木质纤维素沼气体系中共培养菌群形成及适应性变化研究进展

木质纤维素沼气化是生物能源领域最具潜力的技术之一,需要各功能菌群的协同作用和调控.本文综述了水解菌群、丙酸和丁酸互营氧化菌群以及乙酸产甲烷中各类菌群的协同效能.在水解阶段,厌氧真菌与嗜氢甲烷菌、纤维素降解菌和耗氢菌形成互利菌群后,代谢途径发生改变,实现了NAD+的再生,提高了水解效率;水解菌与非水解菌通过功能互补、抑制解除方式发挥作用.丙酸和丁酸互营氧化菌群形成后,适应性变化主要体现在种间距离缩短,电子转移加快及相关基因表达水平提高等方面.高温、高乙酸及高氨氮条件下,乙酸互营氧化产甲烷途径增强,使代谢途径更加灵活.未来菌群研究可从群体感应信号和基因水平转移两方面展开:借助调控因子,结合基因和蛋白质组学等手段深入研究群体感应信号在功能菌群形成中的作用;在菌群的适应性机理方面,通过组学分析来揭示基因水平转移在菌群适应性变化及系统进化中的意义,以便为重塑菌群结构和功能改造提供理论支持.     

海南红树林沉积物中多环芳烃降解菌群组成及降解率的比较研究

已有研究证明能从有PAHs污染的区域筛选相应的降解菌,海南红树林存在PAHs污染,但少有研究从海南红树林沉积物中筛选PAHs降解菌。文章的研究目的是从海南不同红树林分布区的沉积物中筛选PAHs的降解菌群比较PAHs的降解菌群降解特征,并阐明菌群降解率和菌群结构之间的关系,为环境中PAHs污染区域修复提供理论依据。通过采集海南不同红树林中24个样点的沉积物,以菲、芘、苯并(a)芘3种PAHs为混合碳源,富集培养降解菌群,用HPLC测定菌群降解率,以传统分离培养的方法比较菌群组成差异。所有样点筛得的群对3种底物的平均降解效率为菲(3-环)芘(4-环)苯并(a)芘(5-环)。由贪噬菌属和剑菌属组成的菌群Q15,对菲的降解率达到95.3%,由伯克氏菌属、鞘脂单胞菌属组成的菌群Q12对芘降解率为94%,仅有申氏菌属的菌群Q9,对苯并(a)芘降解率为49.7%。所有样点共筛得23个属60个种的降解菌,除两株为厚壁菌门外,其他均为变形菌门。其中变形菌门中菌DAC9的16S rRNA序列与最相近的菌株序列一致性为97%,可能是潜在新菌。结果表明,红树林沉积物中富集培养的PAHs降解菌群对3种底物的降解效率存在差异,其中中低环PAHs更易被降解。不同的菌属组合对PAHs的降解能力不同。并从沉积物中筛选出了一株潜在新菌。     

杨树人工林连作与轮作土壤酚酸降解细菌群落特征及酚酸降解代谢规律

杨树人工林的连作障碍与土壤中的酚酸累积有密切关系.采用宏基因组测序技术研究I-107(Populus×euramericanna‘Neva’)欧美杨人工林连作与轮作土壤酚酸降解细菌群落特征及酚酸降解代谢的演变规律.供试土壤中共发现5种酚酸降解细菌,分别是假单胞菌(Pseudomonas sp.)、鲍氏不动杆菌(Acinetobacter baumannii)、皮氏罗尔斯顿菌(Ralstonia pickettii)、Acetobacteraceae bacterium AT-5844、多噬伯克霍尔德菌(Burkholderia multivorans).土壤酚酸降解细菌的丰度因人工林主伐更新轮作方式而异(P0.05),表现为Ⅰ代林地轮荒地轮作花生地Ⅱ代林地.杨树Ⅰ代林和Ⅱ代林土壤酚酸降解细菌的群落结构基本一致,总丰度Ⅱ代林较Ⅰ代林减少了9.69%,根际土壤中皮氏罗尔斯顿菌和Acetobacteraceae bacterium AT-5844丰度明显高于非根际土壤,根际效应明显;与杨树Ⅱ代林地相比,轮作花生地和轮荒地土壤中酚酸降解细菌总丰度分别增加了1.74%和8.27%.供试土壤中共发现6种酚酸降解关键酶,不同土壤中酚酸降解酶基因表达丰度存在显著差异(P0.05),总体表现为Ⅰ代林地Ⅱ代林地轮作花生地轮荒地,杨树Ⅱ代林地比Ⅰ代林地低11.18%,而轮作花生地和轮荒地分别又比杨树Ⅱ代林地低27.62%和19.90%,但轮作花生地和轮荒地中酚酸脱羧酶的基因表达丰度较杨树Ⅱ代林分别增加了73.33%和33.33%.因此,杨树人工林连作一代后,土壤中酚酸降解细菌的生长和代谢活性均受到了抑制;轮作可以改善连作对杨树人工林部分土壤酚酸降解细菌生长繁殖和代谢活动的影响.     

产氢细菌FSC-15对稻草秸秆厌氧发酵产甲烷的影响

产氢细菌是厌氧发酵过程中重要的功能微生物.将分离自纤维素降解产甲烷复合菌系FSC的产氢细菌FSC-15回补至复合菌系,通过监测氢气产量、甲烷产量、脂肪酸浓度及秸秆降解效率,探究产氢细菌对水稻秸秆水解产甲烷代谢及微生物群落结构的影响.结果显示:添加菌株FSC-15使FSC中纤维素、半纤维素和木质素降解率分别提高了17.33%、28.61%和47.21%,对复合菌系FSC中秸秆降解效率有一定促进作用.培养第3天,氢气产量相比复合菌系FSC提高了41.18%,为产甲烷菌提供更充足的底物,使甲烷产量提高1倍.高通量测序结果显示,Ruminococcaceae和Methanobacteriaceae分别是水稻秸秆厌氧发酵产甲烷体系中水解纤维素和产甲烷的主要类群,Methanobacteriaceae是厌氧发酵体系挥发酸含量较高时产甲烷的主要物种,补加产氢细菌FSC-15对厌氧降解纤维素产甲烷菌系中的细菌群落结构无明显影响,但可以改变古菌的物种多样性及丰度.本研究证明向水稻秸秆厌氧发酵体系补加功能微生物能有效提高体系甲烷产量,可为调控水稻秸秆厌氧消化技术提供理论支撑.     

孔雀石绿降解菌M3的分离鉴定及降解特性研究

从鱼塘底泥中筛选分离出1株能高效降解低含量孔雀石绿(MG)的细菌M3.经16S rDNA同源性序列分析,鉴定为泛菌属(Pantoea sp.).30 ℃静止培养条件下,该菌株对0.5、1.0、2.0和5.0 mg·L-1孔雀石绿5 d的降解率分别为97.54%、97.1%、100%和77.8%.菌株M3不能以MG为唯一碳源进行生长和代谢.葡萄糖、NH4NO3、KH2PO4/K2HPO4均能影响菌株M3对MG的降解.20～30 ℃温度范围内菌株M3对MG有明显降解效果,且降解速率随温度上升而提高.     

微生物互营产甲烷研究进展

甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体,也是典型的可再生资源.目前大气中的甲烷约有74%来自微生物互营产甲烷过程.研究微生物互营产甲烷对于控制全球气候变暖和发展清洁能源都具有重要意义.本文主要对产甲烷菌的类型、互营产甲烷的过程、电子传递等方面进行综述.典型的有机物厌氧互营氧化要经历3个步骤,主要由3种不同的菌群完成,即发酵菌、互营菌和产甲烷菌.互营产甲烷过程释放的能量很低.在互营产甲烷过程中存在互营菌的种内电子传递和互营菌与产甲烷菌的种间电子传递.反向电子传递是互营菌种内电子传递的一种方式,表现为电子歧化和电子聚合,都需要消耗能量使得热力学上不利的氧化还原反应得以发生.种间电子传递包括种间氢气转移、种间甲酸转移和种间直接电子传递3种方式.未来人们可以利用基因敲除、高通量测序、计算生物学等方法研究互营微生物间底物和电子的传递,以及互营菌群对环境变化的响应机制,以便将互营产甲烷过程应用于实际生产.     

3种菌剂对水稻秸秆降解性能的影响

为寻求秸秆的高效快速处理途径,采用EM、VT1000、强兴3种菌剂作用于秸秆与果皮蔬菜混合垃圾按不同配比混合的物料,无需发酵,通过分析不同菌剂处理后秸秆混合物料的理化性质、降解性能和微生物种群结构变化,探讨不同菌剂对秸秆降解性能的影响。结果表明,3种菌剂均对物料的全碳、全氮、C/N具有降低作用,可提高速效磷和速效钾的含量,加快半纤维素的降解。EM对全碳、速效磷和C/N的作用效果较好,VT1000对全氮、速效钾和半纤维素的作用效果较好,且各菌剂于物料配比3?2时处理效果最佳,EM菌剂处理后物料全碳质量分数和C/N比值分别为8.19%和14.44,速效磷上升幅度为51.49%;VT1000菌剂处理后物料全氮下降幅度为55.24%,速效钾上升幅度为83.60%,半纤维素降解率为60.09%。采用高通量测序技术分析微生物群落结构对物料性能的影响,结果表明,不同菌剂处理后物料的优势细菌菌群为Proteobacteria(变形菌门)、Actinobacteria(放线菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门)和Chlorobacteria(绿弯菌门),优势真菌菌群为Ascomycota(子囊菌门)、Zygomycota(接合菌门)、Basidiomycota(担子菌门)和Unclassified-k-Fungi(未经分类的真菌)。研究发现,优势菌群的相对丰度是影响秸秆性质变化的主要原因,EM菌剂处理的物料,优势菌群Unclassified-k-Fungi的相对丰度明显高于其他菌剂的处理,这直接影响物料的C/N变化;而VT1000菌剂处理的物料,优势菌群Acidobacteria相对丰度明显高于其他菌剂,其与物料中全氮和速效钾存在一定的相关性。该研究可为探索菌剂复配或研发新型菌剂用于秸秆的微生物降解奠定理论基础。     

Porphyrobacter sp.D22F的降解特性及其在石油降解菌群中的生态位

为揭示多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)降解微生物资源的多样性和石油降解菌群的优势菌,研究了从南海沉积物中分离得到的一株PAHs降解菌D22F的降解特性及其在石油降解菌群D22-1中的生态位.对菌株D22F进行16S rRNA基因同源性分析及透射电镜观察以初步确定其种属,通过培养法、气相色谱质谱联用(GC-MS)测定其多环芳烃降解范围和降解率,通过简并引物PCR扩增其PAHs双加氧酶大亚基基因片段并进行系统发育分析,采用变性梯度凝胶电泳(DGGE)监测石油降解菌群中的优势菌.结果表明,与菌株D22F的16S rRNA基因相似度最高的模式株为产卟啉杆菌属Porphyrobacter tepidarius DSM 10594T(AF465839;98.55%).该菌株能降解萘、甲基萘、苊、硫芴、菲、蒽等;对初始浓度为0.2 g/L菲10 d后的降解率可达90%以上.从其基因组DNA中克隆到的PAHs起始双加氧酶大亚基基因phnAc与Novosphingobium aromaticivorans DSM 12444中的质粒pNL1(CP000676)上的bphA1f基因相似度最高,达到99.41%.DGGE谱图显示,菌株D22F是石油降解菌群中的3种优势菌之一,在传代菌群中可稳定存在.Porphyrobacter sp.D22F为产卟啉杆菌属(Porphyrobacter)中首株以低分子量PAHs为唯一碳源和能源的菌株,是石油降解菌群的优势菌.     

富集培养下的若尔盖高原湿地低温纤维素降解细菌群落结构

若尔盖高原湿地常年低温,泥炭沼泽土分布广泛,为了解该特殊生境中的低温纤维素降解菌群落结构,将采自3个乡(阿西茸、黑河、达扎寺)的泥炭沼泽土样品于10℃条件下富集培养于羧甲基纤维素钠(CMC-Na)液体培养基中,用3,5-二硝基水杨酸(DNS)法测定纤维素酶活性,并利用变性梯度凝胶电泳技术(Denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)分析原始土壤样品和富集培养系中的细菌群结构.酶活测定结果表明,低温富集传代过程中,3个地区样品的相对酶活均随着培养代数的增加而增加,第3代的相对酶活最高,为25.5 U.DGGE分析表明:相对于原始土壤样品,富集系中的微生物菌群变简单;不同富集代数间,阿西茸乡样品细菌群落结构随传代次数增加而增加,而黑河乡和达扎寺乡样品表现为减少.对DGGE图谱条带序列的系统发育分析表明,富集培养系中的细菌属于α-变形菌纲(α-proteobacteria)、β-变形菌纲(β-proteobacteria)、γ-变形菌纲(γ-proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)等类群.本研究结果揭示若尔盖高原湿地泥炭沼泽土低温纤维素降解菌种群丰富,具有潜在工业开发应用前景.(图3表2参35)     

氯代酰胺类除草剂降解菌的分离及降解性能

从生产乙草胺的农药厂废水生物处理池活性污泥中分离到一株氯代酰胺类除草剂降解细菌,命名为Y3B-1.根据表型特征、生理生化特性和16S rDNA序列系统发育分析,将其鉴定为副球菌属(Paracoccus sp.).研究了菌株Y3B-1在不同条件下对多种氯代酰胺类除草剂的降解性能.结果表明:菌株Y3B-1能以乙草胺为碳源生长,并能降解乙草胺、丁草胺和丙草胺,3 d对这3种氯代酰胺类除草剂的降解率分别达到86.7%、65.5%和69.1%,不能降解异丙甲草胺.该菌降解乙草胺的最适温度为30℃,最适pH为7.0,对乙草胺的降解效果与接种量成正相关,对较低浓度的乙草胺有很好的降解效果,过高的起始浓度抑制其对乙草胺的降解,外加营养如酵母膏和土壤悬液则显著促进其对乙草胺的降解.图7参23     

一株选择性降解木质素菌的筛选及其对玉米秸秆的降解

以玉米秸秆为基质,对15株白腐真菌进行了初步筛选,从中获得一株选择性系数较高的菌株Y10,经ITS-5.8SrDNA序列分析,初步鉴定为Cerrena sp.,并研究了该菌在30 d培养期内降解玉米秸秆中木质纤维素的情况.结果表明,菌株Y10对玉米秸秆中木质素和半纤维素的降解速率明显高于纤维素;在30 d的培养过程中,该菌对玉米秸秆降解的选择性系数都大于1,d 15选择性系数最高为3.88.紫外光谱和红外光谱分析结果表明,经菌株Y10降解后玉米秸秆的化学成分发生了变化,且对木质素的降解程度要大于对纤维素的降解程度.图4表3参17     

乙羧氟草醚降解菌Reudomonas sp.YF1的分离、鉴定与降解特性

从生产乙羧氟草醚工厂的污水处理池污泥中分离到一株乙羧氟草醚降解细菌,命名为YF1.根据表型特征、生理生化特性和16S rDNA序列系统发育分析,将其鉴定为假单胞菌属(Pseudomonas sp.).接种量为5%时,菌株YF1在含200 mg/L乙羧氟草醚的基础盐液体培养基中降解乙羧氟草醚,7 d后降解率约80%.加大接种量和外加营养碳氮源可以促进乙羧氟草醚的降解.该菌株降解乙羧氟草醚的最适pH为7.0,最适温度为30℃.菌株YF1能利用苯酚、邻苯二酚、对苯二酚、苯甲酸、龙胆酸、对硝基苯酚和邻氯苯酚为底物生长,不能利用3-苯氧基苯甲酸为碳源生长,菌株YF1细胞内邻苯二酚1,2-双加氧酶受到乙羧氟草醚或其代谢产物的诱导.图5表1参25     

油藏环境与物理模型中的微生物群落比较研究

为揭示模拟油藏环境的岩心与真实油藏的微生物群落结构之间存在的差异程度,应用高通量分析方法,一方面分析具体油藏沾3区块注入水和6口油井的产出液,另一方面分析模拟沾3区块油藏条件的物模实验岩心产出液,对比分析注入水、油井产出液和物模实验岩心产出液三者细菌及古菌的群落结构.结果显示,同一油藏不同油井之间细菌群落结构差异明显,每口油井在不同时间其优势细菌变化较大,常见的细菌有Desulfacinum、Thermodesulforhabdus、Pseudomonas等属;而古菌群落结构保持相对稳定,常见的古菌有Methanosaeta和Methanomethylovorans等属.将注入水、油藏产出液和岩心产出液三者所有的样品分析结果在属水平上进行相对含量排序,对比三者细菌和古菌排序前15个属,结果表明油藏和岩心中的细菌群落结构差异明显,仅有4个共有属,分别是Pseudomonas、Syntrophomonas、Petrobacter和Acinetobacter,而两者主要古菌群落结构非常相近.本研究说明物理模型还不能完全模拟真实油藏,只能部分接近油藏环境.(图9表1参19)     

双塞头固定化细胞反应器降解TCE

为探究固定化细胞对三氯乙烯(TCE)的生物降解特性及机理,以优选的活性炭纤维为固定化材料,构建双塞头固定化细胞反应器;利用填埋场覆盖层富集筛选的高效混合菌SWA1为生物介质开展细胞固定化及TCE生物降解研究;运用扫描电镜,荧光定量PCR和高通量测序技术分别考察TCE降解前后固定化微生物微观结构、关键酶表达丰度和混合菌群落结构变化.结果显示:(1)该固定化细胞反应器对微生物具有良好的固定化效果,且微生物可维持较高活性(甲烷氧化速率为0.6μmol g~(-1) d~(-1));(2)在TCE初始浓度为18 mg/L时,反应1 d降解率为94.1%,降解过程中有8.7μmol有机氯转化为氯离子;(3)反应器中TCE降解关键酶为甲烷单加氧酶和苯酚羟化酶,TCE降解后优势菌属为Anaerolineaceae_unclassified(0.6%-19.9%)和甲基孢囊菌属Methylocystis(0-15.8%).该双塞头固定化细胞反应器能高效去除氯代烃类污染物,可为含氯有机废水高效生物治理的工程应用提供参考.     

籼爪交后代的花药培养效率

对爪畦稻J15、J21、J20以及J211与不同的籼型杂交稻三系亲本杂交后代不同世代进行了花药培养.结果表明:当同一爪哇稻与三系亲本杂交时,其F1花药培养力高低顺序为:爪哇稻/保持系>爪哇稻/恢复系>爪哇稻/不育系的杂种后代.这种差异可能存在细胞质效应.4个爪哇稻品种中,以J15所配组合的出愈率和培养力为最高,绿苗分化率以J20所配组合最高.低代材料花药在适合籼粳交的SK3培养基上反应较好,高代材料的花药在适合籼稻的M8培养基上反应较好.改良M8和改良SK3培养基的花培效果分别优于M8和SK3培养基.F5、F6代材料的花药在改良M8培养基上出愈率可超过50％.琼脂糖代替琼脂可显著提高出愈率和培养力.高温预培养(30-32℃)24 h其花药培养效率达到最高值.图2表3参15     

氯代芳香族化合物高效降解菌的驯化与筛选

为了筛选除解造纸废水中的氯代芳香族化合物的高效降解菌株,选用了造纸废水SBR处理系统的活性污泥作为菌源,采用平板分离池分离出18种菌株,并从中选出生长势态良好的11种,通过对废水中CODCr,TCl的降解效果试验,确定出以M3＋M8为组合的优势混合菌。     

黄孢原毛平革菌对固体介质中染料的降解反应

用黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)3品系在固体介质中建立染料的降解反应体系,分光光度法测定染料的脱色降解率。黄孢原毛平革菌在琼脂、沙子及土壤等固体介质中均能有效地降解偶氮染料、蒽醌染料及聚合染料;植物材料玉米芯和木屑可作为共代谢碳源被该菌利用;BKM F 1767菌种降解能力最强,对活性艳蓝KN R的进攻性优于对PolyR 478和比布列希猩红。     

焦化厂污染土壤中多环芳烃降解菌的分离及降解特性

分别以芴(3环)、荧蒽(4环)和苯并[b]荧蒽(5环)为唯一碳源(1 mg/L),采用平板划线法对某焦化厂污染土壤中的多环芳烃降解菌进行分离.通过自制的呼吸器,研究所得多环芳烃降解菌对14C-菲(5μL/100 mL 40~60 mCi/mmol)的矿化情况;通过序批试验,以煤焦油为碳源(1μL/mL),研究这些菌对19种多环芳烃的降解情况.多次划分后,得到4种菌,经鉴定命名为博特氏菌L1、苍白杆菌L1、微杆菌L1和赤红球菌L1.经过3周的矿化实验,微杆菌L1可以将14C-菲全部矿化成14CO2,赤红球菌L1可将大约60%的14C-菲矿化成14CO2,而博德特氏菌L1和苍白杆菌L1对14C-菲无矿化作用.经过5周的降解实验,博德特氏菌L1对大多数多环芳烃表现了良好的降解作用,苍白杆菌L1和微杆菌L1对部分多环芳烃有降解作用,而赤红球菌L1培养系统中某些多环芳烃的浓度甚至有增大,这可能与其在代谢过程中产生表面活性物质有关.所得4种菌在焦化厂污染土壤的微生物修复中具有较大的应用潜力.图3表1参27     

降解2,4-二氯酚的厌氧颗粒污泥-悬浮载体生物膜反应器中古细菌的种群结构

采用古细菌特异性引物ARC21F/ARC958R对污泥样品的总DNA进行聚合酶链式反应(PCR)、克隆、序列分析等,研究了降解2,4-二氯酚(2,4-dichlorophenol, 2,4-DCP)的厌氧颗粒污泥-悬浮载体生物膜反应器(Anaerobic granular sludge-suspended carrier biofilm reactor, ASBR)中古细菌的种群分布.结果表明,接种污泥和ASBR各层污泥中存在共有的古细菌: Methanothrix soehngenii和Uncultured archaeon等, M. soehngenii、uncultured archaeon TA05和uncultured archaeon TA04在接种污泥和ASBR各层污泥中的分布为:接种污泥的丰度＜上层的丰度＜中层的丰度＜下层的丰度. uncultured archaeon 44A-1、uncultured archaeon 39-2、uncultured archaeon 46-1和uncultured archaeon 69-1的分布为:接种污泥的丰度＞上层的丰度＞中层的丰度＞下层的丰度.经2,4-DCP驯化后, ASBR上层悬浮填料区出现特有的古细菌unidentified crenarchaeote等,下层厌氧颗粒污泥区特有的古细菌为uncultured archaeon ZAR106等.接种污泥特有的6种古细菌Methanosaeta concilii等经2,4-DCP驯化后消亡,污泥中古细菌多样性减少,以下层颗粒污泥中古细菌种群丰度的变化最为明显.图2表2参21     

产甲烷菌抑制剂对便秘小鼠结肠微生物菌群及代谢产物的影响

为研究产甲烷菌抑制剂(溴氯甲烷)对便秘小鼠的肠道微生物菌群及代谢产物的影响,选取60只5周龄雄性KM小鼠,随机分为3组:对照组、便秘组、甲烷抑制剂干预组.试验结束,采集小鼠结肠内容物通过高通量测序技术分析肠道菌群;气相色谱分析结肠内容物中短链脂肪酸含量;Real-time PCR技术分析肠道总菌及产甲烷菌数量变化.结果表明,溴氯甲烷处理后小鼠粪便颗粒数及粪便含水率显著增加,结肠内容物Lactobacillus及Streptococcus的相对丰度显著增加,Lachnospiraceae NK4a136 group,Lachnospiraceae_uncultured,Bacteroides,Muribaculaceae_norank及Staphylococcus的相对丰度显著降低,结肠菌群结构发生显著变化,产甲烷菌数量显著降低,但对总菌数量无显著影响.溴氯甲烷处理组总短链脂肪酸含量显著降低.本研究表明便秘小鼠在甲烷抑制剂干预后,结肠菌群结构及代谢产物均受到显著影响.(图7表2参22)