复提供了科学支持.     

污水处理厂CANON工艺小试

在污水处理厂进行CANON工艺小试.试验以污水处理厂A/O除磷工艺出水为基质,启动并运行CANON生物滤柱.第48 d时,反应器氨氮去除率连续10 d大于90%,总氮去除率在70%以上,CANON生物滤柱启动成功.第49~129 d,反应器内部DO控制在较低水平(0.2~0.5 mg·L~(-1)),出水几乎不含氨氮.最大出水总氮浓度为15.6 mg·L~(-1),超过一级A排放标准,硝化细菌(NOB)出现了过量增殖的现象.第129、169和213 d对滤柱进行反冲洗,使得反应器长期总氮去除率大于70%,出水总氮浓度小于12 mg·L~(-1).出水氨氮和总氮浓度达到了一级A标准,硝化细菌得到了有效抑制.结果表明,反冲洗几乎不会影响滤层结构,对滤料生物膜厚度和功能微生物活性影响较小,对硝化细菌抑制作用较大.在实际工程应用中可以通过定期反冲洗维持CANON工艺稳定运行.     

北运河粪源微生物分布特征及健康风险评价

河流微生物污染研究对流域水环境保护和公共卫生管理至关重要.本研究以海河流域北运河水系典型河流断面为研究对象,系统评估了北运河水系微生物污染特征及其健康风险.结果表明,北运河水系丰水期的粪源微生物污染严重,大部分断面菌群量超过105MPN·L~(-1),平水期和枯水期粪源微生物菌群量约为103～105MPN·L~(-1),变化不显著;流域内的农业河段粪源微生物最为严重,呈劣五类水体概率超60%,城市河段降雨前后粪源微生物含量变化更明显,部分河流断面的粪源微生物菌群量从103MPN·L~(-1)增长为106MPN·L~(-1); 2017年丰水期,北运河水系粪大肠菌群的单次暴露风险主要在0. 015～0. 035之间,莲花河、马草河、清河下、温榆河下为人体健康风险的关键敏感断面,需重点关注.