微生物介导厌氧甲烷氧化反硝化过程及其反应机制探讨

微生物进行的厌氧甲烷氧化反硝化过程是减少自然环境中甲烷这一温室气体排放的重要生物途径,即反硝化型甲烷厌氧氧化(denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)。反硝化型甲烷厌氧氧化是指在厌氧条件下以甲烷作为电子供体,NO2-/NO3-作为电子受体的反硝化过程。Candidatus Methylomirabilis oxyfera细菌和Candidatus Methanoperedens nitroreducens古菌是参与DAMO过程的2类主要功能微生物。深入了解微生物介导的DAMO的发生机理以及影响因素,有助于更好地理解碳氮耦合在生物地球化学循环中发生的重要作用,为DAMO工艺的开发与应用提供理论依据。本文从功能微生物的富集、影响因素、生理特性、生物代谢与反应机制等方面对DAMO的最新进展进行阐述,并探讨了DAMO未来的研究方向与应用前景。     

浑河底泥反硝化厌氧甲烷氧化菌群落结构时空特征

为了解在反硝化厌氧甲烷氧化反应过程中起主要作用的微生物——Candidatus Methylomirabilis oxyfera(M. oxyfera)在河流底泥环境中的时空变化特征,利用克隆文库及实时荧光定量PCR技术考察了浑河流域部分底泥中M. oxyfera-like的16S rRNA和pmoA功能基因的多样性及丰度. 结果表明:从浑河上游至下游丰水期各采样点底泥中M. oxyfera-like的16S rRNA的多样性无明显地域性差异,其OTU(operational taxonomic unit,独立操作单元)数变幅不大;pmoA功能基因的多样性则存在较为明显的地域性差异,上游采样点A(章党大桥)底泥中OTU数为5,下游采样点E(三岔河大桥)底泥中仅为1. 采样点A底泥中M. oxyfera-like的16S rRNA和pmoA功能基因的多样性均存在一定的季节性差异,平水期16S rRNA和pmoA功能基因的Shannon-Wiener多样性指数分别为1.48和2.19,在各期中最高;而枯水期时二者均最低,分别为0.83和1.26. 丰度分析结果显示,所有采样点底泥中M. oxyfera-like的16S rRNA丰度均表现为平水期(2.42×106~1.74×107 copies/g)(以干质量计)最高、枯水期(2.87×104~4.19×106 copies/g)居中、丰水期(1.29×103~2.04×104 copies/g)最低,说明浑河底泥中M. oxyfera-like的丰度亦存在一定的季节性差异.      

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.     

厌氧氨氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌在岸边带土壤中的分布规律

厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,anammox)和反硝化厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,n-damo)的发现打破了人们长久以来对生物氮、碳循环的传统认识.厌氧氨氧化细菌(anammox bacteria)和反硝化厌氧甲烷氧化细菌(n-damo bacteria)在水生态系统均有分布,并且在全球氮、碳循环中发挥重要作用.但它们在岸边带土壤中的存在和分布还不甚清楚.因此,本文对湖泊岸边带土壤中厌氧氨氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌的存在和分布进行了研究.基于厌氧氨氧化细菌hzs B基因(联氨合成酶关键基因)和M.oxyfera-like细菌16S rRNA基因的序列分析,分别证明了厌氧氨氧化细菌和M.oxyfera-like细菌在白洋淀湖泊岸边带深层土壤中的共同存在.厌氧氨氧化细菌hzs B基因定量PCR结果显示,其主要分布在地下水位附近及以下部分(40~100 cm),而在表层(0~40 cm)土壤中未被检测到.M.oxyfera-like细菌16S rRNA基因定量PCR结果显示,不同深度的土壤均有M.oxyfera-like细菌分布,并且其丰度随着土壤深度的增加而递增.这些结果说明厌氧氨氧化细菌和M.oxyfera-like细菌在湖泊岸边带深层土壤中共同存在,并且有不同的分布规律.     

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.     

不同接种物对富集反硝化型甲烷厌氧氧化微生物的影响

在厌氧条件下,反硝化型甲烷厌氧氧化过程(Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)以CH_4为电子供体,以NO_3~-或NO_2~-作为电子受体,可同时实现甲烷氧化和废水中脱氮.本文利用两种电子受体(NO_3~-、NO_2~-)及不同接种污泥成功富集了4种DAMO培养物,研究了不同接种物对富集DAMO微生物的影响.结果表明,NO_3~-对富集DAMO古菌具有重要作用,而NO_2~-则对DAMO细菌的富集过程有较大影响.其次,在富集培养过程中,NH_4~+的存在会获得厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation,Anammox)细菌与DAMO古菌的混培物,并形成协同关系,而DAMO细菌却因与Anammox细菌竞争而被淘汰.当NH_4~+不再加入,NO_3~-成为唯一氮源时,DAMO细菌重新出现并与DAMO古菌形成一种新的协同关系.此外,以淡水河道底泥、淡水湖泊底泥及水稻田土壤的混合物作为接种污泥而得到的DAMO富集培养物,其脱氮速率比以淡水河道底泥、活性污泥及厌氧消化污泥的混合物作为接种污泥的富集培养物高出3.3倍,但后者在驯化时间上缩短了36%.     

稻田土壤反硝化厌氧甲烷氧化菌的时空分布与群落结构分析

由"Candidatus Methylomirabilis oxyfera"主导发生的以甲烷和亚硝酸盐为底物的反硝化厌氧甲烷氧化反应(nitrite-dependent anaerobic methane-oxidizing,n-damo)的发现,将生物地球化学碳循环和氮循环以新的方式结合起来.本研究以夏季和冬季江阴稻田土壤柱状样品为研究对象,对稻田土壤M.oxyfera-like菌的时空分布和群落结构进行了考察.M.oxyfera-like菌16S rRNA基因的定量PCR结果显示M.oxyfera-like菌的丰度随着土壤深度的增加而增加,且无明显季节性差异,60~200 cm深度的稻田土壤是M.oxyfera-like菌的高丰度区域.M.oxyfera-like菌pmo A基因的系统发育分析和生物多样性分析显示M.oxyfera-like菌的群落结构具有一定的时空异质性,且生物多样性随着土壤深度的增加而增加.这些结果都说明江阴稻田深层土壤(60~200 cm)是适宜M.oxyfera-like菌生存的生态环境.     

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物特性研究进展

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)是新近发现的生物反应,是偶联碳氮循环的关键环节,是环境领域和微生物领域的重大发现.N-DAMO的发现对于完善碳氮生物地球化学循环、丰富微生物学内容和研发新型生物脱氮除碳工艺均具有巨大的推动作用.催化N-DAMO反应的微生物为Candidatus Methylomirabilis oxyfera(M.oxyfera),其隶属于一新发现的细菌门——NC10门.近年来,M.oxyfera的生物学研究取得了许多突破性进展,如初步探明了其个体形态特征、细胞化学组分特征、富集培养特征、生理生化特征及生态学特征,最突出的例子包括发现了M.oxyfera独特的细胞(星状)形态及特殊的脂肪酸(10Me C16∶1Δ7)组分等.最近,N-DAMO的机制研究方面也有了突破性进展:发现了地球上第4种生物产氧途径.目前认为,M.oxyfera具有内产氧功能,其首先将NO-2还原为NO,然后将2分子NO进行歧化反应生成N2和O2,最后利用生成的O2对甲烷进行氧化.本文系统地介绍了M.oxyfera各方面的微生物特性.     

内蒙古高原干涸湖泊反硝化及甲烷氧化细菌的群落分析

以内蒙古高原半干旱草原区干涸湖泊为研究对象,应用末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)技术对湿地土壤中的反硝化和甲烷氧化关联菌群的关键功能基因nosZ和pmoA进行了研究,根据末端限制性片段(T-RFs)分析了两种菌群的群落结构及多样性变化,以及环境因素所产生的影响,并探讨了土壤微生物群落对湖泊干涸的响应机制.结果表明:干涸湖泊的湖心、湖底土壤反硝化和甲烷氧化细菌多样性指数较高,群落结构较复杂;而较早干涸的湖坡以及相邻草原对照区,两个菌群多样性指数较低,群落结构相对单一.从湖心到相邻草原,反硝化和甲烷氧化细菌的群落相似度逐渐降低,显示两个菌群处于动态演替中.湖泊干涸过程中,水分含量和有机质含量对反硝化和甲烷氧化细菌的群落结构影响显著;高pH值和高铵态氮分别对反硝化和甲烷氧化细菌有抑制作用.随着湖泊干涸,土壤微生物群落因环境扰动而受到胁迫,这一过程会加剧CO2等温室气体的排放.     

1株反硝化除磷菌的鉴定及其反硝化功能基因研究

研究反硝化除磷菌(denitrifying polyphosphate-accumulating organism,DPAO)的筛选、鉴定及反硝化功能基因.利用反硝化培养基分离得到菌株ZQN2,经好氧吸磷试验,硝酸盐还原产气试验并辅助异染颗粒和PHB颗粒染色,确定其为反硝化除磷菌.厌氧释磷/缺氧吸磷试验结果表明,菌株ZQN2在厌氧段释磷并合成PHB(poly-β-hydroxybutyrate),在缺氧段以NO3-为电子受体氧化PHB并过量吸磷,进行了同步反硝化除磷.对菌株ZQN2进行16S rRNA基因序列分析,并构建系统进化树,结果表明该菌株与GenBank数据库中多株Bacillus cereus菌株16S rRNA基因的同源性在99%以上.结合生理生化检测,判断菌株ZQN2为蜡状芽胞杆菌(Bacillus cereus).对其反硝化功能基因的研究表明,菌株ZQN2为nirS+和nirK-型,从分子生物学角度确认其具有反硝化功能;菌株ZQN2的nirS序列的系统发育分析结果表明,其nirS序列与多株Pseadomonas aeruginosa的亲缘关系最接近,这与基于16S rRNA的系统发育分析的结果不一致.     

西湖底泥中厌氧氨氧化菌的分子生物学检测

厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation,anammox）在海洋氮素循环中起了重要作用,而有关天然淡水生态系统中anammox的研究报道并不多.本研究采用16SrRNA基因克隆文库技术首次考察了西湖淡水底泥中anammox菌的分布与种群多样性水平.16SrRNA系统发育分析表明,西湖底泥中的...     

New molecular method to detect denitrifying anaerobic methane oxidation bacteria from different environmental niches

The denitrifying anaerobic methane oxidation is an ecologically important process for reducing the potential methane emission into the atmosphere. The responsible bacterium for this process was Candidatus Methylomirabilis oxyfera belonging to the bacterial phylum of NC10. In this study, a new pair of primers targeting all the five groups of NC10 bacteria was designed to amplify NC10 bacteria from different environmental niches. The results showed that the group A was the dominant NC10 phylum bacteria from the sludges and food waste digestate while in paddy soil samples, group A and group B had nearly the same proportion. Our results also indicated that NC10 bacteria could exist in a high pH environment (pH 9.24) from the food waste treatment facility. The Pearson relationship analysis showed that the pH had a significant positive relationship with the NC10 bacterial diversity (p < 0.05). The redundancy analysis further revealed that the pH, volatile solid and nitrite nitrogen were the most important factors in shaping the NC10 bacterial structure (p = 0.01) based on the variation inflation factors selection and Monte Carlo test (999 times). Results of this study extended the existing molecular tools for studying the NC10 bacterial community structures and provided new information on the ecological distributions of NC10 bacteria.     

基于16S rRNA基因测序法分析北京霾污染过程中PM2.5和PM10细菌群落特征

2013年1月8~14日,北京出现了严重的霾污染.霾污染时高浓度的大气颗粒物增加了暴露人群的健康风险,而大气中的微生物也可能带来一些风险,但目前对霾污染时大气中微生物组成了解较少.本研究选取了2013年1月8~14日北京7d的PM2.5和PM10采样样本,通过对细菌16S rRNA基因V3区扩增和Mi Seq测序,得到PM2.5和PM10中的细菌群落结构特征,并将结果与相同采样样本的宏基因组测序结果及三项国外基于16S rRNA基因测序方法的大气中细菌研究结果进行了比较.研究发现7 d连续采样条件下,PM2.5中细菌群落结构在门和属的水平上均差别不大.在属级别上,节杆菌属(Arthrobacter)和弗兰克氏菌属(Frankia)是北京冬季大气中细菌群落的主要类群.16S rRNA基因测序与宏基因组测序结果对比分析发现,在属级别上,两种分析方法中有39个相同的属类群(两种分析方法丰度前50的细菌类群合并所得),弗兰克氏菌属(Frankia)和副球菌属(Paracoccus)在16S rRNA基因测序分析结果中相对含量较多,而考克氏菌属(Kocuria)和地嗜皮菌属(Geodermatophilus)在宏基因组测序结果中相对含量较高.在门和属的水平上,PM2.5和PM10中细菌群落结构特征呈现出相似的规律.在门水平上,放线菌门(Actinobacteria)在PM2.5中的相对百分比较大,而厚壁菌门(Firmicutes)在PM10中的相对百分比较大.在属水平上,梭菌属(Clostridium)在PM10中的相对百分比较大.与三项国外基于16S rRNA基因测序研究结果对比发现,尽管在采样地点和采样时间上有较大差异,大气中普遍存在一些相同的细菌类群,且近地面大气细菌群落结构特征相似度较高,区别于高空对流层中细菌群落结构特征.     

氨氮对反硝化型甲烷厌氧氧化细菌的影响机理研究

反硝化型甲烷厌氧氧化(Denitrifying Anaerobic Methane Oxidation,DAMO)是以甲烷为电子供体和唯一碳源,以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体的一种氧化还原反应,可用于废水脱氮,而氨氮是含氮废水中存在的主要形式.目前的研究认为主导DAMO过程的微生物主要有DAMO细菌和DAMO古菌.本文以DAMO细菌为优势菌种的系统为研究对象,通过短期和长期试验,从宏观和微观上研究了氨氮对该系统短期和长期的影响,并比较了不同pH体系下影响效果差异,揭示了相关影响机理.短期试验研究表明,氨氮对该系统的安全浓度为250 mg·L~(-1).当氨氮浓度为500 mg·L~(-1)时,对该系统的脱氮效率造成明显的抑制作用,并且随着浓度、时间的增加,氨氮对其的抑制效果增强;不同pH条件下抑制效果的差异对比发现,在碱性条件下,真正起抑制作用的是氨氮的质子化形式FA(Free Ammonia),在中性及酸性条件下,真正起抑制作用的抑制因子是离子化的NH_4~+.通过扫描电镜对系统中絮状污泥分析发现,在氨氮的短期抑制后,系统内的微生物出现了明显皱缩,丝状菌的数量增加;采用高通量测序技术分析了长期氨氮抑制后的系统,结果显示,系统内菌群结构发生较大改变,物种的多样性和丰度都大大降低.通过菌属分析认为,系统脱氮效率的降低是由于Methylomonas(甲基单胞菌属)数量的减少引起的.     

低温高海拔湖泊岸边带厌氧氨氧化菌的存在、生物多样性及活性——以天山天池为例

本文旨在通过聚合酶链反应PCR、构建克隆文库、15N同位素示踪等技术研究厌氧氨氧化细菌在以天山天池为代表的高海拔低温水生态系统中的存在、发生、活性及对氮循环的影响.通过定量PCR测得天山天池沉积物厌氧氨氧化菌的丰度为(2.93×105±0.25×105)copy/每克干沉积物土样,证明了存在有一定数量的厌氧氨氧化菌;在分别对厌氧氨氧化细菌的16S rRNA和hzs B功能基因构建克隆文库,并对阳性克隆进行生物多样性分析,发现天山天池沉积物中16S rRNA阳性克隆子均属于同一个独立操作单元,与已知的厌氧氨氧化菌的相似度高于99%;而hzs B功能基因克隆文库中,其生物多样性略高于16S rRNA文库.通过同位素示踪技术测得该样品的厌氧氨氧化速率为1.162 nmol·g-1·h-1,其对氮气生成的贡献率高达82%,远高于以往报道的淡水环境中厌氧氨氧化对氮气生成的贡献率.推断高海拔和低温等环境可能不是限制厌氧氨氧化细菌生长的关键因素.     

布吉河丰水期总细菌和氨氧化细菌的定性和定量研究

河流中微生物的数量和群落结构能在一定程度上反映水环境状况.氨氧化细菌驱动的硝化作用是氮素转化的主要机制,为了解氮素污染河流中氨氧化细菌的群落组成及数量,采用变性梯度凝胶电泳(denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)和Real-time PCR技术分析了布吉河丰水期不同断面水样中总细菌和氨氧化细菌的群落结构以及数量变化.结果表明,水样中总细菌(16S rRNA)和氨氧化细菌(16S rRNA)数量变化范围分别为4.73×1010～3.90×1011copies.L-1和5.44×106～5.96×108copies.L-1.冗余度分析表明影响微生物数量和群落结构的水环境因子不同:对于总细菌,与其数量显著相关的环境因子是硝氮(P<0.05),与其群落结构显著相关的环境因子是氮素(三氮)和金属(Mn和Zn)(P<0.05);对于氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB),与其数量显著相关的是氨氮和Zn(P<0.05),与其群落组成显著相关的是氨氮、Mn和Zn(P<0.05).测序结果表明在布吉河水样中微生物属于变形菌门(Proteobacterium)的Epsilon-Proteobacteria、Gamma-Proteobacteria、Beta-Proteobacteria和Delta-Proteobacteria这4个纲,氨氧化细菌与Nitrosomonas sp.和Nitrosospira sp.属的细菌相似度较高,且Nitrosospira sp.为优势菌属.由于污染影响,布吉河上游和下游微生物群落结构明显不同.     

酸性矿山废水库周边土壤微生物多样性及氨氧化菌群落研究

采集了安徽某铁矿酸性矿山废水库周边土壤样品,测定其理化参数,并采用分子生物学方法分别研究了土壤中细菌和古菌群落组成以及驱动氨氧化作用的微生物类群.结果表明,该土壤样品受到酸性矿山废水严重污染,pH低于3,铁铝等金属含量很高.细菌的16S rRNA基因文库覆盖11个类群,其中酸杆菌门(Acidobacteria)占主导地位,丰度达47.4%;疣微菌门(Verrucomicrobia)为第二大门类,丰度为18.9%.样品中含有大量嗜酸的细菌类群,如Candidatus Koribacter versatilis和Holophaga sp.等.古菌的16S rRNA基因文库仅覆盖2个类群,分别为奇古菌门(Thaumarchaeota)和广古菌门(Euryarchaeota),奇古菌门占绝对优势地位.该土壤样品中的氨氧化作用可能主要由奇古菌门的氨氧化古菌所驱动,且该区域存在新的氨氧化古菌类群.