磺胺嘧啶对纯膜MBBR氨氧化性能及氨氧化菌群的影响

通过向NH₄⁺-N质量浓度为30 mg·L⁻¹的合成废水中投加不同剂量磺胺嘧啶(SDZ)(0、1、3、5、7和10 mg·L^–1),比较了SDZ浓度对一台60 L单级纯膜移动床生物膜反应器(pure MBBR)的氨氧化速率、amoA基因丰度和氨氧化细菌(AOB)种群结构的影响,揭示了磺胺嘧啶对纯膜MBBR系统中氨氧化作用的影响机制。结果表明：1~3 mg·L^–1的SDZ显著提升了纯膜MBBR系统的氨氧化速率(P<0.05),出水${\rm{NH}}_4^{+} $-N质量浓度可降低至(0.19±0.10) mg·L^–1;5~10 mg·L^–1的SDZ仍能促进${\rm{NH}}_4^{+} $-N去除,但氨氧化速率变化相对平缓。相比于氨氧化古菌(AOA),AOB为纯膜MBBR氨氧化的主导者,AOB amoA基因丰度是AOA amoA基因丰度的12.2~168.5倍。1~10 mg·L^–1的磺胺嘧啶暴露显著抑制了AOB amoA基因丰度(P<0.05),但能有效刺激AOA amoA基因丰度上调(P<0.05)。高通量测序结果表明,添加磺胺嘧啶改变了AOB的种群多样性及结构,且1~3 mg·L^–1的SDZ能显著促进AOB种群多样化和亚硝化螺菌属(Nitrosospira)生长(P<0.05)。SDZ对氮源的补充、对AOB与AOA丰度占比的改变、对微生物耐药性的促进以及对AOB种群结构的干扰是其影响纯膜MBBR氨氧化过程的主要机制。     

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.     

好氧氨氧化菌混培物的氨氧化动力学研究

采用批式呼吸法求得好氧氨氧化菌产率系数为0.2119 mg COD/mg NH4 -NOD(或者0.7268 mg COD/mg NH4 -N)和氨氧化菌最大氨氮降解速率为0.1 mg NOD/(mg COD·h)(或者0.0292 mg N/(mg COD·h)).用间歇式批试验法,加入24 μmol/L NaN3抑制NO2--N氧化,建立氨氧化反应动力学方程,得到氨氮半饱和系数为18.38 mg NOD/L(或者5.36 mg NH4 -N/L),DO半饱和系数为0.494 mg/L.对比参数值表明,用一步硝化动力学来描述氨氧化反应动力学模型是错误的.     

固定化氨氧化细菌短程硝化特性研究

以高分子聚合物为载体,采用固定化细胞增殖技术固定氨氧化细菌,研究温度、pH、碱度和溶解氧等因素对短程硝化过程的影响.实验结果表明,最适宜的温度、pH分别是30℃和8.5;当碱度/NH4 -N(质量比)=6.75时,亚硝化率为87.5%;溶解氧浓度影响氨氧化速率,但对亚硝化率影响不大,溶解氧的适宜质量浓度为403 mg/L.     

有机碳对养殖池塘沉积物中反硝化、厌氧氨氧化的影响

养殖沉积物中反硝化作用对于缓解氮污染有重要的作用,沉积物中的反硝化和厌氧氨氧化菌可将化合态氮转变为氮气,从而有效降低污染,有机碳在该过程中有着重要的作用。为了解有机碳对养殖池塘沉积物中反硝化、厌氧氨氧化的影响,采取理化分析和分子生物学分析等方法,以养殖池塘沉积物为基质、人工配水为营养液,添加不同浓度的淀粉,分析120 h内底物亚硝氮(NO-2-N)、硝氮(NO-3-N)、氨氮(NH+4-N)和TOC浓度,并对反硝化、厌氧氨氧化菌群丰度变化和反硝化菌多样性进行分析。结果表明:淀粉浓度在150 mg·L-1时,NO-2-N和NO-3-N的去除率最高,分别达到98.90%和99.86%;NH+4-N去除率在淀粉浓度为50 mg·L-1时最高,为35.98%。随着淀粉浓度的增加,反硝化菌的丰度明显增加,但有机碳对厌氧氨氧化菌群具有抑制作用。当淀粉浓度为150 mg·L-1时,反硝化菌的丰度最大、多样性水平最高、物种数目最大,反硝化细菌优势菌属为未分类的变形菌属和β-变形菌属。     

淡水系统中甲烷厌氧氧化古菌的研究进展

甲烷厌氧氧化古菌(ANMEs)是甲烷厌氧氧化过程中的重要微生物种群,对自然生境甲烷削减的意义重大,目前研究多集中在海洋系统,而关于ANMEs古菌在淡水系统的研究较少,其相关作用机理和工程应用的研究也尚处于初步阶段。在综合文献及前期研究基础上,介绍了ANMEs为主线的淡水系统甲烷厌氧氧化机制,分析了ANMEs的微生物学特性及地理分布,系统梳理了ANME-2d古菌针对不同电子受体(NO3-、Fe3+、Cr6+等)的电子转移体系研究进展;指出了ANME-2d及其他ANMEs可能根据环境改变而选择不同的电子受体,其相对应的电子转移机制也不同。通过对不同电子受体下的ANME-2d及其他ANMEs在淡水系统中的作用机制进行讨论分析,可为淡水系统甲烷厌氧氧化机制和碳循环过程提供理论依据,并为在工程中应用ANMEs实现同步污染物处理和甲烷削减提供新的思路。     

不同气源曝气对一段式厌氧氨氧化工艺启动与运行的影响

在(30±2) °C的条件下,通过精确控制供氧量,以氧气为气源培养E1反应器,以空气为气源培养E2反应器,探究了不同气源对一段式短程硝化-厌氧氨氧化工艺启动、负荷提升及稳定运行效果的影响。结果表明：以氧气为气源的E1反应系统一段式短程硝化-厌氧氨氧化效果更佳,E1反应器中的${\rm{NH}}_4^ + $-N去除率在95%以上,TN去除率在85%以上,实现负荷提升的时间在10 d左右;在实现一段式短程硝化-厌氧氨氧化后,E1反应系统内ΔTN/Δ${{\rm{NH}}_4^ +} $-N和Δ${{\rm{NO}}_3^ - }$-N/Δ${{\rm{NH}}_4^ + }$-N稳定在0.88和0.11;E1、E2反应器内的AOB活性由0.3 mg·(g·h)−1分别提升至6.3 mg·(g·h)−1和5.9 mg·(g·h)−1,AnAOB的活性由1.5 mg·(g·h)−1分别提高到9.5 mg·(g·h)−1和8.6 mg·(g·h)−1。通过不同气源对一段式短程硝化-厌氧氨氧化工艺启动与运行的作用效应对比,证明了以氧气为气源应用于一段式短程硝化-厌氧氨氧化工艺的可行性与优势。以上研究结果可为其在厌氧氨氧化工程的应用提供参考。     

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。     

一种未见报道的厌氧氨氧化菌分子生物学鉴定

以(NH4):SO4和NaNO2作为基质,富集厌氧氨氧化污泥.提取厌氧氨氧化污泥中细菌总DNA,纯化后使用特异性引物对厌氧氨氧化菌16S rDNA进行PCR扩增.扩增产物连接到pMD19-T载体,将载体转化到感受态细胞大肠杆菌JM109中,并对其16S rDNA基因进行测序.将测序结果进行系统发育树分析,发现富集得到的厌氧氨氧化菌与Candidatus Anammoxoglobus propionicus进化关系比较接近,是一种尚未见报道的厌氧氨氧化菌.     

新型异养氨氧化菌的分离鉴定及氨氧化特性

从青岛海岸采集淤泥．通过富集培养,以硅胶平板点种分离．经纯化得到一株氨氧化菌H9菌株。该菌可以在营养培养基中生长,是一株异养氨氧化菌,经形态、生理生化特性、16SrRNA序列分析等初步鉴定该菌属于假诺卡氏菌属（Pseudonocardia sp．H9）。该菌株具有将氨氧化为硝酸的能力,明显不同于自养型的硝化作用过程需要亚硝化细菌和硝化细菌的密切协作才能把氨氧化成硝酸的特点。此外,该菌可以在无有机碳的培养基或在有机碳C／N达7或更高的培养基中氧化氨至硝酸;在亚硝化培养基与LB的混合培养基中,在LB占15％以下时,LB越高越有利于氨的氧化和菌的生长。该菌株的生长和氧化氨的最适温度为30℃;pH5．0～10．0,最适为8．0;氨离子摩尔浓度1～40mmol／L,最适为8mmol／L;氯化钠质量分数为0％～8％,最适为3．5％。由于该菌株具有以上的特性和优点．在污水的脱氮处理以及养殖海水的氨氮处理中有较高的应用前景,同时也是研究氨的生物氧化机制的理想菌株。     

太湖缓冲带近自然湿地氨氧化细菌的筛选及降解效果比较

以太湖缓冲带近自然湿地底泥为菌源,利用传统的富集、分离纯化等微生物手段,筛选出3株氨氧化细菌BW-1、BW-2、BW-3,检测其在富集培养液中的生长特征。测定3株细菌的16SrRNA基因序列,测序结果提交至Gen Bank进行同源性检索分析,并通过MEGA 5.0软件进行比对和系统发育分析,结果显示菌株BW-1和BW-2皆为Nitrosomonas sp.,BW-3为Nitrobacter sp.。缓冲带近自然湿地中的NH+4-N属于低污染范畴,最高为2.11mg/L。以10%(体积分数)接种量接入约5mg/L的NH+4-N废水中培养12d,定量检测结果显示菌株BW-3去除效果最好,NH+4-N去除率为73.86%,菌株BW-1对NH+4-N降解效果略差于BW-3,去除率为73.42%,菌株BW-2对NH+4-N降解效果最差,去除率仅为34.11%。     

典型生境中氨氧化古菌和厌氧氨氧化细菌的分布和丰度

运用分子生物学方法研究了某富营养化湖泊污泥(以下简称湖泊污泥)、某长期施肥的稻田土壤(以下简称稻田土壤)和某污水处理厂硝化污泥(以下简称硝化污泥)中氨氧化古菌(AOA)和厌氧氨氧化(ANAMMOX)细菌的分布及丰度。结果表明,湖泊污泥、稻田土壤和硝化污泥中AOA的amoA基因Shannon指数分别为1.64、2.14、0.57,稻田土壤的生物多样性最丰富;但以上3种生境中AOA的amoA基因丰度分别为(1.45±0.13)×10~7、(7.24±0.25)×10~5、(3.46±0.22)×10~5拷贝数/g(以干质量计,下同),湖泊污泥中最大。湖泊污泥和稻田土壤中的AOA与水/沉积物中的古菌亲缘关系相近,既有来自水/沉积物分支,又有来自土壤/沉积物分支;硝化污泥中的AOA与土壤/沉积物中的古菌亲缘关系相近,全部来自土壤/沉积物分支。湖泊污泥、稻田土壤和硝化污泥中ANAMMOX细菌的16SrRNA基因Shannon指数都较小,生物多样性不丰富,但hzsB基因的丰度分别达到(1.32±0.17)×10~8、(2.88±0.28)×10~8、(7.76±0.25)×10~8拷贝数/g。湖泊污泥、稻田土壤中ANAMMOX细菌的优势种属于Brocadia属;硝化污泥中ANAMMOX细菌的Brocadia和Kuenenia几乎各占一半。     

污泥施用对根际和非根际石灰性土壤中细菌多样性的影响

为研究污泥施用对石灰性土壤细菌多样性的影响,在连续2年种植夏玉米大田系统中,施用不同量的腐熟污泥,采集根际和非根际土壤进行16S rDNA-V3-V4区高通量测序,分析污泥施用对石灰性土壤细菌丰富度、多样性指数、群落结构、功能基因在代谢途径的影响,同时对细菌群落和环境因素之间的相关性进行分析。结果表明：污泥用量分别在3.5～37.5 t·hm⁻²和3.5～7.5 t·hm⁻²有利于非根际和根际土壤OTU数量增加;但污泥在75 t·hm⁻²过量施用时,根际和非根际土壤细菌的Shannon多样性指数显著降低,Simpson指数显著增加,Ace,Chao丰富度指数显著降低。主成分和门水平物种丰度分析表明：污泥施用量不同会造成根际和非根际细菌群落结构差异,并且当污泥施用量为75 t·hm⁻²时,明显降低了非根际土壤放线菌门的丰度;污泥施用量在3.75～37.5 t·hm⁻²时,非根际土壤中拟杆菌门丰度会明显增加。与对照相比,当污泥用量为75 t·hm⁻²时,根际土壤拟杆菌门有明显的增加,增加丰度达1.45倍,但酸杆菌门和放线菌门丰度降低了49.74%和80.57%。冗余分析(RDA)表明,土壤TN、Cd、Cu、TP是影响土壤细菌群落最主要的因素,其中TN、Cd、Cu和细菌Shannon、Simpson多样性指数呈现显著相关性(P< 0.05)。由此可见,连续过量施入污泥会对根际和非根际石灰性土壤中细菌多样性造成不利影响,而且上述微生物多样性变化可作为污泥合理施用的判断依据。     

以游泳馆污水为处理对象的SBR中不同污泥负荷下氨氧化菌群落的演变

为了研究污泥负荷对SBR系统内活性污泥微生物中氨氧化菌群落结构的影响,应用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术,对不同污泥负荷条件下SBR处理经投加葡萄糖调节的游泳馆污水的活性污泥中氨氧化菌进行了分析。研究结果表明,氨氧化菌的群落结构在不同污泥负荷条件下变化明显,在有机碳源较低的情况下生长旺盛,随着污泥负荷的提高其DGGE图谱条带数量逐渐减少,亮度逐渐减弱;在高污泥负荷环境下,氨氧化菌受到严重抑制,多样性指数大幅下降,并从系统中消失。SBR系统内氨氧化菌大部分为不可培养的变形菌,最常见的氨氧化菌是β变形菌中的亚硝化螺菌和亚硝化单细胞菌。     

微量NO2对氨氧化过程中产物的影响

在无O2条件下,氨氧化速率越高,氨氧化过程中产生的NO-2-N、NO-3-N浓度和氮损失越大;NO2为25×10-6 mg/L时氮损失率最大,约为20.93%.在相同浓度的O2条件下,氮损失与氨氧化速率相关,氨氧化速率增加时,氮损失增大.在O2的体积分数为2%时,50×10-6 mg/L NO2时的氮损失率最大,为27.57%;在O2的体积分数为21%时,100×10-6 mg/L NO2时的氮损失率最大,为34.19%.     

微纳米曝气对水库沉积物细菌及磷功能菌群落的影响

为探究微纳米曝气对水库沉积物细菌及磷功能菌群落的影响,以三明市东牙溪水库为研究对象,通过Illumina高通量测序,分析了曝气前后沉积物细菌、聚磷菌与有机解磷菌的群落组成、结构及其与环境因子的相关性。结果表明,微纳米曝气对底部产生充氧作用,进而对沉积物微生物的群落造成一定影响,微纳米曝气后,变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度上升了24.7%,厚壁菌门(Firmicutes)上升了8.3%,而绿弯菌门(Chloroflexi)下降了5.9%,酸杆菌门(Acidobacteria)下降了7.0%。曝气前,沉积物中聚磷菌的优势菌属包括Syntrophus(26.79%)、Anaeromyxobacter(14.6%)、Nitrospira(12.6%)和Anaerolinea(11.3%);而曝气后,聚磷菌优势菌属则为Pseudomonas(65.1%)和Clostridium(22.9%)。有机解磷菌的优势菌属在微纳米曝气前后同样发生了改变：在曝气前,优势菌属为Azospira、Mesorhizobium、Pseudomonas、Chelatococcus、Variovorax,分别占8.6%、5.4%、5.3%、5.2%、和5.2%;在曝气后,优势菌属则为Azospira、Variovorax、Chelatococcus、Pseudomonas、Acidovorax,分别占11.3%、6.5%、6.1%、5.9%和5.8%。冗余分析结果表明,不管是聚磷菌还是有机解磷菌,其群落组成与沉积物表层的溶解氧(DO)均显著相关(P<0.05)。微纳米曝气工程的实施,对水库沉积物微生物的群落组成、结构有一定影响。     

温度变化对不同污泥形态厌氧氨氧化菌活性的影响

以Ca. Brocadia为主要种属的厌氧氨氧化颗粒污泥和生物膜为研究对象,通过测定不同温度下厌氧氨氧反应活化能以探讨温度对以不同污泥形态存在的厌氧氨氧化菌的短期影响。结果表明,在15~25 ℃和25~35 ℃,以颗粒污泥及生物膜形态存在的厌氧氨氧化菌的反应活化能不同。在15~25 ℃,颗粒污泥和生物膜中的厌氧氨氧化反应活化能分别为105.60 kJ·mol⁻¹和88.25 kJ·mol⁻¹,而在25~35 ℃,对应的活化能分别为62.15 kJ·mol⁻¹和56.78 kJ·mol⁻¹,均低于同温度条件下以游离态存在的厌氧氨氧化菌的反应活化能。这说明不同污泥形态对Anammox菌的温度效应不同,以生物膜和颗粒污泥形态存在的厌氧氨氧化菌具有较强抵抗温度变化的能力。在15~25 ℃,颗粒污泥和生物膜中厌氧氨氧化菌的温度系数θ分别为1.14和1.12,在25~35 ℃,对应的温度系数θ分别为1.09和1.08。与硝化菌或反硝化菌相比,厌氧氨氧化菌的温度系数$ \theta $偏大。这表明厌氧氨氧化菌对温度的变化更为敏感,使得厌氧氨氧化在低温条件下首先将成为限制步。     

温度变化对厌氧氨氧化反应的影响

对一套处理效率高、运行稳定的UASB．生物膜厌氧氨氧化反应器进行了温度变化的实验研究。实验结果表明,厌氧氨氧化反应对温度变化比较敏感,温度从31℃下降到17℃后,反应器内的厌氧氨氧化活性受到显著抑制,氨氮、亚硝酸盐氮和总氮的平均去除率迅速从97．0％、94．1％、86．0％下降为46．2％、41．8％、35．5％。当历时2个月反应器温度逐渐从17℃升高到31℃时,反应器内高效厌氧氨氧化活性逐渐得到恢复。反应器在17℃停止运行2个月后,直接升温至31℃再次运行,仅仅需要17d时间,反应器内厌氧氨氧化高活性就得到恢复,氨氮、亚硝酸盐氮和总氮的最高去除率达到99．4％、90．6％和85．0％。厌氧氨氧化反应的最佳温度应为31℃。     

盐分对一株硫氧化细菌氧化能力的影响

通过液体选择培养基、平板划线的方法从脱硫污泥中分离筛选出一株硫氧化细菌,并对其进行初步鉴定和生长特性的分析。结果表明,该细菌为化能自养型细菌,短杆状,大小为0.5~0.8 μm × 1.2~3.0 μm,革兰氏染色显阴性。以5%的接种量接种于富集培养基,S2-初始浓度为100 mg/L时,SOB在60 h内基本将还原态硫氧化完全,pH最低降到2左右。当溶液中有SO42-量积累和电导率升高后,对SOB氧化S2O32-过程有明显的抑制作用。该菌株对盐分的耐受值为7 650 μS/cm(以电导率计)。     

底物流加-间歇运行方式下氨氧化细菌富集培养的效果及影响因素分析

富集培养氨氧化细菌(AOB)可为污水处理工艺提高氨氮氧化速率、促进亚硝酸盐积累提供物质基础。在(20±2) ℃下,采用底物流加-间歇运行方式进行氨氧化细菌富集培养,重点考察了游离氨(FA)、游离亚硝酸(FNA)、溶解氧(DO)等因素的影响,并对富集前后活性污泥样品中的AOB进行了定性定量分析。结果表明：第15天左右AOB增殖进入稳定生长期,比氨氮氧化速率由接种时的4.45 mg·(g·h)⁻¹升高至57.22 mg·(g·h)⁻¹;通过pH、底物流加速率和实际反应速率关系的联合控制,可以实现整个反应过程中FA和FNA在预期范围内波动;即使在极低的DO条件下,高纯度的AOB也可进行氨氮氧化。高通量测序结果表明,体系内Nitrosomonas属的AOB大幅度增长,可由0.23%上升至54.18%,亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的生长得到了有效抑制,培养结束时仅为0.12%。荧光定量PCR对AOB功能基因amoA的绝对含量结果表明,富集前后平均拷贝数由2.67×10⁵ copies·g⁻¹升至最大,可达9.67×10⁹ copies·g⁻¹,AOB成为活性污泥中的优势菌。本研究结果可为常温条件下快速富集AOB提供参考。