浑河底泥反硝化厌氧甲烷氧化菌群落多样性的时空分布特征及其与环境因子关系分析

为了解浑河底泥中反硝化厌氧甲烷氧化菌——Candidatus Methylomirabilis oxyfera(M.oxyfera)群落多样性的时空分布特征,通过克隆文库技术考察M.oxyfera的16S rRNA和pmo A功能基因的多样性时空分布特征,并结合多元直接梯度分析来研究环境因子(水样和底泥的理化性质)与其之间的关系.9月浑河上、中、下游底泥样品中M.oxyfera的16S rRNA基因的OTU数在2~5之间,Shannon-Wiener多样性指数变化范围为0.21~1.4,呈现出中游上游下游的分布特征.pmo A功能基因上游的OTU数和Shannon-Wiener多样性指数明显高于中游和下游,上游的Shannon-Wiener多样性指数分别是中游和下游的3.5倍和2.3倍,因此M.oxyfera的群落多样性呈现出明显的地域性分布特征.3号采样点处3月采集样品中M.oxyfera的16S rRNA和pmo A的OTU数目分别是6和5,明显高于9月对应的OTU数目,Shannon-Wiener指数也明显比9月高(1.40.68;1.570.00),因此M.oxyfera的群落多样性呈现出明显的季节分布特征.多元直接梯度分析结果表明底泥中DOC浓度、底泥电导率、水体中TOC含量和水体中亚硝酸氮浓度是影响M.oxyfera群落多样性的主要环境因子.     

西湖底泥中的反硝化型甲烷厌氧氧化菌的分子生物学检测

反硝化型甲烷厌氧氧化反应(Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)是一种最新发现的生物反应,该反应能够偶联反硝化和甲烷的厌氧氧化.催化DAMO反应的微生物是NC10门中一种被命名为“Candidatus Methylomirabilis oxyfera”的细菌.本研究采用基因克隆文库技术考察了西湖淡水底泥中DAMO微生物的分布与种群多样性状况.16S rRNA基因系统发育分析表明,西湖底泥中存在NC10门细菌,与已知的M.oxyfera的16S rRNA基因相似度为93％～98％.DAMO微生物功能基因(pmoA)的系统发育分析进一步证实了西湖底泥中分布有此类微生物,与已知的Moxyfera的pmoA基因相似度为86％ ～ 95％.实时定量PCR结果表明,西湖底泥中DAMO微生物的16S rRNA基因的拷贝数为2.15 ×105 copies·g-1(以干重计).     

浑河底泥古菌群落结构季节性变化特征

为探究不同水期河流底泥古菌群落结构特征,选取浑河底泥为研究对象,并于2014年4月(枯水期),9月(丰水期),11月(平水期)对浑河流域进行样品采样,通过PCR-DGGE技术获得3个水期古菌的DGGE指纹图谱,并进行数据分析.结果表明,平水期的古菌多样性和种群丰度都要好于枯水期和丰水期,多样性指数均高于2.10,种群丰度均高于0.94,且上游到下游均匀度波动平缓,数值维持在0.90左右,说明平水期浑河底泥古菌群落结构变化相对稳定.聚类分析结果表明,不同水期浑河底泥古菌群落结构多样性并没有明显的地区特征,但3个水期位于城市段的采样点的古菌亲缘性较为接近.冗余梯度分析(RDA)结果表明,枯水期时水中BOD5、p H和DO是影响古菌群落的主要因素;丰水期时水中的p H和NO-3-N是影响古菌群落的主要因素;平水期时水中的TP和NO-2-N是影响古菌群落的主要因素.     

人类活动对河流沉积物中反硝化厌氧甲烷氧化菌群落特征的影响

河流生态系统是陆地生态系统输出营养盐和有机质的主要接收器,是水-气界面CO2和CH4全球碳循环的重要环节.人类活动导致大量未经处理的硝酸盐和有机物质汇入河流,影响了N-DAMO(N-DAMO,Nitrate/nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,反硝化厌氧甲烷氧化菌)细菌的群落特征.本文选取北运河作为研究区域,通过对比分析北运河中游和下游沉积物理化参数和N-DAMO细菌群落特征的差异性,探究由于人类活动的影响,河流沉积物中N-DAMO细菌的群落组成结构特征,及其与沉积物中NH+4-N、NO-3-N的响应关系.结果表明,北运河沉积物中NH+4-N为中游和下游氮素的主要形态,且下游NH+4-N浓度显著高于中游;人类活动对N-DAMO细菌16S rRNA和pmo A功能基因群落分布有影响,16S rRNA和pmo A功能基因均分别聚为中游和下游两类;系统发育树分析显示,人类活动影响北运河N-DAMO细菌高同源性菌群的来源,其高同源性菌群来源与北运河主要污染物氨氮的来源一致;RDA分析显示,人类活动影响N-DAMO细菌相关环境因子,沉积物中高浓度的NH+4-N、NO-3-N与16S rRNA和pmo A功能基因有显著的响应关系.沉积物N-DAMO细菌16S rRNA和pmo A功能基因的共生关系分析显示,北运河下游沉积物中N-DAMO细菌彼此之间的共存关系更强,细菌群落形成的模块化程度较高,其对环境变化的敏感程度更高,受人类活动的影响更大.     

浑河底泥细菌与古菌群落结构空间变化特征研究

利用变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术,考察了浑河表层底泥中细菌与古菌的多样性及群落结构变化情况.多样性结果表明,从上游至下游,底泥样品中细菌与古菌的种群结构均呈现由单一向复杂的演替趋势,且两者的Shannon多样性指数均在沈阳市下游的采样点-白塔堡河汇入浑河处分别达到其最大值3.88和2.91;而浑河底泥中细菌多样性及种群丰度均大于古菌多样性及种群丰度.群落结构的聚类分析结果表明,浑河底泥中细菌的群落结构具有明显区域特征,而古菌群落结构上下游保持稳定.冗余梯度分析(RDA)结果表明,上覆水中NO-3-N、NO-2-N、pH和Chl-a是影响细菌群落的主要因素,而NH+4-N、Chl-a、TP和NO-3-N则是影响古菌群落的主要因素.     

EGSB-BAF集成系统实现厌氧氨氧化、甲烷化和短程硝化反硝化

将膨胀颗粒污泥床(EGSB)和曝气生物滤池(BAF)集成,EGSB出水进入BAF进行短程硝化,BAF出水外回流至EGSB反应器为后者提供亚硝态氮,在不需外部投加亚硝态氮的条件下,实现厌氧氨氧化、甲烷化和短程硝化反硝化的耦合, 系统地处理ρ(氨氮)为50 mg/L和ρ(COD_Cr)为500 mg/L的合成废水.结果表明:当外回流比为200%时,系统CODCr,氨氮和总氮的去除率分别为92.4%,97.4%和80.6%;出水ρ(氨氮),ρ(亚硝态氮),ρ(硝态氮)和ρ(COD_Cr)分别为1.05,4.30,2.56和35.3 mg/L;COD_Cr,总氮和氨氮的去除负荷速率分别为1.770,0.137和0.164 kg/(m3·d). 与传统的活性污泥过程相比,EGSB-BAF集成系统回收甲烷1.03 　L/d,占系统COD_Cr去除量的37.0%;在系统总氮的去除过程中,厌氧氨氧化途径占35.9%,短程反硝化途径占47.4%,全程反硝化途径占16.7%.      

不同接种物对富集反硝化型甲烷厌氧氧化微生物的影响

在厌氧条件下,反硝化型甲烷厌氧氧化过程(Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)以CH_4为电子供体,以NO_3~-或NO_2~-作为电子受体,可同时实现甲烷氧化和废水中脱氮.本文利用两种电子受体(NO_3~-、NO_2~-)及不同接种污泥成功富集了4种DAMO培养物,研究了不同接种物对富集DAMO微生物的影响.结果表明,NO_3~-对富集DAMO古菌具有重要作用,而NO_2~-则对DAMO细菌的富集过程有较大影响.其次,在富集培养过程中,NH_4~+的存在会获得厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation,Anammox)细菌与DAMO古菌的混培物,并形成协同关系,而DAMO细菌却因与Anammox细菌竞争而被淘汰.当NH_4~+不再加入,NO_3~-成为唯一氮源时,DAMO细菌重新出现并与DAMO古菌形成一种新的协同关系.此外,以淡水河道底泥、淡水湖泊底泥及水稻田土壤的混合物作为接种污泥而得到的DAMO富集培养物,其脱氮速率比以淡水河道底泥、活性污泥及厌氧消化污泥的混合物作为接种污泥的富集培养物高出3.3倍,但后者在驯化时间上缩短了36%.     

旱地土壤反硝化厌氧甲烷氧化菌的垂向分布特性与活性分析

在厌氧条件下,以亚硝酸盐作为电子受体将甲烷氧化的反硝化厌氧甲烷氧化反应(nitrite-dependent anaerobic methane-oxidizing,n-damo)的发现,彻底颠覆了人们对甲烷循环的传统理解.通过分子生物学方法及13C和15N稳定同位素示踪技术,对河北省北澧河附近的旱地农田土壤(0~1 m)中n-damo菌的群落结构、丰度和活性进行了研究,深入探究了n-damo菌的亚硝酸盐底物来源.结果显示,n-damo菌更多存在于旱地浅层土壤中,并且随季节变化分布在不同深度的土壤中.针对其pmo A基因的系统发育分析显示,旱地土壤中n-damo菌的群落结构具有明显的空间异质性,来自土壤0~20 cm和40~60 cm土层的序列完全分开,处于系统发育树不同分枝.针对其16S rRNA基因的实时荧光定量PCR结果显示,n-damo菌丰度随土壤深度的增加而降低,夏季丰度(1.44×10~4~1.02×10~5copies·g~(-1))低于冬季(3.66×104~2.67×105copies·g-1).在浅层土壤(0~20 cm)中,硝化反应和反硝化反应共同为n-damo菌提供亚硝酸盐底物来源;而在深层土壤(60~80 cm)中,亚硝酸盐底物主要来源于硝化反应.n-damo菌的活性(0.18 nmol·g~(-1)·d~(-1),以CO_2计)只能在夏季表层土壤(0~20 cm)中检测到,其余深度均未检测到其活性.在旱地农田土壤中,反硝化厌氧甲烷氧化菌对农田碳循环的影响可能不大.     

覆盖层甲烷氧化动力学和甲烷氧化菌群落结构

基于实际填埋场覆盖土建立了可实时在线监测生物气的模拟覆盖层系统,连续监测了不同垂直梯度生物气浓度变化.甲烷通量不变时,覆盖层内不同梯度生物气浓度基本保持不变,系统持续稳定运行,甲烷通量变化后2~3 h生物气可再次持续稳定.考察了覆盖层甲烷氧化特性与甲烷通量的关系,深度大于20 cm,氧气浓度随甲烷通量的增大呈减小趋势,表层氧气浓度与甲烷通量无相关性,不同梯度的甲烷氧化速率与甲烷通量呈正相关(R2变化范围0.851~0.999).为避免覆盖土脱离系统环境造成的误差,以动态连续监测结果为基础,利用双基质Michaelis-Menten方程拟合了覆盖层甲烷氧化动力学(R2范围为0.902~0.955),得到覆盖土半饱和常数Km为0.157~0.729,Km随深度的增加而增大.利用高通量测序技术分析了原始覆盖土和经模拟覆盖层运行后的甲烷氧化菌群落结构,运行后甲烷氧化菌OUT数量显著增多,优势菌群为Ⅰ型菌的Methylobacter和Methylophilaceae及Ⅱ型菌Methylocystis.     

EGSB反应器中耦合厌氧氨氧化与甲烷化反硝化的研究

将好氧活性污泥接种于膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器中,经过120 d的启动运行,形成颗粒污泥.在启动好的EGSB反应器进水中添加亚硝酸盐和氨盐,反应器内温度控制在32～35 ℃,pH为7.5～8.3,氧化还原电位为-150～-40 mV;水力停留时间4.2 h,上升流速4.86 m/h,经过270 d运行,逐步富集和耦合产甲烷菌、反硝化菌和厌氧氨氧化菌.在进水ρ(COD_Cr)为500 mg/L,有机容积负荷速率为4.800 kg/(m3·d)(以COD_Cr计)和1.152 kg/(m3·d)(以N计)的条件下,出水ρ(COD_Cr)维持在80 mg/L以下;COD_Cr,氨氮,亚硝态氮和总氮去除率分别为85%, 35%, 99.9%和67%;其去除速率分别稳定在6.12,0.202,0.575和0.777 kg/(m3·d);其中氨氮和总氮的去除速率分别是传统活性污泥法硝化/反硝化(0.05 kg/(m3·d))的4和15.5倍. pH,温度,溶解氧,氧化还原电位,亚硝酸盐和COD_Cr对EGSB反应器中厌氧氨氧化与甲烷化反硝化的耦合和颗粒污泥的特性均有影响.      

浑河底泥微生物群落的季节性变化特征

为了解河流底泥微生物群落结构的季节性变化,利用PCR-DGGE技术对丰水期、平水期、枯水期浑河底泥中的微生物进行指纹图谱分析,并对优势条带进行测序和系统发育分析. 结果表明:浑河底泥微生物群落结构存在一定的时空异质性,在空间上可分为上游抚顺市地区(1~5号采样点)、中游沈阳市地区(6~11号采样点)和下游乡镇地区(12~14号采样点);平水期、枯水期、丰水期Shannon-Wiener多样性指数分别为3.04~3.88、2.66~3.66、3.04~3.45. 抚顺市地区和沈阳市地区不同水期底泥微生物Shannon-Wiener多样性指数差异较大,而乡镇地区则无明显变化趋势;平水期和枯水期底泥微生物Shannon-Wiener多样性指数从上游至下游呈先升后降趋势,而丰水期上、下游微生物多样性差异较小. 底泥微生物中以变形菌(Proteobacteria)最多,其次是拟杆菌(Bacteroidetes)和蓝藻菌(Cyanobacteria);而平水期优势种群数量最多. 研究显示,人类活动及丰水期对底泥微生物多样性有较大影响,掌握河流底泥微生物分布有助于深入了解河流物质的代谢过程.      

浑河流域鱼类群落特征及其与环境因子的关系

流域水生态调查是对受损的流域水生态系统进行恢复的基础。以浑河流域为例,对全流域62个采样点的鱼类群落进行调查。共采集并鉴定出鱼类34种,隶属于7目10科29属。其中,鲤科鱼类个体数占比最高(88.5%),鳅科次之(6.7%)。依据鱼类群落组成的相似性,利用聚类分析将62个采样点分为3组：组Ⅰ主要分布于浑河上游;组Ⅱ主要分布于浑河中游的各支流;组Ⅲ主要分布于浑河中下游的干流及各支流。指示物种分析结果显示：组Ⅰ指示物种为洛氏鱥、北方条鳅、北方花鳅和中华多刺鱼;组Ⅱ指示物种主要为鲫、麦穗、宽鳍鱲等中度耐污种;组Ⅲ指示物种为餐条。典型对应分析(canonical correspondence analysis,CCA)结果表明：影响浑河流域鱼类群落结构的主要环境因子为海拔、河流等级、悬浮物(SS)浓度、森林用地比例、农业用地比例和总溶解性固体(TDS)浓度。     

典农河沉积物细菌群落结构特征及其与重金属的关系

河流沉积物细菌对有机物和营养盐的转运起着重要作用,其群落结构特征也会受到环境因子的影响.为探究典农河（上游段）沉积物细菌群落结构及其影响因子,于2021年的1、4、7和10月对典农河上游段进行沉积物样品采集调查,测定沉积物中9种重金属（Cu、Zn、Pb、Fe、Mn、As、Cr、Cd和Hg）的含量,基于16S rRNA基因扩增子高通量测序,分析典农河（上游段）不同季节沉积物细菌群落结构特征,通过冗余分析（RDA）识别典农河群落结构变化的驱动因子.结果表明,在空间上,典农河永宁段细菌物种丰度高于典农河银川段细菌物种丰度,在时间上,7月和10月细菌物种丰度高于1月和4月.典农河沉积物细菌最优势菌门为变形菌门（Proteobacteria）,较优势菌门为拟杆菌门（Bacteroidetes）和脱硫菌门（Desulfobacterota）.典农河沉积物细菌优势菌属为Sulfitobacter、 Amylibacter、 Planktomarina、 Sulfurifustis、 SUP05＿cluster、 Arenimonas、Candidatus＿Methanoperedens、Thioal...     

浙江省瓯江氨氧化古菌和氨氧化细菌分布及多样性特征

氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)和氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)在生物地球化学氮循环过程中发挥着重要作用.河流是关系人类生产和生活的重要生态系统,蕴含大量氮循环功能微生物.本研究采用变性梯度凝胶电泳(denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)和荧光定量PCR(quantitative PCR,q PCR)技术对沉积物AOA、AOB群落进行结构和丰度分析,在瓯江感潮河段尺度上探究AOA、AOB分布规律及影响AOA、AOB群落结构与丰度的因素.结果表明,AOA群落结构差异不显著,影响其分布的主要因素为NH+4和TS;AOB群落结构存在显著差异,序列分析比对表明AOB分为Nitrosospira和Nitrosomonas,其中90%序列为Nitrosospira,EC、p H、NH_4~+、NO_3~-、TC和TN是影响AOB群落组成的重要环境因素;总硫(TS)和电导率(EC)分别是影响AOA和AOB多样性的主要因素;AOA丰度显著高于AOB;EC、NH_4~+-N和NO_3~--N是影响AOA和AOB丰度的主要环境因素.研究表明,瓯江感潮河段沉积物中AOA和AOB群落结构和丰度均显著受环境因素影响,AOA在表层沉积物氨氧化过程中可能占主导位置.     

包埋厌氧氨氧化菌的环境因子影响特性及群落结构分析

针对厌氧氨氧化菌悬浮培养启动慢、易流失、活性易受环境因子抑制等问题,利用聚乙烯醇-聚丙烯(PVA-PP)制备厌氧氨氧化菌包埋填料,在实现厌氧氨氧化菌活性提高及反应体系稳定运行的基础上,采用批次实验明确了COD干扰、pH值变化及摇床转速对包埋填料脱氮特性的影响.并通过高通量测序技术分析了填料内菌群结构和多样性的变化.结果表明,厌氧氨氧化菌活性可在第30 d恢复至100%,阶段培养99 d,总氮容积负荷(NLR)为0. 69 kg·(m³·d)^-1时,总氮去除率为87. 7%,140 d长期运行,总氮去除速率(NRR)可达1. 83 kg·(m³·d)^-1,是包埋前悬浮污泥的9. 4倍.种群多样性在包埋载体内得到保持,厌氧氨氧化功能菌Candidatus Kuenenia(AF375995. 1)有效富集,占比由11. 06%上升至32. 55%. PVA-PP包埋载体可实现厌氧氨氧化-反硝化耦合脱氮,有机碳源干扰及pH值的变化对厌氧氨氧化菌影响抑制明显减弱,并且摇床转速的适当提高会促进包埋体系厌氧氨氧...     

甲烷厌氧氧化协同硝酸盐还原菌群驯化及其群落特征

伴随硝酸盐还原的甲烷厌氧氧化是协同减少环境中硝酸盐及甲烷的有效途径.利用实验室废水处理厌氧污泥、污水处理厂厌氧污泥和填埋场覆土驯化富集硝酸盐还原型甲烷厌氧氧化菌群.考察菌群的甲烷氧化效果,结果发现接种污水处理厂厌氧污泥体系甲烷转化量最大,为0.05 mg·d-1.微生物群落结构分析显示,该体系中甲烷微菌和甲烷八叠球菌是甲烷氧化菌,假单胞菌、梭状芽胞杆菌和热单胞菌参与了硝酸盐的还原反应.硝酸盐的量影响甲烷的转化率及菌群结构.当硝酸盐浓度为200 mg·L-1时,体系中的硝酸盐还原菌为假单胞菌和梭状芽胞杆菌;浓度增加至500 mg·L-1时,硝酸盐还原菌则是假单胞菌和热单胞菌.同时,甲烷转化率增加34.7%.研究结果为该菌群应用于含甲烷废气与含硝酸盐废水的协同处理提供科学依据.     

浑河主要污染物对大型底栖动物空间分布的影响

利用典范对应分析（CCA）方法研究浑河大型底栖动物与污染物关系。结果表明,现阶段影响浑河大型底栖动物群落特征的主要污染物为NH3-N和CODCr;回归分析表明,NH₃-N和COD_Cr与大型底栖动物物种数和EPT物种（敏感种）数具有显著相关关系,当COD_Cr和NH₃-N浓度分别高于16.0和1.0 mg/L时,大型底栖动物物种数与EPT物种数均小于浑河流域平均水平。浑河大伙房水库上游的大型底栖动物生物多样性相对较高;水库下游由于NH₃-N和COD_Cr的污染,降低了大型底栖动物的生物多样性,其中NH₃-N和COD_Cr均与Margalef丰富度指数呈显著负相关关系（P<0.05）,而NH₃-N还与香农-威纳指数、Pielou均匀度指数和Simpson多样性指数呈显著负相关关系（P<0.05）。CCA分析还表明,大伙房水库上游主要指示物种以桃碧扁蚴蜉（Ecdyonurus tobiironis）,黑头原石蛾（Rhyacophila nigrocephala）,蝶石蛾（Psychomyia sp.）等清洁物种为主;水库下游支流指示种主要以苏氏尾鳃蚓（Branchiura sowerbyi）,赤豆螺（Bithynia fuchsianus）和水蝇（Ephydra sp.）等耐污物种为主;水库下游干流指示种以鳞（虫兆）属（Tomocerus sp.）,钩虾（Gammarus sp.）和铜锈环棱螺（Bellamya acruginosa）等耐污物种为主。     

嘉陵江中下游不同河道断面沉积物真菌群落结构与功能

为探究不同干扰对嘉陵江河道沉积物真菌群落的影响,以期为河流生态系统保护提供科学依据. 以嘉陵江干流河道沉积物真菌为研究对象,利用高通量测序和生物信息学技术分析不同类型人为扰动（工程干扰、支流干扰、采砂干扰和垦殖干扰）及无干扰断面河道沉积物真菌群落的组成和功能差异. 结果表明：①垦殖和工程干扰显著抑制了真菌群落物种多样性和丰富度（P<0.05）,支流干扰增加了真菌群落物种丰富度,采砂干扰对沉积物真菌群落的影响不显著. ②低外源物质输入（无干扰和采砂干扰）断面的不同采样点位之间的沉积物真菌多样性和群落结构趋近,高外源物质输入（支流干扰、工程干扰和垦殖干扰）断面的不同采样点位之间的沉积物真菌群落多样性差异显著. ③子囊菌门（Ascomycota）、罗兹菌门（Rozellomycota）和担子菌门（Basidiomycota）为嘉陵江沉积物的主要优势真菌门,罗兹菌门的相对丰度在采砂干扰断面最高,担子菌门在支流干扰断面的相对丰度最高. ④工程干扰断面的腐生菌、动物病原菌、植物病原菌和粪腐菌的相对丰度显著增加,其它无干扰断面沉积物中真菌寄生菌-植物病原菌-植物腐生菌的相对丰度最高. 综上所述,人为干扰造成了嘉陵江沉积物真菌多样性、群落结构和功能的变化,外源物质输入是造成这一现象的关键因素,该结果可为预测和评价河流生境质量提供参考依据.