铁氧化物与电子供体基质交互作用对红壤性水稻土中DDT还原脱氯影响

铁氧化物与电子供体基质交互作用对电子转移及具有脱氯功能的铁还原菌生长有重要影响,进而可能影响土壤中多氯代有机物的还原脱氯降解.本研究采用土壤厌氧培养实验,分析铁氧化物(针铁矿)和电子供体基质(正丁酸和乙醇)及其交互作用对红壤性水稻土中DDT脱氯的影响及其机制.结果表明,由于DDT脱氯降解,DDT及其降解产物与土壤形成结合态残留,厌氧培养6周后,土壤中DDT可提取态残留量仅为初始量的1.29%~2.01%.DDT厌氧脱氯降解的主要产物为DDD.在培养前期,加入正丁酸和乙醇使反应体系的pH降低Eh增加,进而不利于DDT还原脱氯降解.添加针铁矿或者同时添加针铁矿和电子供体基质均使反应体系的pH增加Eh降低,并且增加土壤中二价铁的量,从而促进DDT还原脱氯降解.正丁酸和铁氧化物对DDT还原脱氯无显著交互作用,而乙醇和铁氧化物对DDT还原脱氯具有拮抗作用.本研究结果对于制定DDT污染土壤的高效原位修复技术方案具有重要意义.     

甲烷13C同位素比值表征温度对甲烷生成途径的影响

采用测试气相碳同位素比值的方法比较了中温厌氧降解和高温厌氧降解过程中甲烷(CH4)生成途径的差异,表征了生活垃圾厌氧消化过程CH4生成途径的演变,并结合气液相化学组分和产甲烷菌荧光原位杂交(FISH)分析对同位素表征结果进行了验证.中温(35℃)条件下,垃圾降解初期甲烷13C同位素比值(δ13CH4)下降至-69.5‰,表明此阶段CH4主要产生自CO2还原途径;随着垃圾降解进入快速产CH4阶段,δ13CH,值相应迅速上升至一23.8%o,说明乙酸发酵逐渐成为CH4生成的主要途径,FISH实验结果也发现此阶段以乙酸发酵型产甲烷菌Methanosarcinaceac为主;当产CH4速率逐渐减小进入稳定期时,δ13CH,值迅速降低至-55‰后相对稳定,说明乙酸发酵途径的比例减小,并且维持在较稳定的水平.高温(55℃)条件下,δ13CH4值始终维持在约-70‰,表明甲烷主要由CO2还原作用生成,在快速产CH4,阶段,乙酸氧化和CO2还原作用是CH4生成的重要途径.     

微生物还原针铁矿胶体的动力学特征及其影响因素

基于典型的希瓦氏金属还原菌(Shewanella decolorationis S12)和针铁矿相互作用的现象,探讨了电子供体、针铁矿浓度及氧化还原中介体2-磺酸钠蒽醌(AQS)对其相互作用的影响.结果表明, AQS加入使针铁矿的微生物还原程度得到加强,在添加AQS的0.5mmol/L针铁矿体系中,厌氧培养38天后,被还原解离出的Fe(ΙΙ)浓度是未添加AQS的394%.针铁矿的归一化还原速率表明,当电子供体浓度一定时,随着针铁矿浓度增加,针铁矿的还原酶促反应显著减弱.米氏拟合方程表明,以不同浓度的针铁矿为底物时, S12菌-针铁矿相互作用过程的拟合相关系数R2分别为0.843(添加AQS)和0.998(未添加AQS),电子转移载体的存在以及底物类型的不同均对Vmax和Km值均有一定程度的影响.在微生物在还原针铁矿过程中,其还原速率越大,用于ATP合成所需能量 值也随之升高,S12菌和针铁矿的还原反应达到平衡时, Gibbs自由能变化(DGr)达最大值.     

干湿交替条件下不同晶型铁氧化物对水稻土甲烷排放的影响

以典型华南水稻土为研究对象,通过室内恒温培养试验,分析了不同水分条件下[干湿交替(DW)和持续淹水(CF)]不同晶型铁氧化物[水铁矿(SF)和赤铁矿(SH)]对水稻土CH4平均排放速率及产CH4潜力的影响.结果表明,与CF相比,DW处理的CH4平均排放速率平均减少了61%以上;与没有添加铁氧化物的处理相比,铁氧化物抑制了53%的CH4排放.DW与铁氧化物的耦合抑制了65%~94%的产CH4平均排放速率及57%~93%的产CH4潜力,抑制效果明显高于DW或铁氧化物的单独作用.其中DW耦合晶型较弱的水铁矿(SF-DW)所产生的抑制效应(94%)明显高于DW耦合晶型较好的赤铁矿(SH-DW,65%).统计分析结果表明Fe(Ⅲ)浓度与水稻土CH4排放速率存在显著负相关性(R2=-0.98,P<0.01).且实验结果表明,DW可以加速Fe(Ⅲ)的循环再生,而晶型较弱的SF易还原性使其Fe(Ⅲ)的循环再生更易受到DW的影响.上述结果说明,DW可以促进铁氧化物对水稻土CH4排放及产CH4潜力的抑制效应,且干湿交替与晶型较弱的水铁矿的耦合效应比干湿交替与晶型较高的赤铁矿的耦合效应更为显著.     

针铁矿对城市生活垃圾有机组分厌氧发酵的影响

利用PVC管构建厌氧发酵反应器,研究了铁氧化物对有机垃圾厌氧发酵过程中产气及垃圾渗滤液特性的影响.结果表明,添加针铁矿能够促进垃圾的水解酸化效率和产气速率,提高产气量至163.4 L,较空白提高了20%.通过对厌氧消化中间产物Fe2+、NH+4-N、NO-3-N、COD以及有机酸的分析表明,铁氧化物的存在有利于降低系统氧化还原电位,有助于提高厌氧微生物的水解酸化效率;铁氧化物的加入能够促进有机酸的转化,从而降低有机酸对厌氧微生物的抑制作用.     

硫酸盐还原菌介导的吸附态砷的迁移转化

自然界中砷(As)主要被吸附在铁氧矿物上,吸附态砷从铁氧矿物释放至水体是水中砷污染的主要来源.在此过程中,微生物起着至关重要的作用.本研究的目的是探究加入硫酸盐还原菌Desulfovibrio vulgaris DP4对吸附态砷迁移转化的影响.结果表明,0 h两体系砷释放量均为0μmol·L~(-1).与对照组相比,前84 h DP4促进了吸附态五价砷[As(Ⅴ)]的脱附,在13 h砷的释放量达到最大值12.6μmol·L~(-1),占初始总吸附量(16μmol·L~(-1))的79%,是对照组(1.5μmol·L~(-1))的8.4倍.而在84 h之后,DP4体系的砷浓度低于非生物对照组,表明溶解态砷被再次固定.此过程中,砷的释放量与氧化还原电位(Eh)显著相关(P=0.001).XRD结果表明,在DP4作用下针铁矿的结晶度降低了50%,且结晶度越低,吸附能力越强,这可能是后期砷被再次固定的原因之一.同时SEM-EDS表明DP4使得针铁矿发生团聚,部分被转化为硫铁矿.As的XANES结果表明固相中没有硫化砷生成,这进一步证明固相中生成的主要是硫铁矿,它对砷的再吸附导致了后期DP4体系中溶解态砷的浓度低于非生物对照组.此外,在固相中检测出了19%的As(Ⅲ),而液相中并未检测出溶解态的As(Ⅲ),据此推测硫酸盐还原菌原位还原了吸附态As(Ⅴ).     

生物炭及其水溶组分促进水铁矿微生物还原

采用水稻秸秆在300,400和500℃热解温度下制备生物炭(BC),并从中提取生物炭水溶组分(DBC),结合微生物还原实验和傅里叶转换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射晶体衍射(XRD)、电子顺磁(EPR)等表征手段考察BC和DBC对Geobacter sulphurreducens PCA还原水铁矿的影响和作用机制.结果表明,400℃热解BC可使微生物异化铁还原的速率增加12倍,还原率最高,这是由于其含有最多的醌基、羧基基团,可以作为电子穿梭体促进电子转移.BC不能作为电子供体直接向微生物或水铁矿提供电子.DBC使水铁矿的长期微生物异化铁还原程度和初始还原速率分别增加了10倍和2倍以上.500℃热解DBC可以充当电子供体或者电子穿梭体,促进水铁矿的微生物还原,但是不能直接化学还原水铁矿.     

模拟土壤团聚体中金属离子的吸附-还原解吸

通过高分子水凝胶包裹技术,研究了不同的团聚体模拟体系中金属离子的吸附-生物还原解吸机制。结果表明:无定形铁矿物模拟团聚体对于金属离子的吸附量高于针铁矿模拟团聚体,且交联密度1.0%包裹组金属离子吸附量小于0.3%包裹组。在希瓦氏菌的作用下,凝胶包裹的铁矿物体系中亚铁浓度先升高后下降,而铁矿物上吸附的Cu2+和Mn2+则随着生物还原作用而解吸释放;针铁矿组的解吸量低于无定形铁矿物,而交联密度高的1.0%包裹组金属离子解吸量高于0.3%包裹组。在凝胶包裹的水稻土团聚体体系中,生物还原作用同样会引起铜/镍/钴/锰离子的溶出,从而影响土壤环境中重金属污染的迁移转化。     

希瓦氏菌还原作用下黄钾铁矾的相转变特征及其负载铬的迁移转化规律

黄钾铁矾对酸性矿山废水中铬（Cr）等污染物有较好的固定去除作用.微生物活动对黄钾铁矾的稳定性和Cr的迁移转化特性有重要影响.因此,本研究在厌氧条件下,通过批次实验研究了希瓦氏菌MR-1还原溶解负载Cr黄钾铁矾过程中二次矿物的形成和Cr污染物的迁移转化特性.结果表明,希瓦氏菌能够促进黄钾铁矾的还原溶解.Cr负载能够增强黄钾铁矾的稳定性,抑制矿物的溶解转化.在不含Cr实验组,黄钾铁矾相转变产物为蓝铁矿和针铁矿;而在负载Cr实验组,二次矿物仅为蓝铁矿.在希瓦氏菌还原溶解负载Cr黄钾铁矾的过程中,矿物中有少量的Cr溶出,进入水体,随后又被吸附于新形成的二次矿物中.矿物中的Cr由原来的残渣态转化为不定型铁结合态,固相中Cr释放的风险增大.XPS检测结果表明,矿物表面的Cr（Ⅵ）被还原为Cr（Ⅲ）,Cr的毒性降低.研究结果对进一步理解酸性矿山废水中Fe、S和Cr的地球化学循环过程有重要意义.     

模拟Fe (III)和盐水输入对闽江河口潮汐湿地沉积物及间隙水Fe和S含量和形态的影响

河口潮汐湿地沉积物电子受体和盐度的变化将对间隙水、沉积物的地球化学参数及有机碳厌氧矿化途径产生重要影响.本研究于闽江河口塔礁洲淡水野慈姑(Sagittaria trifolia L.)湿地原位施加人造海水及Fe(III)溶液,模拟研究了盐水入侵及径流Fe(III)浓度增强对河口潮汐湿地沉积物、间隙水的地球化学参数(溶解性CH4、DOC、DOC∶DON、Fe2+和ΔSO2-4)和沉积物各形态固相铁(非硫Fe(II)、无定形Fe(III)、晶质Fe(III)、Fe S和Fe S2)含量的影响.结果表明,模拟盐水入侵及径流Fe(III)浓度增强均可降低间隙水溶解性CH4和DOC浓度,径流Fe(III)浓度增强增加了非硫Fe(II)和晶质Fe(III)含量,盐水入侵可减小间隙水ΔSO2-4含量.间隙水ΔSO2-4与DOC、DOC∶DON、溶解性CH4及Fe2+浓度相关.模拟盐水入侵及径流Fe(III)浓度增强可分别促进硫酸盐异化还原和铁异化还原速率,同时减小间隙水CH4浓度,改变河口潮汐湿地土壤有机质厌氧矿化优势途径.     

微氧条件下以甲烷为碳源的反硝化实验研究

为探清微氧条件下以甲烷为碳源的反硝化是甲烷好氧氧化偶联反硝化(AME-D),还是甲烷厌氧氧化偶联反硝化(ANME-D),本研究以污水处理厂厌氧污泥为接种物,在微氧条件下以甲烷为碳源进行硝酸盐和亚硝酸盐反硝化的富集培养,考察硝酸盐和亚硝酸盐的反硝化速率,并对富集培养物的微生物群落和甲烷单加氧酶功能基因进行分析.结果表明:微氧条件下硝氮/亚硝氮的还原主要以AME-D过程为主,稳定阶段硝氮和亚硝氮的平均去除速率分别为3.69 mg·L~(-1)·d~(-1)(以N计)和18.04 mg·L~(-1)·d~(-1)(以N计),富集培养物中的优势微生物为甲基球菌科(Methylococcaceae)中的甲基单胞菌属(Methylomonas),相对含量为21.86%.     

硫酸盐在厌氧生物过程中的行为 Ⅱ.硫酸盐还原行为及对体系抑制作用机理

采用半连续实验方法，研究了中温厌氧条件了硫酸盐的还原行为及产生抑制作用的机理。实验结果表明，ＳＯ４＾２－在厌氧体系中被硫酸盐还原菌全部或部分还原为硫化物，其还原率与ＳＯ４＾２－累积加入浓度有关，还原产物的形态与体系中ｐＨ值有关，较高的ｐＨ值（７．６－８．４）使体系中Ｈ３Ｓ含量下降。ＳＯ４＾２－对厌氧体系的抑制与ＳＯ４＾２－还原过程中ＳＲＢ与产甲烷菌的底物竞争及还原产物的毒性相关。前者受ＣＯＤ／ＳＯ     

Ammonium-dependent regulation of aerobic methane-consuming bacteria in landfill cover soil by leachate irrigation

The impacts of landfill leachate irrigation on methane oxidation activities and methane-consuming bacteria populations were studied by incubation of landfill cover soils with leachate and (NH₄)₂SO₄ solution at different ammonium concentrations. The community structures and abundances of methane-oxidizing bacteria (MOB) and ammonia-oxidizing bacteria (AOB) were examined by PCRDGGE and real-time PCR. Compared with the pure (NH₄)₂SO₄ solution, leachate addition was found to have a positive effect on methane oxidation activity. In terms of the irrigation amount, ammonium in leachate was responsible for the actual inhibition of leachate. The extent of inhibitory effect mainly depended on its ammonium concentration. The suppression of the predominant methaneconsuming bacteria, type I MOB, was responsible for the decreased methane oxidation activity by ammonium inhibition. Methaneconsuming bacteria responded diversely in abundance to ammonium. The abundance of type I MOB decreased by fivefold; type II MOB showed stimulation response of fivefold magnification upon the first addition but lessened to be lower than the original level after the second addition; the amount of AOB was stimulated to increase for 20-30 times gradually. Accumulated nitrate from nitrification strengthened the ammonium inhibition on type I and type II MOB, as a result, repetitive irrigation was unfavorable for methane oxidation.     

厌氧-准好氧联合型生物反应器填埋场产气规律的研究

通过将厌氧型生物反应器填埋场（ANBL）和准好氧矿化垃圾生物反应床（SAARB）串联,组成新型的厌氧-准好氧联合型生物反应器填埋场（AN-SABL）,研究其产气速率、产气量以及产气组分的变化规律,以期为填埋气体的收集、利用和处理提供理论依据.实验表明,AN-SABL中的厌氧填埋单元的产气受到了抑制,其中ANBL2号单元和ANBL3号单元的产气率分别为49 L.kg-1和39 L.kg-1,仅占ANBL1号的94.2%和75.0%,但提高回灌频率,能促进厌氧填埋单元的产气,其甲烷含量最大值可达到62.67%;ANBL夏季产气速率和产气量明显高于冬季,并以12 h为周期交替出现产气高峰;此外,AN-SABL能够促进其厌氧单元的硝化和反硝化作用,N2O的含量受季节和填埋场类型影响显著,其变化范围在0.001 7%～4.017 9%之间.ANBL的累积产气量在初始调整阶段呈对数增长,过渡酸化阶段呈线性增长,酸化产甲烷阶段呈指数增长.     

微生物-铁氧化物交互作用对黄土中砷活化迁移的影响

中国黄土高原地区普遍存在地下水砷超过饮用水标准问题,迫切需要深入认识和理解高砷地下水形成机制.在分析黄土中砷的含量、赋存状态基础上,以乳酸钠为有机碳源,开展缺氧条件下厌氧微生物-铁氧化物交互作用影响黄土中砷活化迁移的模拟实验研究.结果表明黄土中砷含量在23~30 mg·kg-1,变化范围很小.砷主要以吸附态、铁氧化物结合态、残渣态形式存在,平均值分别为10.57 mg·kg-1(占总砷37.76%)、10.12 mg·kg-1(占总砷36.15%)、7.19 mg·kg-1(占总砷25.69%);当水中存在有机物形成缺氧环境时,厌氧微生物异化铁还原菌(DIRB)和硫酸盐还原菌(SRB)直接或间接还原铁氧化物引起部分铁氧化物分解,导致吸附态和铁氧化物结合态砷部分释放到地下水中,引起地下水中砷升高,砷释放量主要与水中有机物浓度有关.研究表明,当有机物浓度达到100 mg·L-1时,固液比为1∶10,在土著微生物作用下,砷浓度可以达到15μg·L-1;接种DIRB和SRB以及两种微生物同时存在都有明显的促进黄土中砷活化迁移的作用,水中砷浓度可以达到40μg·L-1.     

喀斯特石漠化治理区土壤CH4和CO2排放研究

本研究采用静态密闭箱-气相色谱法,于2016年12月到2017年11月对重庆市南川石漠化治理示范区4个岩溶碳汇试验区(金银花地JYH、人工造林地杨树林YSL、坡改梯PGT、经济作物花椒林地HJ)及3个对照区(荒地HD、非坡改梯FPGT、弃耕地QGD)的土壤甲烷、二氧化碳的浓度及排放通量进行原位观测,探讨我国南方喀斯特石漠化地区甲烷和二氧化碳浓度分布和时空排放规律,及岩溶区土壤温度、土壤含水率等环境因子对甲烷、二氧化碳排放的影响。结果表明:不同植被类型下土壤CO_2的浓度范围为5 003. 64～19 163. 23 mg/m~3,土壤CH_4的浓度范围为5. 35～7. 46 mg/m~3。土壤CO_2的排放通量具有随季节变化土壤CO_2排放通量随季节明显变化,在一定范围内土壤温度及土壤含水率都与CO_2排放通量呈显著正相关关系。土壤CH_4释放速率没有明显的季节变化规律,在个别月份出现显著变化表现为巨大的源与汇,主要是受到土壤温度、土壤含水率及土壤微生物的共同影响。     

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.     

针铁矿、磁铁矿和石膏对2,4-二氯苯酚厌氧降解的影响

2,4-二氯苯酚(2,4-dichlorophenol,2,4-DCP)常用于农药生产,在水体和土壤中广泛分布,具有难降解、高毒性的特点.通过模拟自然过程,在厌氧反应体系中投加铁氧化物和硫酸盐矿物,重点考察了不同矿物对2,4-DCP降解的影响.结果发现,厌氧体系中针铁矿、磁铁矿和石膏对2,4-DCP均没有明显的吸附作用;质量衡算结果表明所有反应体系中仅发生2,4-DCP向4-氯苯酚(4-chlorophenol,4-CP)的转化;与无外加碳源组相比,乙酸钠的加入使得2,4-DCP的还原脱氯反应速率增大一倍.分析表明针铁矿和磁铁矿加入可刺激脱氯功能菌的生长或活性,进而提高微生物的电子传递能力和2,4-DCP的降解速率;石膏加入强烈抑制脱氯功能菌的生长或活性,进而抑制2,4-DCP的降解.研究结果对认识难生化降解卤代酚在厌氧环境中的迁移转化及环境工程中此类物质的处理具有潜在意义.     

投加颗粒活性炭和二氧化锰对剩余污泥厌氧消化的影响

厌氧系统添加碳和金属纳米材料是强化厌氧消化的有效策略.为考察投加GAC和MnO₂对剩余污泥厌氧消化过程的影响,设置了空白组(R0)、GAC组(R1)、MnO₂组(R2)以及GAC/MnO₂组(R3)4组间歇实验,研究GAC和MnO₂的投加对剩余污泥厌氧消化效率、微生物活性和微生物群落结构的影响.结果表明,反应器运行28 d后,与R0相比,R1和R3的产CH₄速率分别提高了68.18%和51.35%,R2的产CH₄量降低了21.25%.GAC和MnO₂的单独或者混合投加,对厌氧发酵过程均有促进作用.Mn²⁺与剩余污泥释放的磷酸盐生成磷酸盐沉淀对厌氧代谢通道的阻塞作用,造成R2产CH₄效率变低.GAC优良导电性、吸附能力和MnO₂/Mn²⁺的催化作用是R3产CH₄效率增强的主要原因.正常代谢条件下,投加GAC、MnO_2<...     

利用高通量测序对封存CO2泄漏情景下土壤细菌的研究

全球CO2浓度不断升高的背景下,地质封存CO2为控制大气CO2浓度上升提供了全新的思路,但封存CO2潜在的泄漏风险也对生态系统产生重大威胁.土壤微生物与土壤健康密切联系.鉴于目前地质封存CO2泄漏对土壤微生物影响的研究鲜有报道,本研究通过模拟地质封存CO2泄漏情景,利用Miseq平台Illumina第二代高通量测序土壤细菌16S rRNA基因,结合相关生物信息学分析,初步探讨了封存CO2泄漏情景下农田土壤细菌群落丰富度、多样性和群落结构的变化.试验共获得15个土壤样本的43 017个OTU共486 645条读数,生物学分析结果表明,封存CO2泄漏通量和时间不同的情景下,农田土壤细菌丰富度和细菌群落多样性的变化存在差异,初步推测CO2泄漏量增大和泄漏时间持续更长的情景下,土壤细菌丰富度和多样性下降幅度较大,土壤细菌群落中优势菌群向若干细菌集中,其中土壤酸杆菌门细菌相对增多可能作为地质封存CO2泄漏对土壤生态系统影响的生物监测指标.