MnO2强化厌氧氨氧化工艺启动及其微生物机理研究

通过对照试验考察了添加MnO₂对厌氧氨氧化污泥驯化和培养的影响,并采用16S rRNA基因高通量测序技术和定量PCR分析其机理.结果表明,添加MnO₂粉末能够显著提高容积氮负荷及运行性能,其脱氮速率高达848.04 mg·L^-1·d^-1,几乎是对照组反应器的2倍.16S rRNA基因高通量测序技术和定量PCR结果表明,添加MnO₂粉末促进了典型厌氧氨氧化菌Candidate Brocadia的富集,厌氧氨氧化菌16S rRNA基因和功能基因hzsB的丰度显著提高.     

淡水水体底泥中厌氧氨氧化菌的原位鉴别

采用16S rRNA方法对江苏省新沂河的底泥样品进行了厌氧氨氧化菌的原位检测,建立了样品的16S rRNA克隆文库,共包括6个16S rRNA克隆序列.对文库中克隆序列利用ARB软件包进行了排队分析及系统发育树的绘制.分析结果表明,新沂河底泥样品中含有与已知厌氧氨氧化菌Candidatus“Brocadia anammoxidans”相似性为91%的16S rRNA基因,经鉴定为厌氧氨氧化菌Brocadia分支的新种类.样品中还含有组成Planctomycetes新分支的16S rRNA基因,它们与已知厌氧氨氧化菌序列的遗传距离较远,其微生物特性还有待进一步研究.厌氧氨氧化菌在淡水环境中的发现将有助于进一步研究厌氧氨氧化过程在受损淡水生态系统修复重建中的作用,重新认识其中的氮循环过程.     

不同污泥在微波预处理-厌氧消化过程中抗性基因分布及菌群结构演替

城市污水厂剩余污泥是抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARG）的重要储存库,污泥处理过程中ARG的转归趋势及其与菌群结构变化的关系仍需人们深入研究.本研究考察了A²O和A²O-MBR工艺的城市污水厂剩余污泥的ARG与细菌群落结构在微波预处理-厌氧消化处理过程中的演变规律,结果表明,两种原污泥的菌群结构及携带的ARG丰度分布区别较大;虽然微波预处理不会显著改变菌群结构,但预处理-厌氧处理后的消化污泥菌群结构有显著差异;无论有/无预处理,厌氧消化过程对污泥中ARG和MGE的分布有趋同性的作用;ermF、qnrS和bla_NDM-1是厌氧消化过程中易于增殖传播的抗性基因;污泥特性中,生物量、氨氮和正磷对ARG和MGE分布的影响力最大;污泥性质对细菌群落结构、尤其是部分功能菌属变化有重要影响.本研究结果可为人们进一步了解污泥厌氧消化过程中ARG的传播与控制提供科学参考.     

氯代乙烯的厌氧微生物还原脱氯特性

四氯乙烯（PCE）和三氯乙烯（TCE）是地下水中典型的卤代有机化合物,严重威胁生态环境与人体健康.为获得氯代乙烯高效厌氧降解菌剂并探究其在污染地下水中的应用潜能,利用某工业污染场地的地下水,通过投喂PCE或TCE进行长期富集培养,获得了可将PCE和TCE完全脱氯成无毒乙烯的厌氧菌剂W-1.菌剂W-1的PCE和TCE脱氯速率分别是（120.1 ±4.9） μmol·（L·d）^-1和（172.4 ±21.8） μmol·（L·d）^-1.16S rRNA基因扩增子测序和qPCR结果表明,98.3 μmol PCE还原脱氯至顺-1,2-二氯乙烯（cis-1,2-DCE）时,Dehalobacter丰度从1.9%增长至57.1%,基因拷贝数每释放1 μmol Cl^-增加1.7×10⁷ copies;cis-1,2-DCE完全还原脱氯至乙烯时,Dehalococcoides丰度从1.1%增长至53.8%;PCE完全还原脱氯至乙烯过程中Dehalococcoides基因拷贝数每释放1 μmol Cl^-增加1.7×10⁸ copies.以上结果说明Dehalobacter与Dehalococcoides协同互作实现PCE完全降解解毒.当菌群W-1以TCE为电子受体时,222.8 μmol TCE完全还原脱氯至乙烯时候,Dehalococcoides丰度从（29.1 ±2.4）%增长至（77.7 ±0.2）%,基因拷贝数每释放1 μmol Cl^-增加（1.9 ±0.4）×10⁸ copies.结合PCR和Sanger测序,获得了菌剂W-1中主要脱卤菌Dehalococcoides LWT1较完整的16S rRNA基因序列,其与D. mccartyi strain 195 16S rRNA基因序列相似度达100%.将菌群W-1添加至受TCE（418.7 μmol·L^-1）污染的地下水中,28 d内实现了（69.2 ±9.8）%的TCE被完全脱毒至乙烯,TCE脱氯速率为（10.3 ±1.5） μmol·（L·d）^-1.研究成果可为PCE或TCE污染地下水开展厌氧微生物修复提供菌剂资源和理论指导.     

利用FISH和DGGE对产甲烷颗粒污泥中微生物种群的研究

利用FISH和DGGE技术对厌氧反应器内处于不同运行阶段的4个产甲烷颗粒污泥进行研究,考察其中真细菌和古细菌的种群结构,并对其中的优势古细菌进行系统发育分析.FISH结果表明,颗粒污泥中真细菌含量明显高于古细菌,真细菌主要分布在颗粒污泥外层,古细菌则主要分布在内层;DGGE结果表明,随着反应器COD负荷的增加以及运行时间的延长,真细菌种群结构相对较稳定,而古细菌种群结构则发生了较明显变化,其中占优势的古细菌种类逐渐减少;将有代表性的7个古细菌条带切胶回收并测序,结果显示,反应器运行后期占优势的菌种主要包括甲烷微粒菌(Methanocorpusculum)、甲烷杆菌(Methanobacterium)和甲烷髦毛菌(Methanosaeta)等.     

厌氧氨氧化启动过程细菌群落多样性及PICRUSt2功能预测分析

细菌群落是实现厌氧氨氧化系统高效脱氮的核心,而厌氧氨氧化启动过程细菌群落多样性及其功能特征仍未被充分阐明.本研究采用升流式厌氧污泥床（UASB）反应器进行厌氧氨氧化系统启动,利用16S rRNA基因高通量测序技术并结合PICRUSt2功能预测分析,研究启动过程不同时间（d0、d30、d60和d90）细菌群落多样性及功能动态变化特征.结果表明,启动过程共检测到48个门、111个纲、269个目、457个科、840个属和1497个种;Candidatus_Brocadia和Candidatus_Kuenenia为检测到的厌氧氨氧化菌,且它们的相对丰度在启动过程不同时间存在显著差异（P<0.05）.启动过程,细菌群落α多样性指数整体呈现显著的降低趋势（P<0.05）,细菌群落结构呈现出明显的空间分异特征,且差异显著（R=0.846,P<0.01）.PICRUSt2功能预测分析表明,启动过程,细菌群落具有丰富的功能多样性,一级功能层表现为有机系统和代谢方面较为活跃,二级功能层子功能基因丰度在厌氧氨氧化启动过程发生明显变化;细菌群落涉及49个参与氮素代谢的相关功能基因,且不同时间阶段参与硝化、反硝化、厌氧氨氧化、硝酸盐同化/异化还原和亚硝酸盐同化/异化还原过程的相关功能基因丰度发生明显变化.     

同步短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化颗粒污泥培育过程及其性能

本研究以低碳氮比废水为基质,厌氧氨氧化污泥优配普通活性污泥为接种物,在新型气升式内循环反应器中培育同步短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化颗粒污泥.结果表明,经过225 d的连续运行可培育成熟稳定的颗粒污泥,其总氮去除率高达91.4%.相较于絮状污泥,颗粒污泥中厌氧氨氧化活性显著增加,并且厌氧氨氧化活性在4个脱氮过程中活性最大,其次是短程硝化,且短程反硝化比活性是亚硝酸盐还原比活性的2.1倍.高通量测序结果表明,颗粒污泥中短程硝化和厌氧氨氧化的优势菌分别为Nitrosomonas和Candidatus_Brocadia,并相较于絮状污泥,它们的丰度分别增加至0.70%和0.57%.Thauera可能是颗粒污泥中潜在的短程反硝化优势菌,其丰度达到0.26%.RT-qPCR分析结果表明,相比接种阶段,短程硝化的功能基因amoA和hao转录水平分别增加了3.5和1.5倍,厌氧氨氧化功能基因hzsA转录水平增加了2.1倍,短程反硝化过程中napA和narG转录水平增加的倍数之和是nirK和nirS的倍数之和的4.8倍.本研究结果将为处理低碳氮比废水提供新的思路.     

热水解时间对污泥厌氧消化系统微生物群落结构影响分析

为评估热水解时间对北京市大兴区某污水处理厂污泥厌氧消化系统微生物群落结构的影响,利用Illumina MiSeq高通量测序方法,分析了不同热水解时间（15、30和45 min）对初沉污泥和剩余活性污泥厌氧消化系统中微生物群落结构及其多样性的影响因素.结果表明,消化污泥优势类群主要分布在厚壁菌门（Firmicutes）、阴沟单胞菌门（Cloacimonadota）、绿弯菌门（Chloroflexi）和同力菌门（Synergistota）,相对丰度之和超过60%,相对丰度最高菌属为W5,占比为20.8%~54.5%,表现为少数优势物种的高丰度特征.热水解污泥厌氧消化过程中,高挥发性脂肪酸和氨氮浓度导致嗜乙酸产甲烷菌相对丰度减少,嗜氢产甲烷途径多于嗜乙酸产甲烷途径.环境因子关联分析结果显示,消化进泥可溶蛋白质、消化进泥pH值、消化出泥氨氮和热水解时间是影响微生物群落结构的4个主要环境因子,其中消化出泥氨氮对产甲烷菌属的影响最大,呈负相关关系.热水解时间与Chao指数和Shannon指数均呈负相关,较长热水解时间不利于提高厌氧消化过程微生物菌群丰富度和多样性.     

阿维菌素废水工业化UASB颗粒污泥产甲烷菌群分析

产甲烷菌群是厌氧颗粒污泥的重要功能菌群,采用荧光原位杂交(fluorescencein situhybridization,FISH)技术对阿维菌素废水处理工业化UASB颗粒污泥产甲烷菌群进行分析.结果表明,不同形成阶段(不同粒径)颗粒污泥表面和内部剖面,一般产甲烷菌(methanogens)、产甲烷杆菌(Methanobacteriales)和产甲烷八叠球菌(Methanosarcinales)的分布形态相同,但相对丰度存在差异.颗粒污泥内部剖面产甲烷菌群相对丰度大于表面;产甲烷杆菌相对丰度大于产甲烷八叠球菌;颗粒污泥表面和内部剖面产甲烷菌群相对丰度范围为(25.50±8.63)%~(48.67±8.87)%;1.0~2.0 mm粒径颗粒污泥产甲烷菌群相对丰度最大,内部剖面和表面一般产甲烷菌的相对丰度分别为(47.08±8.26)%和(48.67±8.87)%.废水阿维菌素残留可能对产甲烷菌群具有抑制作用.不同粒径颗粒污泥最大比产甲烷活性范围为1.311~1.562 g/(g.d),变化趋势与COD去除率变化趋势相同,而且与产甲烷菌群相对丰度变化趋势一致,表明颗粒污泥生物活性与产甲烷菌群密切相关.     

零价铁对污泥厌氧消化过程中四环素抗性基因水平转移的作用影响

细菌抗药性问题已成为全球生态环境安全和人体健康领域的一个关注焦点.污水处理剩余污泥是抗生素抗性基因（ARGs）的一个重要储存库和排放源,采用荧光定量PCR方法检测分析了四环素抗性基因（TC-ARGs,包括tetA、tetC、tetG、tetM、tetO、tetW和tetX）及第一类整合子 intI1基因丰度在污泥厌氧消化过程中的变化特征,考察了不同投加量零价铁（Fe⁰）对目标基因的消长影响,初步分析了质粒DNA接合作用对TC-ARGs水平转移的作用影响,并探讨了TC-ARGs与 intI1基因之间的相关关系.结果表明,污泥厌氧消化过程对TC-ARGs和intI1基因丰度具有不同程度的削减作用,其中tetX基因丰度降幅可达2.4个数量级.Fe⁰的加入对TC-ARGs和intI1基因丰度削减不显著,并且随着Fe⁰投加量的增加,TC-ARGs和intI1基因丰度相比对照组出现逐渐升高的趋势.通过对质粒组DNA所携带的TC-ARGs基因丰度进行检测分析发现,质粒DNA接合作用对TC-ARGs的水平转移具有促进作用.相关性分析结果显示,tetG与intI1基因之间具有显著正相关关系,表明intI1基因在污泥厌氧消化过程中可能对tetG基因的演变过程具有重要影响.     

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.     

生物炭添加对秸秆还田土壤细菌群落结构和多样性影响

为探讨生物炭对秸秆还田土壤细菌群落结构和多样性的影响,采用变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术结合克隆测序技术,对未添加(SW)和添加(SBW)生物炭秸秆还田土壤细菌群落结构和多样性进行表征.DGGE谱图和多样性分析结果表明,生物炭添加增加了秸秆还田土壤细菌DGGE图谱条带位置和灰度值及均匀度的变化,但两个处理土壤细菌群落Shannon-Wiener指数和丰富度没有显著差异(p0.05).聚类分析结果表明,SBW处理土壤细菌群落聚为5类,SW处理土壤细菌群落可聚为6类.DGGE条带测序和结构分析结果表明,生物炭添加导致秸秆还田土壤中Actinobacteria、Nitrospira消失和Spirochaetes、Gemmatimonadetes、Chloroflexi、WS3出现,并导致Firmicutes、Proteobacteria所占比例升高和Acidobacteria、Bacteroides所占比例降低,说明生物炭添加促进了秸秆还田土壤细菌群落组成结构变化.     

Microbial community changes in aquifer sediment microcosm for anaerobic anthracene biodegradation under methanogenic condition

The widespread distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in groundwater has become an important environmental issue. Knowledge of microbial community changes could aid in identification of particular microorganisms that are capable of degrading PAHs in contaminated aquifers. Therefore, 16S rRNA gene clone library analysis was used to identify the archaeal and bacterial communities in an aquifer sediment microcosm used for anaerobic anthracene degradation under methanogenic conditions. A remarkable shift of the archaeal community structure occurred after anaerobic anthracene degradation, but the types of the abundant bacterial phyla did not change. However, a decrease of both archaeal and bacterial diversity was observed. Bacterial genera Bacillus, Rhodococcus and Herbaspirillum might have links with anaerobic anthracene degradation, suggesting a role of microbial consortia. This work might add some new information for understanding the mechanism of PAH degradation under methanogenic conditions.     

Do land utilization patterns affect methanotrophic communities in a Chinese upland red soil?

Soil samples were collected from three plots under different land utilization patterns including degradation,farming,and restoration.The abundances of methanotrophs were quantified using real-time polymerase chain reaction(PCR)based on the pmoA and 16S rRNA genes,and the community fingerprint was analyzed using denaturing gradient gel electrophoresis(DGGE)aiming at pmoA gene.Significantly lower 16S rRNA and pmoA genes copies were found in the degradation treatment than in farming and restoration.Higher abundances of Type Ⅰ than those of Type Ⅱ methanotrophs were detected in all treatments.The treatment of farming was clearly separated from degradation and restoration according to the DGGE profile by cluster analysis.The lowest diversity indices were observed in the F(farming plot),suggesting that the community structure was strongly affected by farming activities.There were significantly positive correlations between the copy numbers of pmoA also Type Ⅱ-related 16S rRNA genes and soil available K content.Strong negative and positive correlations were found between Type Ⅰ and soil pH,and available P content,respectively.We concluded that the vegetation cover or not,soil characteristics including pH and nutrients of P and K as a result of anthropogenic disturbance may be key factors affecting methanotrophic communities in upland soil.     

基于16S rDNA不同靶序列对厌氧ABR反应器微生物多样性分析的影响

在反硝化抑制硫酸盐还原菌的研究中,探讨了不同引物扩增16S rDNA靶序列对厌氧ABR反应器的活性污泥DGGE图谱多样性的影响,从反应器中提取污泥总DNA,以4对通用引物341F/534R、968F/1401R、63F/534R、341F/926R扩增16S rDNA序列,对指纹图谱的分辨率和种群多样性进行分析.研究表明,采用PBS洗涤污泥和超声振荡有利于硫酸盐还原污泥总DNA提取;不同引物DGGE图谱分析,群落多样性存在显著的差异,341F/534R和968F/1401R的靶序列分离效果较好,341F/926R分离效果一般,63F/534R分离的效果最差.341F/534R的DGGE图谱中条带丰富,多样性最好,968F/1401R的DGGE图谱次之,341F/926R的DGGE图谱条带一般,63F/534R图谱条带最少,多样性也较差.建议DGGE分析厌氧活性污泥样品时,同时采用引物341F/534R和968F/1401R是比较适宜的.     

Do land utilization patterns a ect methanotrophic communities in a Chinese upland red soil?

Soil samples were collected from three plots under di erent land utilization patterns including degradation, farming, and restoration. The abundances of methanotrophs were quantified using real-time polymerase chain reaction (PCR) based on the pmoA and 16S rRNA genes, and the community fingerprint was analyzed using denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) aiming at pmoA gene. Significantly lower 16S rRNA and pmoA genes copies were found in the degradation treatment than in farming and restoration. Higher abundances of Type I than those of Type II methanotrophs were detected in all treatments. The treatment of farming was clearly separated from degradation and restoration according to the DGGE profile by cluster analysis. The lowest diversity indices were observed in the F (farming plot), suggesting that the community structure was strongly a ected by farming activities. There were significantly positive correlations between the copy numbers of pmoA also Type II-related 16S rRNA genes and soil available K content. Strong negative and positive correlations were found between Type I and soil pH, and available P content, respectively. We concluded that the vegetation cover or not, soil characteristics including pH and nutrients of P and K as a result of anthropogenic disturbance may be key factors a ecting methanotrophic communities in upland soil.     

Shinella zoogloeoides BC026对吡啶的降解特性研究

从首钢焦化厂的污水处理系统中分离1株能以吡啶为唯一碳、氮源的细菌BC026,它具有自絮凝特性,对卡那霉素、氨苄青霉素和壮观霉素具有抗性,可在阿须贝无氮培养基中良好生长.通过16S rRNA序列分析和Biolog微生物鉴定系统鉴定,确定该菌为Shinella zoogloeoides.纯菌对单基质的降解实验表明,在30℃、180 r/min和pH为7的条件下,当投菌量为0.1 g/L时,BC026可在17 h内将400 mg/L吡啶完全降解;在吡啶初始浓度为99～1 806 mg/L的无机盐培养基中,BC026均能保持降解活性,较高初始浓度的吡啶对BC026的生长产生一定抑制,但BC026在适应后对吡啶的降解速率较快;降解最适温度为30～35℃,最适pH为8.BC026对吡啶的代谢途径研究表明：降解的第一步是断开吡啶的2条C—N链,生成氨氮和戊二醛,随后戊二醛被氧化为戊二酸,并最终转化为二氧化碳和水;吡啶中的氮有59.5%转化成氨氮.     

脱硫石膏对稻田CH4释放及其功能微生物种群的影响

为探究脱硫石膏对温室气体CH_4排放及其功能微生物种群的影响,采用静态暗箱/气相色谱法,高通量测序和荧光定量PCR技术,研究了FGDG0(0 t·hm~(-2))、FGDG1(2 t·hm~(-2))、FGDG2(4 t·hm~(-2))、FGDG3(8 t·hm~(-2))、FGDG4(16 t·hm~(-2))这5个施加脱硫石膏处理下CH_4排放特征、稻田细菌群落结构及产甲烷菌和甲烷氧化菌丰度的变化.结果表明施加脱硫石膏后,土壤p H显著提高(P0.05),土壤氧化还原电位、有机质、速效钾含量增加,但处理间无显著差异(P0.05);稻田CH_4平均排放通量随着脱硫石膏用量增加而降低,且FGDG1FGDG2FGDG3FGDG4,较对照分别减少31.56%、57.30%、83.60%、90.66%;与对照相比,FGDG1、FGDG2处理增加了土壤细菌丰富度和多样性,但用量超过4 t·hm~(-2)后,细菌丰富度和多样性逐渐降低;与对照相比,稻田土壤硫酸盐还原菌属相对丰度显著提高6.98%~13.56%,甲烷氧化菌pmo A基因丰度增加0.3%~6.2%,产甲烷菌mrc A基因丰度显著下降2.4%~15.8%,且丰度比(pmo A/mcr A)随着脱硫石膏用量增加而增大;相关性分析表明,CH_4平均排放通量与土壤中硫酸盐还原菌属相对丰度呈显著负相关,与产甲烷菌mcr A基因丰度呈显著正相关,与pmo A/mcr A比呈显著负相关.综上,脱硫石膏能够提高稻田土壤细菌群落多样性,抑制稻田CH_4排放.     

PCR-DGGE技术解析生物制氢反应器微生物多样性

为了揭示发酵法生物制氢反应器厌氧活性污泥的微生物种群多样性 ,从运行不同时期取厌氧活性污泥 ,通过细胞裂解直接提取活性污泥的基因组DNA .以细菌 16SrRNA基因通用引物F338GC/R5 34进行V3高变异区域PCR扩增 ,长约 200bp的PCR产物经变性梯度凝胶电泳 (DGGE)分离后 ,获得微生物群落的特征DNA指纹图谱 .研究表明 ,不同时期的厌氧活性污泥中存在共同种属和各自的特异种属 ,群落结构和优势种群数量具有时序动态性 ,微生物多样性呈现出协同变化的特征 .微生物多样性由强化到减弱 ,群落结构之间的相似性逐渐升高 ,演替速度由快速到缓慢 .优势种群经历了动态演替过程 ,最终形成特定种群构成的顶级群落 .