自然生境中氨氧化细菌的分子生物学研究进展

摘要 硝化过程是自然界氨氮污染降解的主要生化机制,氨氧化细菌对于富营养的河流、海洋及土壤环境等自然生境具有重要作用.氨氧化细菌的群落结构很复杂,且在不同研究区的时空上存在很大差异性.随着分子生物技术的发展,各种自然环境中存在的氨氧化细菌得到了研究.目前,中国对氨氧化细菌的研究多集中于污水处理、土壤等方面,采用非培养方法对自然环境中氨氧化细菌的研究较少.首先介绍了氨氧化细菌的发现过程和生理特性,其次论述了不同的分子生物学方法对土壤和水生生态环境等自然生境中氨氧化细菌研究进展和研究方法,最后提出了自然生境中氨氧化细菌研究的问题和展望.     

黑藻根际对沉积物中氨氧化细菌和古菌的影响

氨氧化反应对水生态系统氮循环和氮的去除有重要作用,沉水植物通过根系泌氧促进沉积物中硝化反应并对氨氧化细菌和古菌的分布产生影响。本研究以轮叶黑藻为实验对象,利用微电极研究沉积物-水界面的溶解氧变化,研究了黑藻根系对沉积物中氨氧化细菌和古菌数量的影响。结果表明,黑藻通过根系泌氧增加沉积物-水界面的溶解氧量和表层沉积物有氧层厚度,有氧层厚度增加了3 mm以上;种植黑藻后,根际沉积物中氨氧化细菌数量逐渐增加,氨氧化古菌数量前30天增加随后减少,氨氧化细菌与氨氧化古菌amoA基因拷贝数的比值由0.51增加到6.75,说明黑藻根际沉积物更适宜氨氧化细菌的生存。     

包埋氨氧化细菌处理合成氨工业废水

以聚乙烯醇与海藻酸钠为载体,包埋固定氨氧化细菌(AOB),研究温度、DO、初始游离氨(FA)、有机物等影响因素对其短程硝化稳定性的影响。结果表明,25~30℃时载体中氨氧化细菌占优势;DO宜控制在4.0~5.5 mg/L之间,既能满足细菌生长所需,又不至过度曝气,造成载体间的摩擦增大,减少其使用寿命;载体耐氨氮负荷能力强,同时可以抵御有机物对氨氧化细菌的伤害;当初始FA>6.5 mg/L时,氨氧化细菌的活性将受到抑制;富集氨氧化细菌的污泥包埋后氨氮去除率降低了7.5%;包埋载体在确保短程硝化作用的同时,在内部形成的缺氧区可实现反硝化脱氮,提高了系统氨氮的处理能力。     

铁、锰氧化细菌在环境污染治理中的应用

对各种铁、锰氧化细菌的生理生化特性进行了讨论，介绍了铁锰氧化细菌在环境污染治理方面的应用，并提出了今后研究工作的重点及亟待解决的问题。     

在微生物燃料电池生物阴极实现硝化过程的试验研究

微生物燃料电池(MFCs)去除废水中有机物已经进行了大量研究,然而MFCs去除营养盐的能力较弱是将来产业化的障碍之一。研究了以铁锰氧化细菌为催化剂的生物阴极稳定产电的同时实现生物硝化反应的可行性以及其影响因素,并对生物阴极中的铁锰氧化细菌以及硝化细菌进行了计数。以铁锰氧化细菌为催化剂的生物阴极MFCs的启动时间为150～200h,运行稳定时,最高电压达600 mV。研究表明,该生物阴极在稳定产电的同时实现了生物硝化反应,其NO3--N的生成速率为0.792mg/(L.h),NO2--N最高质量浓度为1.56mg/L;阴极进水中NH4+-N以及DO浓度均是重要影响因素;对生物阴极中的铁锰氧化细菌以及硝化细菌计数结果表明,铁锰氧化细菌为7.5×106 MPN/mL,硝化细菌为9.3×105 MPN/mL。     

硝化速率法用于活性污泥活性测试的研究

以城市污水厂回流污泥中的硝化细菌(氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌)为受试生物,HgCl2为标准毒性物质,通过对两组实验--氨氧化速率实验(NH 4-N→NO-2-N)和亚硝酸盐氧化速率实验(NO-2-N→NO-3-N)的研究表明,氨氧化细菌对HgCl2的灵敏度(IC50=0.034 mmol/L)明显高于亚硝酸盐氧化细菌(IC50=0.20 mmol/L).氨氧化速率法测试活性污泥活性时,使用NH 4-N或NO-X-N指标需要120 min或更长的时间,但使用NO-2-N指标仅需30 min就可完成测试,而且结果重现性要比NH 4-N和NO-X-N好,其变异系数CV为5.9 %.     

超声波-缺氧／好氧污泥消化反应器中氨氧化细菌群落结构的演变

为了揭示超声波-缺氧／好氧污泥消化反应器中氨氧化细菌群落结构多样性的演变过程,采用变性梯度凝胶技术（PCR—DGGE）研究不同运行时期氨氧化细菌群落结构的变化。DGGE分析表明,反应器中氨氧化细菌群落比较丰富。在反应器运行的不同时期,氨氧化细菌的群落结构发生了一定的变化,反映了种群的动态演变。UPGMA聚类分析将DGGE图谱分为3大类群并对应于各自的运行时期。测序结果表明,反应器中的优势种群属于变形菌门（Proteobacteria）,包括α-proteobacteria,β-proteobacteria,γ-proteobacteria和ε-proteobacteria4个纲,其中β-proteobacteria占45％,γ-proteobacteria占40％。在始终保持明显优势地位的种属中,5株为反硝化细菌,它们对提高反应器脱氮效率具有重要作用。     

三级串联式BCO反应器比耗氧速率及菌群结构分析

以厌氧/缺氧/好氧和生物接触氧化反应器(AAO-BCO)组成的双污泥系统为研究对象,研究了三级串联式生物接触氧化反应器(N1、N2、N3)中有机物浓度对比耗氧速率(SOUR)的影响,同时对比了各级处理单元的硝化特性。实验结果表明,N1、N2、N3分别在有机物浓度低于40、60和40 mg·L~(-1)时,比耗氧速率随有机物浓度的升高而升高。根据比耗氧速率粗略估计了氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化菌在各级中的百分比,其中氨氧化细菌的百分比分别为43.47%、54.94%和63.83%,而亚硝酸盐氧化菌的百分比分别为11.65%、21.87%和18.23%。由比耗氧速率计算得到氨氮比氧化速率和亚硝酸盐氮比氧化速率,其最高值分别为实际污水处理厂的1.9倍和1.2倍,生物接触氧化反应器中氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化菌菌群更密集,硝化性能更优,且存在明显的亚硝酸盐累积现象(亚硝酸盐浓度为1.52～3.65 mg·L~(-1),亚硝态氮积累率最高可达25%)。     

pH和硝化细菌浓度对氨氮氧化速率的影响

为实现氨氮氧化速率的提高,以污水处理厂A~2/O工艺回流污泥为菌源,利用细菌发酵罐,通过间歇运行方式实现了硝化细菌菌群的筛选和富集。实验中通过调节系统pH值考察不同游离氨(FA)水平对氨氮氧化速率、亚硝酸盐积累和硝酸盐生成的影响,以及通过沉淀排水保留污泥,反应有效容积缩小,等同于污泥浓度提高的方式考察了硝化细菌浓度变化对氨氮氧化速率的影响。结果表明在一定氨氮底物浓度条件下适合的pH值是实现氨氮高速率氧化的重要条件,同时硝化细菌浓度是高氨氮氧化速率实现的物质基础。通过FISH检测,证明了所得培养物中,氨氧化和亚硝酸盐氧化细菌菌群(AOB和NOB)占有绝对数量优势。     

有机碳源条件下厌氧氨氧化SBBR中的微生物多样性

研究有机碳源对SBBR厌氧氨氧化菌群等微生物的影响。采用16S rDNA序列与PCR-DGGE分析技术相结合的方法,对稳定运行的反应器内的活性污泥和生物膜样品,进行细菌多样性图谱分析,同时采用巢式PCR-DGGE技术对浮霉状菌属(Planctomycetes)细菌进行分析。结果表明,在有机碳源反应系统细菌条带数和多样性指数均高于无机系统,与活性污泥相比,生物膜表尤为明显。当进水不含有机碳源时,氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacteria,AOB),厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonia oxidizing bacteria,ANAMMOX)为优势功能菌;当进水含有机碳源时,系统中存在的AOB以亚硝化单胞菌(Nitrosomonas sp.)为优势菌群,同时存在反硝化菌,如索氏菌(Thauera sp.)以及厌氧氨氧化菌,它们共同作用完成N的去除。此外,与无机碳源系统相比,有机碳源的存在,有利于浮霉状菌的积累,但压缩了ANAMMOX的生存空间。本研究可为厌氧氨氧化工艺处理低C/N比有机废水提供了理论依据。     

蔬菜与餐厨垃圾厌氧发酵启动阶段微生物分析

为了研究厌氧发酵启动阶段微生物菌群结构、数量变化情况与沼气产量的关系,分别对蔬菜废弃物和餐厨垃圾单一物料发酵进行分析,并测定pH值、挥发性脂肪酸（VFA）、氧化还原电位。结果表明,餐厨垃圾比蔬菜废弃物的启动时间长,但产气持久。蔬菜废弃物中细菌达峰值的时间早于餐厨垃圾,说明蔬菜废弃物中的有机质更利于微生物降解利用。两种原料中的微生物群落结构变化一致,启动阶段初期好氧和兼性厌氧细菌属优势菌,其中产酸菌增殖速率高于氨化细菌,是启动阶段降解有机质的主要菌群。随后厌氧细菌快速增殖,13增殖速率由不足20％增长到近100％并保持稳定。厌氧纤维素降解菌在启动阶段增殖较慢,原料中纤维素降解在厌氧发酵后期。原料液VFA中丁酸含量最多,最高浓度4．7mg／mL以上,占有机酸总量总量的46％以上,厌氧发酵类型为丁酸发酵型。     

蔬菜与餐厨垃圾厌氧发酵启动阶段微生物分析简

为了研究厌氧发酵启动阶段微生物菌群结构、数量变化情况与沼气产量的关系,分别对蔬菜废弃物和餐厨垃圾单一物料发酵进行分析,并测定pH值、挥发性脂肪酸（VFA）、氧化还原电位。结果表明,餐厨垃圾比蔬菜废弃物的启动时间长,但产气持久。蔬菜废弃物中细菌达峰值的时间早于餐厨垃圾,说明蔬菜废弃物中的有机质更利于微生物降解利用。两种原料中的微生物群落结构变化一致,启动阶段初期好氧和兼性厌氧细菌属优势菌,其中产酸菌增殖速率高于氨化细菌,是启动阶段降解有机质的主要菌群。随后厌氧细菌快速增殖,日增殖速率由不足20%增长到近100%并保持稳定。厌氧纤维素降解菌在启动阶段增殖较慢,原料中纤维素降解在厌氧发酵后期。原料液VFA中丁酸含量最多,最高浓度4.7 mg/mL以上,占有机酸总量总量的46%以上,厌氧发酵类型为丁酸发酵型。     

1株好氧菌对不同油脂的降解

从某餐馆排污渠污泥分离到10株油脂降解菌,以植物油脂花生油为唯一碳源,通过适应性培养驯化并检测细菌生长的OD值筛选出1株优势菌。在确定其最佳生长环境条件的基础上,分别以花生油、餐厅污水和一种含有油脂的膜为对象污染物,进行了优势菌的降解试验。结果表明,该菌对花生油溶液中油脂和CODcr的去除率在24h以内分别达到98．91％和97．27％;对餐厅污染中油脂和CODcr的降解率在30h内分别达到88．66％和85．42％。另外,该优势菌对油脂膜也有良好降解效果,在固体和液体培养基中30d内油脂膜量分别减少了3．31％和11．29％以上。试验证实了该菌对植物油脂、含油脂污水和固体油脂废弃物有良好的净化效果。     

园林植物除菌能力的研究

为挑选出除菌能力较强的园林植物,应用撞击平皿法进行样品采集与培养,通过多元素方差分析法对23种园林植物除菌的能力进行比较研究.结果表明,火炬树、树锦鸡儿、杜松和红皮云杉等的除菌率小于40%;新疆圆柏和榆叶梅等的除菌率大于40%.     

Kinetics of ammonium removal with suspended and immobilized nitrifying bacteria in different reactor systems

The degradation of ammonium by free and immobilized bacteria in different reactor systems was investigated. It was found that the start-up of a nitrifying system is enhanced if a reservoir of immobilized bacteria is present. It was also found that in a single stage system with suspended nitrifying bacteria a stable ammonium removal > 95 % could be established up to an influent ammonium concentration of 1000 mg/1 and a volumetric loading rate (VLR) of 2.3 kg NH₄⁺ m⁻³ d⁻¹. The oxygen uptake rate (OUR) due to nitrification processes was greatly enhanced with increasing volumetric loading rates. Using nitrifying bacteria immobilized on Siran material it was demonstrated that the ammonium degradation rate was directly proportional to the initial ammonium concentration.     

太湖水体附着细菌和浮游细菌的丰度与分布特征

为了探讨太湖水体附着细菌及浮游细菌丰度的变化规律,明确细菌丰度与环境因子的关系,应用荧光显微技术对太湖4个湖区细菌丰度及分布特征进行了研究,并探讨了其与总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素a(Chla)、总悬浮颗粒物(TSS)等环境因子之间的关系.结果表明,太湖水体中附着细菌占优势,占总细菌的65％(总细菌平均值为6.53×106cells/mL,附着细菌平均值为4.25×106 cells/mL,浮游细菌平均值为2.28 × 106 cells/mL);附着细菌与浮游细菌数丰度具有相似的时空分布规律,附着细菌与浮游细菌丰度都是河口区(10#)最高,其次梅梁湾(3 #)、湖心区(8#)和东太湖(24#)较低;春夏季高,秋冬季低;水温、TP对太湖水体中附着细菌及附浮游细菌的丰度影响比较大,它们与水体中附着细菌丰度及附浮游细菌均呈显著的正相关(p＜0.05).太湖不同湖区附着细菌及浮游细菌的数量空间差异是由太湖不同湖区生态环境的异质性引起的.     

海水微生物菌群去除铵氮和亚硝酸氮研究

研究了筛选的自养和异养微生物菌群的脱氮效果后发现 ,异养微生物无论是生长还是对NH+ 4 N及NO-2 N的去除都明显好于自养微生物。通过研究 ,培养出了具备很强脱氮能力包含自养和异养菌的混合微生物 ,在细胞干重浓度为0 .4 8g/L的情况下 ,在实验 3h和 5h后 ,可将初始浓度 10 6mg/L的NH+ 4 N和初始浓度 4 9.9mg/L的NO-2 N全部去除。     

絮凝菌的细胞融合研究

从活性污泥中分离到具有絮凝特性的絮凝菌株F2和F6,絮凝率在80%以上.为了提高絮凝菌的絮凝效果,利用F2和F6作为亲本菌株,进行原生质体融合.首先对菌株F2和F6进行药物抗性遗传标记选择,然后分别对融合条件进行优化,并对融合子进行絮凝测定.实验结果确定了F2具有氨苄青霉素抗性,F6具有新霉素抗性,青霉素敏感试验中,最适浓度分别为F2为0.6 U/ml.、F6为0.1 U/mL,得到了相应的原生质体及融合子;经絮凝试验验证,数株融合子表现出产絮特性,但絮凝效果与亲本菌株F2和F6相当.     

油田水反硝化技术抑制硫酸还原菌

利用反硝化技术对江苏油田5个联合站的采出水,进行了添加不同抑制剂的浓度、种类、不同配比和接种DNB菌对SRB、DNB的菌落数量、硫化氢的产生量和氧化还原电位的影响的静态实验。研究结果表明:投加一定浓度的硝酸盐、亚硝酸盐和钼酸盐,对油田采出水SRB的生长都有不同程度的抑制作用,而同等浓度的抑制效果表现为亚硝酸盐>硝酸盐>钼酸盐,同时投加DNB和0.3～0.5 g/L(比例为1∶1)的亚硝酸盐/硝酸盐可较好地抑制油田采出水中的SRB和硫化氢的产生,其中0.5 g/L抑制效果最明显,可抑制硫化氢的产生10 d以上,SRB和硫化氢抑制率分别可达87%和98%。以不同药剂的常压静态腐蚀实验结果表明,抑制剂的腐蚀速率比杀菌剂和缓蚀剂略高,但低于石油天然气行业中标准规定的0.0076 mm/a,也远低于对照样的0.152 mm/a。     

抗生素抗性异养细菌在不同水体中的生态分布研究

比较了城市污水处理厂曝气池混合液、鱼塘养殖水和黄河引灌水3种水体中可培养异养细菌总数、不同抗生素抗性菌群比例以及抗性有色异养细菌的比例.3种水体中可培养异养细菌总数分别达到2.8×107、1.2×107和8.9×105CFU/mL,其中,污水处理厂曝气池混合液中青霉素、红霉素和链霉素抗性比例最高,分别达到84.5%、66.1%和62.5%,明显高于另外2种水体中抗性比例,而且在该水体中检测到了102～104CFU/mL对青霉素、链霉素和庆大霉素不同组合的交叉抗性菌群.另外,在所有含抗生素的培养基平板上,有色菌群(黄色和红色)的比例都明显高于相应的未加抗生素的培养基平板,说明抗生素抗性与细菌的色素积累呈正相关,其中,黄河引灌水中的抗性有色异养菌群的比例高于其他2种水体.