试述低温微生物及其在环境工程的应用

本文简单的介绍了低温微生物的相关知识,对低温微生物的制冷机制进行了简单的叙述。最后,本文介绍了低温微生物在环境工程中的作用,并对其发展方向进行了猜想。     

低温微生物低温适应性的机制及其应用前景

低温微生物由于长期生活在寒冷的环境中,在自然选择的作用下形成一套独特的与低温环境相适应的细胞结构和分子机制。从细胞结构、组成的变化,以及分子水平等角度阐述了近年来国内外有关低温微生物低温适应性机制的研究进展;探讨了低温微生物在环境净化、食品化工和医药等行业中的广泛应用前景。     

适冷微生物研究进展及应用现状

适冷微生物(包括嗜冷微生物、耐冷微生物)是在低温下仍具有生存和繁殖的能力的一类微生物,低温会对微生物产生如酶活性降低、膜流动性变差、蛋白质冷变性、不适当的蛋白质空间折叠和低温下细胞内部构造破坏等不利影响。适冷微生物能克服低温带来的消极影响,并能在极端环境下生长及代谢。随着宏基因组测序、蛋白质组学以及其它分析手段在环境微生物中的应用,作者对低温微生物的一些适应性改变有了新的认识。酶活性中心结构的改变、膜中脂质成分含量的增加,冷适应蛋白的快速表达等都被证明在对低温适应中起着重要作用。文章综述了适冷微生物的适冷机理及其在污染控制领域的应用,为适冷微生物的实际工程应用提供参考,为适冷微生物在环境工程中的进一步广泛应用奠定基础。     

低温菌去除污染物的研究现状

低温菌在自然界的分布非常广泛，低温菌由于具有特殊的遗传背景和代谢途径，能够产生适合低温环境且具有特殊功能的各种酶类及其它活性物，从而使低温菌在寒冷环境条件下表现出其他微生物无法替代的生物活性。文章在分析、总结国内外有关低温菌低温环境条件下去除污水中不同污染物的研究基础上，认为低温菌在寒冷地区污水治理领域具有广阔的应用前景。     

低温污水强化处理工艺研究

由于微生物本身的特性,低温使得活性污泥中大多数微生物的生长代谢活性受到抑制,导致传统生化工艺的处理效果恶化、运行稳定性降低。为了给高效处理低温污水、改善出水水质、确保污水处理设施稳定运行等工作提供参考,总结了化学强化混凝、人工湿地强化、生物强化及反应器强化等强化工艺处理低温污水的最新研究成果,指出了通过向低温污水中投加高效耐冷菌种或载体以提高生化工艺处理效果的生物强化工艺和各种新型反应器处理工艺是处理低温污水的两条行之有效的技术途径,探讨了低温污水强化处理工艺研究的发展方向。     

投加甜菜碱对MFC处理低温地下水硝酸盐污染的研究

针对低温环境下,微生物燃料电池中微生物活性会受到抑制,处理污染物效能低的问题,在反应器中投加甜菜碱来增强微生物活性的方法,进行甜菜碱对低温下MFC处理硝酸盐污染的研究。结果表明:当对培养驯化完成的MFC投加甜菜碱时,MFC对进水中的COD和NO-3的处理效果增强,最佳投加量为0.7 mmol/L,此时与未投加甜菜碱的反应器相比,COD的降解率增加了18.1%,对NO-3的降解率提高了41.2%。     

固定化微生物对低温河水脱氮效果的中试研究

利用微生物净化受污染河水是目前常用的地表水体修复方法,但低温条件下微生物代谢缓慢,酶活性下降,在寒冷季节难以维持对河水的净化效果.本研究采用固定化的方法提高微生物的低温耐受性,通过中试试验考察自然挂膜的固定化微生物、经低温驯化的预挂膜固定化微生物及预挂膜固定化微生物耦合生物促生剂这3种方法对低温河水中COD及氮素类污染物的去除效果.结果表明,在低温条件下3种方法均能有效提升河水的净化效果,静止条件下,河水中COD、NH₄⁺-N、NO₃^--N和TN的去除率由分别由21.3%、37.2%、8.5%和6.9%提升至72.3%~77.9%、48.6%~62.7%、35.3%~42.3%和26.2%~31.9%.COD去除率在2~3 cm·s^-1流速下明显优于静止条件,总氮去除率在2 cm·s^-1流速下最高.自然挂膜和预挂膜微生物对河水中污染的去除无明显差别,添加促生剂对固定化微生物的净化作用没有进一步的提升,但功能菌群的微生物群落结构有所不同.促生剂的添加提高了河水中的微生物活性与群落多样性,但对固定化载体上的微生物无明显影响.固定化载体上的优势菌群均为低温下具有脱氮功能的Proteobacteria.此外,具有低温适应性的脱氮功能菌属Rhodoferax、Pedobacter及Pseudomonas在3组固定化载体上均有较高丰度,而自然挂膜的载体上及其河水中分别对Malikia属及hgcI_clade属具有显著特异性的富集（p<0.05）,这两种菌属均具有低温脱氮功能.     

寒冷地区冬季低温对污水处理厂运行效率的影响研究

文章针对北方寒冷地区污水处理厂冬季运行是受温度影响方面,以典型的生化处理工艺为例,从微生物生长、生化反应速度等机理出发,分析低温对微生物生长、酶促反应速度、生物处理反应速度、生物脱氮、沉淀装置的各种影响,经分析表明：当水温低于13℃时,生物处理效果开始加速降低,污水处理站的污水处理效率降到了50%左右,当水温低于4℃时,几乎无处理效果,同时低温会导致污泥膨胀等现象出现。最后,文章推荐几种解决上述问题的技术途径。     

微生物降解石油烃类污染物的研究进展

石油作为重要的能源之一,在被大量开采、运输和使用的同时,带来了严重的污染。利用微生物降解石油烃类污染物是当前治理石油污染最为理想的有效方法。介绍了降解石油烃的微生物种类和降解机理,并分析了固定化、表面活性剂、低温条件等对降解过程的影响。     

南极土壤可培养石油降解细菌多样性及降解特性研究

石油污染土壤的微生物修复是公认的绿色环保技术,但由于实际应用时环境温度较低,使得微生物降解效率低下.南极地区拥有丰富的微生物资源,为了研究南极土壤可培养石油降解菌的多样性及获取高效低温石油降解菌资源,采集南极菲尔德斯半岛上的土壤样品,以0#柴油和中质原油1∶1混合物作为碳源,分别在10、15和20℃下富集、筛选石油降解...     

低温条件下污水处理运行研究

低温是造成寒冷地区冬季生活污水生化处理效果差的主要原因。当温度降低至4cC左右时,活性污泥中大多数微生物的生长活性受到抑制,只有少数的耐冷微生物可以存活下来并保持一定的活性。本课题组以往的研究结果证明：在我国北方地区,完全可以分离到在低温下高效降解污水中有机物的耐冷细菌。通过投加耐冷茵可使污水的去除效率大大提高。但由于投加的耐冷茵的流失等原因,必须隔一定时间再次投菌,既费时费力,又增加投资。     

低温复合菌剂对牛粪堆肥发酵影响的研究

为了探明低温复合菌剂对牛粪堆肥发酵的影响,开发出适合东北寒区堆肥发酵的微生物菌剂.本研究在0℃以下以牛粪、秸秆为原料,分别设置接种低温复合菌剂堆肥、接种常温菌剂堆肥和自然堆肥3个处理,测定了堆肥过程中温度、p H、C/N、全磷、铵态氮、硝态氮和种子发芽指数的动态变化.试验结果表明,接种低温复合菌剂组第11 d进入高温期(50℃),比接种常温菌剂组提前了14 d,最高温度达62℃,高温期维持了9 d,而自然堆肥组一直未进入高温期.至堆肥结束时,接种低温复合菌剂组和接种常温菌剂组的最终p H分别为7.17、7.24;C/N均降到20以下,分别为16.10、15.67;全磷的变化无明显差异;种子发芽指数分别为92%和85%.添加菌剂组较自然堆肥组铵态氮含量明显降低,硝态氮含量增高.综上所述,接种低温复合菌剂可以在低温下促进堆肥迅速起温,并保证了堆肥的腐熟质量.     

生化法处理生活污水中的耐冷菌特性研究

当水温低于10℃时，常规生化法中的微生物活性迅速下降，水处理效果急剧下降。研究分离出冷适应微生物用于低温生活污水的处理。实验证明北方地区市政下水道里的沉淀物中存在着耐冷细菌，它们均能在10℃以下生长、繁殖。     

低温等离子体-生物法处理硫化氢气体研究

采用低温等离子体-生物法处理硫化氢恶臭气体,硫化氢的去除效率比单独等离子体提高83.4%~90.1%,而且可消除等离子体氧化硫化氢产生的二氧化硫等二次污染物,将其转化为硫酸根和水.采用PCR-DGGE技术研究低温等离子体臭氧对处理硫化氢恶臭气体的生物滴滤塔内微生物群落结构变化规律.结果表明,低温等离子体臭氧影响生物滴滤塔内微生物群落结构,会导致一部分菌群消失,同时产生一些新的菌群;塔内微生物由8个菌种变为9个菌种,3个脱硫作用的硫杆菌菌群消失,出现4个分别具有脱硫作用和嗜酸性的新菌种,5个分别具有脱硫和硫酸盐还原菌种不变.低温等离子体-生物法系统生物滴滤塔内主要有硫杆菌属(Uncultured Thiobacillus sp.,Acidithiobacillus thiooxidans strain dfI,Uncultured Thiobacillus sp.,Uncultured Acidiphilium sp.),黄单胞菌属(Uncultured Xanthomonadaceae bacterium clone SBLE6C12),δ-变形菌(Unculturedδ-Proteobacterium)及副球菌属(Paracraurococcus sp.1PNM-27).     

低温下丝状菌膨胀污泥的微生物多样性

为探究低温下丝状菌污泥膨胀过程中微生物多样性的变化特征,实验采用低温-SBR反应器成功诱发污泥膨胀,并借助Illumina MiSeq高通量测序技术,考察了不同沉降性能下活性污泥微生物群落的整体变化特征、各特定菌群及特定菌属的变化特征.结果表明,在系统运行温度降至(14±1)℃后可成功诱发丝状菌污泥膨胀,SVI可恶化至663.99 mL·g~(-1),且膨胀后COD去除率和TN去除率仍能维持在90%和86%左右.低温下污泥膨胀的发生不仅会导致系统内微生物整体多样性和均一性的降低,使特定菌群中丝状菌群的丰度由0.49%增至26.04%,还会使脱氮菌群的丰度由21.04%减少至13.99%、除磷菌群的丰度由4.25%减少至1.93%.发现的5种丝状菌属中,以Thiothrix为代表的3种菌属的丰度递增,仅Haliscomenobacter的丰度递减;发现的19种脱氮菌属中,以Nitrosomonas为代表的5种菌属的丰度递增,以Nitrospira为代表的7种菌属的丰度递减;发现的8种除磷菌属中,Pseudomonas和Tetrasphaera的丰度递增,以Candidatus_Competibacter为代表的5种菌属的丰度递减.虽然污泥膨胀对微生物菌群结构产生较大影响,但不同泥样中始终存在的477个OTUs和227个菌属说明膨胀过程中反应器内主体微生物仍呈相对稳定状态.     

青藏高原土壤柴油降解菌的筛选及降解实验研究

青藏高原北麓河地区土壤为典型的低温土壤环境,夏季高温季节表层土壤(5 cm处)温度仅为9℃,中层(20 cm处)为7.5℃,而40 cm处仅为4℃左右。土壤高温季节为7月中旬至9月上旬,而10月至来年6月土壤日平均温度下降为0℃以下。针对青藏高原低温土壤环境,在北麓河试验现场进行人工模拟柴油污染,16个月后采集污染土样,进行土著低温菌的复合筛选,柴油菌的筛选驯化温度为10℃。经过4次转接复合培养驯化后,菌液中微生物数量可达2.7×1012CFU/mL。筛选后的柴油降解菌90%以上为杆状菌,长度为2~3μm,少见球菌,其直径约为0.5μm。通过柴油摇瓶模拟降解实验,17 d后柴油去除率可达到62%。研究为青藏高原低温条件下的土壤柴油污染土著微生物修复提供了研究基础。     

c-di-GMP在低温好氧颗粒污泥形成过程中的作用

在低温条件下运行好氧颗粒污泥反应器,絮状污泥颗粒化过程中信号分子可通过传导作用引起各层物质之间的组分变化,通过研究胞外聚合物及污泥相关疏水性的变化规律,并观察此过程中微生物菌群的群落演替特点,揭示环二鸟苷酸（c-di-GMP）在低温好氧颗粒污泥形成过程中的变化规律与影响作用.结果表明：接种污泥在颗粒化过程中,胞外聚合物含量从48mg/gMLVSS增长至139mg/gMLVSS,其中以TB层蛋白质增长为主,在颗粒化过程中,c-di-GMP含量由62μg/gMLVSS增至600μg/gMLVSS,始终影响微生物运动及生物膜形成,促使具备胞外聚合物分泌功能的菌群加快分泌胞外聚合物,促进好氧颗粒污泥的形成.各个阶段污泥中微生物种群存在较大差异,在反应器运行初始阶段与c-di-GMP合成相关的菌群占据优势,同时在后期表现出较好的脱氮除磷能力,在低温条件下好氧颗粒污泥微生物菌群发生演替并最终形成稳定的菌群结构.     

城镇污水污泥低温氧化放热特性的恒温量热分析

针对干化后城镇污水污泥的低温氧化和自加热问题,采用恒温量热分析方法对含水率为10%~70%（干基）的污泥在5个温度（30~70℃）下的低温氧化放热特性进行了实验研究。结果表明:污泥的低温氧化放热主要有3种机制,包括微生物生化氧化、无机成分（Fe/S/O系统）氧化和有机质化学氧化,污泥的低温氧化放热特性是3种机制综合表现的结果,其交叉重叠共同决定了污泥低温下的自加热特性。含水率和环境温度会影响污泥低温氧化放热过程中的各热源贡献并导致主要热源的转变,同时也会影响3种机理各自的放热特性。水分和温度增加都会使污泥的放热增强,即自加热能力变强,从而加大污泥自燃的风险。     

低温条件对SBR工艺亚硝酸氧化菌种群结构的影响

为了解低温条件对SBR工艺亚硝酸氧化菌种群结构的影响,以模拟废水为处理对象,在低温条件下(12～20℃),分别启动全程硝化SBR反应器和亚硝酸氧化SBR反应器,检测分析主要亚硝酸氧化微生物丰度变化及种群结构特性。结果表明:全程硝化SBR反应器和亚硝酸氧化SBR反应器经过驯化后均可在低温条件下完成全程硝化和亚硝酸氧化过程,且可检测的优势NOB菌均为Nitrobacter和Nitrotoga,其主要优势菌种分别为Nitrobacter winogradskyi和Candidatus nitrotoga arctica。     

垂直潜流人工湿地低温净化效果及其与微生物作用关系

人工湿地净化过程受基质、微生物及植物的多重作用,但有关湿地系统水质净化效果与微生物之间的关联及响应机制的认识较为匮乏.本文针对垂直潜流人工湿地,分析了其低温条件下水质净化效果,通过16S rDNA扩增子测序技术,在OTU水平上利用微生物丰度聚类热图和基于Bray-Curtis距离的NMDS分析,揭示了湿地基质微生物群落结构的时空变化及其与主要水质指标之间的相互作用关系.结果表明,湿地对TN、COD的去除效果较好,但对TP的去除效果不佳.基质微生物群落时空变化显著,与湿地净化效果密切相关,革兰氏阴性菌门类众多和假单胞菌属相对丰度较低,分别是TN去除效果较好和TP去除效果不佳的重要原因.COD、DO是影响微生物群落的主要因子,而氮含量在一定程度上影响脱氮微生物的活跃度.基质微生物在湿地运行2周后,对污染物去除的介导作用稳定,建议设立这一关键时间点,并辅以菌群、碳源投入等措施,提升湿地的净化效果.