饮用水砂滤池中微生物对微量污染物的降解潜力与途径

砂滤池已广泛应用于饮用水处理中,已有研究证明砂滤池能有效降解部分微量污染物,但对其降解途径和降解微生物缺乏深入探讨.据此,本研究首先采集2个实际饮用水厂滤池中的石英砂和锰砂滤料,通过宏基因组分析了滤料对阿替洛尔、阿特拉津、磺胺嘧啶和卡马西平的降解基因和相关降解微生物.结果表明,锰砂滤池生丝微菌科和石英砂滤池中的假单胞菌属具有将阿特拉津转化为羟基阿特拉津的潜力;砂滤池含多种分泌阿替洛尔酰胺水解酶的微生物,具有将阿替洛尔转换为阿替洛尔酸的能力;在滤池中广泛存在单、双加氧酶和细胞色素P450,能将阿特拉津、磺胺嘧啶和卡马西平氧化.进一步通过培养实验验证了滤料对这4种微量污染物的降解途径.本研究最后对其它9个实际水厂砂滤池滤料的宏基因组分析发现所有砂滤池都含有丰富的酰胺水解酶、加氧酶和细胞色素P450,说明饮用水砂滤池都具有降解多种微量污染物的潜力.     

宏基因组技术在土壤污染微生物修复中的应用

微生物修复在土壤污染治理中具有重要地位。虽然环境中可以培养的微生物比例很低,但微生物的基因资源十分丰富,运用宏基因组技术可以克服传统修复技术中微生物资源利用不充分的问题,为未培养微生物的研究提供了有力手段。本文对宏基因组技术一般流程作了介绍,并结合土壤污染的特点,对该技术应用在土壤污染微生物修复的现状、研究及展望作了阐述。     

环境宏基因组学技术的主要瓶颈及发展

从环境宏基因组文库的构建及筛选两方面分析了环境宏基因组学技术所存的主要瓶颈,综述了针对主要瓶颈而发展的最新环境宏基因组学技术,展望了环境宏基因组学技术在微生物生态学基础研究及生物技术应用研究领域的发展方向.     

微生物降解典型高分子量多环芳烃的研究进展

高分子量多环芳烃（high molecular weight polycyclic aromatic hydrocarbons,HMW-PAHs）属于持久性污染物,与低分子量多环芳烃（low molecular weight polycyclic aromatic hydrocarbons,LMW-PAHs）相比更难被降解.微生物修复是解决HMW-PAHs污染问题的有效手段.该文以2种典型HMW-PAHs——芘和苯并[a]芘为例,对影响其微生物降解效率的因素、提高降解率的强化手段和主要降解途径进行阐释,深入剖析微生物的降解调控机制,并对未来的研究和发展提出了展望,以期为微生物降解HMW-PAHs的相关研究提供参考.结果表明:①大多数微生物在中温、中性条件下对HMW-PAHs具有较好的降解性能,不同多环芳烃在降解过程中存在相互作用;②就HMW-PAHs的微生物强化降解手段而言,表面活性剂吐温80对降解的促进作用较为明显,生物炭是较为优良的固定化材料,在受体菌株中表达降解基因以构建基因工程菌是促进HMW-PAHs微生物降解的有效方式;③芘和苯并[a]芘主要通过K区氧化和LMW-PAHs途径降解;④由双加氧酶催化的羟基化是HMW-PAHs降解过程中的重要步骤;⑤多环芳烃的初始氧化过程也涉及细胞色素P450单加氧酶的活性.目前,基因工程菌的长效稳定性是限制相关技术广泛应用的瓶颈问题,未来需要综合多组学数据从基因、转录、蛋白和代谢水平对HMW-PAHs的微生物降解机制进行全面、深入地解析,为构建高效稳定的重组菌株提供理论支撑.      

宏基因组研究及其应用研究进展

传统的微生物培养方法损失了近乎99%的微生物资源,而宏基因组研究能够直接从环境中提取全部微生物基因组DNA,通过构建宏基因组文库并结合适当的筛选方法,得到目的基因及其表达蛋白,该研究能够最大限度地开发微生物的序列空间。文章简要概述了宏基因组研究的产生、原理及其在生态学方面的发展和对新基因资源的开发和利用。     

我国典型森林土壤微生物驱动的氮代谢途径特征解析

微生物介导的氮代谢途径对生态系统结构和功能稳定性的维持起着重要作用,阐明微生物群落与氮代谢途径之间的关系可以从微观水平上扩展对氮代谢途径的理解.然而,微生物的基因水平转移使得基于分类学的方法并不能说明两者之间的关系.有研究表明,功能性状影响着群落构建和生态系统功能,将基于功能性状的研究方法应用于土壤微生物能更好地说明氮代谢途径的特征.因此,本文选择5种我国典型森林土壤,包括黑土（黑龙江哈尔滨）、暗棕壤（吉林长白山）、黄棕壤（湖北武汉）、红壤（福建福州）和砖红壤（海南乐东）,利用可以量化微生物功能性状的宏基因组技术对不同森林土的氮代谢途径特征进行了研究,主要包括氨同化、硝酸盐异化还原、硝酸盐同化还原、反硝化、硝化、固氮和厌氧氨氧化过程.结果表明,细菌序列在宏基因组文库中占主导位置,占所有序列的98.02%,且所涉及的几种氮代谢途径在细菌中都被检测到.5种森林土有着相同的氮代谢途径特征,即氨同化是细菌中检出频率最高的氮代谢途径,每百万个带注释的细菌序列平均检测到2830个氨同化途径的功能基因,固氮和厌氧氨氧化代谢途径检出频率较低,每百万个序列分别只检测到28.3和10.7个功能基因.不同森林土壤中同一氮代谢过程可由不同的微生物参与,且负责整个氮代谢途径的微生物的群落结构不完全相同.     

环境介质对微生物群体感应信号分子的影响

群体感应(QS)是一种细菌谈话机制,指微生物通过释放信号分子进行细胞间交流,调控自由基释放、生物膜形成、基因水平转移等一系列群体行为.环境中广泛存在或使用的介质材料与信号分子相互作用进而影响这些群体行为.关于群体感应信号分子及其调控机制的综述很多,但却尚未有环境介质对胞内外信号分子影响的总结.本研究综述了微生物各类信号分子理化性质和生物功能,分析并总结了土壤矿物、纳米材料、生物炭和天然小分子化合物等环境介质对信号分子的影响,阐明了信号分子与环境介质之间的构-效关系,以期为深入理解真实环境中微生物群体感应调控行为提供重要参考.     

基于新一代测序技术的A2O与BIOLAK活性污泥宏基因组比较分析

本研究是A2O(anaerobic/anoxic/oxic,厌氧/缺氧/好氧)与百乐克(BIOLAK)活性污泥宏基因组比较分析的首份报告.在百乐克和A2O活性污泥宏基因组中,分别检测到47个和51个门类,超过了澳大利亚强化生物除磷(enhanced biological phosphorus removal,EBPR)、美国强化生物除磷和Bibby活性污泥中所检测到的生物类群.百乐克活性污泥中所发现的门类,均在A2O活性污泥中检测到.但是,有4个门类仅在A2O活性污泥中出现.Ignavibacteriae门在A2O活性污泥宏基因组中的比例(2.044 0%)是百乐克活性污泥(0.637 6%)的3.2倍.与此同时,芽单胞菌门在百乐克活性污泥宏基因组中的比例是2.467 3%,比其在A2O活性污泥中的比例(0.140 4%)高出17倍多;衣原体门在百乐克活性污泥宏基因组中的比例是0.219 2%,比其在A2O活性污泥中的比例(0.036 0%)高出6倍多.另外,在属的层级,有167个属仅在A2O活性污泥中检出;与此同时,有50个属仅发现于百乐克活性污泥中.因此,在门和属的层级,A2O与百乐克活性污泥的生物群落均存在巨大差异.然而,在百乐克和A2O两个活性污泥中,与氮、磷、硫和芳香族化合物代谢相关的功能基因比例均是非常接近的.此外,两个活性污泥中KEGG(Kyoto Encyclopedia for Genes and Genomes,京都基因与基因组百科全书)所有6个类别的排序均相同.同时,氮代谢相关的功能基因分类和通路分析表明,高丰度酶在百乐克和A2O宏基因组中具有相同的排序.因此,A2O和百乐克活性污泥宏基因组比较分析显示,两个不同的生物群落具有相似的功能分配.     

Pseudomonas sp.JM2菲降解酶基因解析

Pseudomonas sp.JM2是一株新发现的菲好氧高效降解菌,文章通过对该菌株菲降解基因簇的解析,发现降解关键酶基因均处于质粒上。获得了该菌菲双加氧酶、顺-3,4-二氢二羟基菲脱氢酶、3,4-双羟基菲双加氧酶、2-羟基-2H-苯芘[h]色原烯-2-羧酸盐异构酶、水合-醛缩酶、1-羟基-2-萘甲醛脱氢酶、1-羟基-2-萘甲酸双加氧酶、反式-2'-羧基苄基丙酮酸水合-醛缩酶、2-羧基苯甲醛脱氢酶的基因序列。通过与14种多环芳烃降解菌的基因序列比对,发现JM2降解关键酶的基因序列与产碱杆菌AFK2有96%的同源性,而与同种属的假单胞菌的同源性仅有约55%。进一步用同源模建的方法获得了JM2菲双加氧酶α亚基的关键氨基酸,并结合已知的代谢产物分析,推测该菌株通过邻苯二甲酸途径降解菲,该降解途径与目前已知的假单胞菌菲降解途径不同。实验结果对于评价JM2菲降解物的环境影响、进一步通过基因调控和改造提高JM2的降解能力奠定了基础。     

玉门油田污染荒漠土壤石油降解菌多样性

为探索石油污染荒漠土壤石油降解微生物多样性、筛选高效石油降解菌,采用涂布平板法从石油污染荒漠土壤分离具有石油降解能力细菌,采用细菌形态观察和16S rRNA基因序列分析其多样性,并设计特异性引物,对分离细菌降解相关基因进行检测.结果表明,分离的37株细菌分别属于放线菌纲(Actinobacteria)、γ变形菌纲(Gammaproteobacteria)、β变形菌纲(Betaproteobacteria)、芽孢杆菌纲(Bacilli)和α变形菌纲(Alphaproteobacteria),分别占35.14%、32.43%、13.51%、13.51%、5.41%,归属于21个属的34个种类.优势菌属为假单胞菌属(Pseudomonas)、红球菌属(Rhodococcus)、微球菌属(Micrococcus)、寡养单胞菌属(Stenotrophomonas)、无色杆菌属(Achromobacter)和葡萄球菌属(Staphylococcus),占总数的51.35%,其中有36株细菌能以石油为唯一碳源稳定生长,对原油有明显的降解能力.在石油质量浓度为1 500 mg/L的基础培养基中,菌株YM43在培养7 d后对石油的降解率达55.47%,另有8株细菌的降解率不低于30.55%,11株细菌的降解率介于10.05%~28.37%,18株细菌的降解率不高于8.05%. PCR检测表明,有25株细菌含有烷烃单加氧酶基因,6株含芳烃双加氧酶基因,6株含联苯双加氧酶基因,4株含萘双加氧酶基因,3株含甲苯双加氧酶基因,2株含邻苯二酚双加氧酶基因.研究显示,石油污染荒漠土壤中可培养细菌具有高度多样性,分离的菌株有较强的石油降解能力,其降解功能与所存在的降解基因有关.      

微生物降解石油烃的代谢机制及研究进展

石油烃类污染物是复杂的有机化合物,对生态环境和公众健康具有较大危害。目前微生物技术已成为修复石油烃污染环境的主要方法,微生物可利用目标污染物作为碳源,通过一系列的酶催化对其进行代谢降解。研究了微生物降解石油烃的代谢机制,可通过合理设计降解途径中关键步骤的酶,降低限制因素对石油烃微生物降解的影响,提高限速步骤的反应速度,从而提高对石油烃的降解率,以更好地应用于石油烃污染场地的修复。通过梳理总结石油烃的主要组成和结构、代谢途径、功能基因和关键酶种类,以及组学和合成生物学技术在石油烃降解代谢机制研究中的应用现状,为进一步优化提升微生物修复技术在石油烃污染领域的应用前景提供参考。     

污泥好氧堆肥对PAHs的处理效果和抗生素及抗性基因消解效果

为探讨污泥共堆肥对PAHs的处理效果以及堆肥过程中抗生素及抗性基因的变化情况,试验设置添加辅料木屑、蘑菇渣、微生物发酵菌和酸化生物质炭进行好氧共堆肥处理.结果表明:污泥堆肥对PAHs的去除率基本都在50%以上,特别是芴、菲和蒽的去除率超过了80%.∑₁₆PAHs(16种PAHs总量)的去除率达到78.7%,∑PAHs-cancer(具有致癌活性的4~6环PAHs总量)去除率达到74.1%,∑PAHs-ppc(被我国列入环境“优先污染物”的PAHs总量)去除率达到68.6%.136种抗性基因在堆肥过程中出现了不同程度的消减,其中,BL2a_1(青霉素)、catB5(氯霉素)和tetPA(四环素)等11种抗性基因在堆肥过程中完全消减,消减率达到100%,BL1_asba(头孢霉菌素)、EreA(红霉素)、QnrB(氟喹诺酮)和cmL_e8(氯霉素)等19种抗性基因在堆肥过程中消减率均超过85%,堆肥过程能有效消减该类抗性基因.研究显示,抗生素及其降解产物影响了微生物群落属水平,分枝杆菌属和鞘氨醇杆菌属变化明显,污泥堆肥产品施用过程中抗性基因出现水平迁移,不宜直接农业施用.      

基于QMEC分析的青藏高原不同类型冰川前缘地土壤微生物功能潜力

微生物通过多种功能代谢过程主导着因气候变暖裸露的冰川前缘地土壤元素的地球化学循环.以青藏高原的海洋型冰川、亚大陆型冰川和极大陆型冰川的前缘地土壤为研究对象,分析不同类型冰川前缘地土壤的微生物功能特征.依次选择玉龙冰川、天山乌鲁木齐1号冰川和老虎沟12号冰川作为三类冰川的典型代表,采用高通量功能基因芯片(QMEC)检测土壤微生物的功能基因特征.结果表明,在三类冰川前缘地土壤中,半纤维素降解基因和还原型乙酰辅酶A途径相关的碳固定基因丰度最高,三者主要的氮功能基因和氨化作用有关,磷、硫功能基因则主要与有机磷矿化过程和硫氧化过程相关.其中,水热条件较好的海洋型冰川的微生物功能基因的种类与丰度最高,其次为环境较为干燥的极大陆型冰川.三类冰川前缘地土壤的微生物功能基因结构的显著差异,证实了地理环境差异对微生物功能特征的影响,也为不同类型冰川前缘地土壤微生物的功能及其介导的元素地球化学循环研究提供了基础.     

Fenton预氧化促进土壤微生物均衡降解烷烃

针对石油污染土壤中各类烷烃的生物选择性降解问题,通过多种土壤固相铁Fenton预氧化方式调控土壤微生物群落,探究土壤微生物数量、活性和群落变化对石油烃降解的影响,确定各类烷烃均衡降解的微生物群落特征。结果表明：A45(45 mmol/L柠檬酸)和F8.7(8.7 mmol/L Fe²⁺)土壤固相铁Fenton预氧化后,土壤微生物代谢活性分别高达0.59 mol/kg(A45)和0.60 mol/kg(F8.7),土壤石油烃残余率分别低至30%(A45)和29%(F8.7)。土壤中形成以不动杆菌属(Acinetobacter)、假单胞菌属(Pseudomonas)为主要优势菌属的土壤微生物群落。土壤微生物多样性高,群落组成丰富,烷烃代谢的功能基因相对丰度高,促进了各类烷烃的均衡降解,各类烷烃的生物降解率均高达60%。     

固定化微生物技术修复PAHs污染土壤的研究进展

多环芳烃(PAHs)是环境中普遍存在的一类典型有机污染物,绿色修复PAHs污染土壤已成为国内外环境和土壤界共同关注的热点问题之一.作为一种新型的微生物修复技术,固定化微生物修复有机污染土壤正受到越来越多的关注,国内外相关研究刚刚开始.本文重点评述了近几年国内外有关固定化微生物技术修复PAHs污染土壤的最新进展,总结了固定化微生物技术的修复原理、微生物固定化载体的选择、高效降解菌的筛选、固定化方法及影响因素等方面,并提出今后的发展方向,为我国开展固定化微生物技术修复有机污染土壤的研究提供参考.     

Characteristics of microbial community functional structure of a biological coking wastewater treatment system

Nitrogenous heterocyclic compounds are key pollutants in coking wastewater; however, the functional potential of microbial communities for biodegradation of such contaminants during biological treatment is still elusive. Herein, a high throughput functional gene array (GeoChip 5.0) in combination with Illumina HiSeq2500 sequencing was used to compare and characterize the microbial community functional structure in a long run (500 days) bench scale bioreactor treating coking wastewater, with a control system treating synthetic wastewater. Despite the inhibitory toxic pollutants, GeoChip 5.0 detected almost all key functional gene (average 61,940 genes) categories in the coking wastewater sludge. With higher abundance, aromatic ring cleavage dioxygenase genes including multi ring1,2diox; one ring2,3diox; catechol represented significant functional potential for degradation of aromatic pollutants which was further confirmed by Illumina HiSeq2500 analysis results. Response ratio analysis revealed that three nitrogenous compound degrading genes- nbzA (nitro-aromatics), tdnB (aniline), and scnABC (thiocyanate) were unique for coking wastewater treatment, which might be strong cause to increase ammonia level during the aerobic process. Additionally, HiSeq2500 elucidated carbozole and isoquinoline degradation genes in the system. These findings expanded our understanding on functional potential of microbial communities to remove organic nitrogenous pollutants; hence it will be useful in optimization strategies for biological treatment of coking wastewater.     

Coupled biodegradation of p-nitrophenol and p-aminophenol in bioelectrochemical system: Mechanism and microbial functional diversity

Biodegradation mechanisms and microbial functional diversity during coupled p-nitrophenol (PNP) and p-aminophenol (PAP) degradation were studied in a bioelectrochemical system. PNP in the biocathode and PAP in the bioanode were almost completely removed within 28hr and 68hr respectively. The degradation followed the steps including hydrating hydroxyalkylation, dehydrogenating carbonylation, and hydrolating ring cleavage, etc. Metagemomic analysis based on the KEGG and eggNOG database annotations revealed the microbial composition and functional genes/enzymes related to phenol degradation in the system. The predominant bacteria genera were Lautropia, Pandoraea, Thiobacillus, Ignavibacterium, Truepera and Hyphomicrobium. The recognized biodegradation genes/enzymes related to pollutant degradation were as follows: pmo, hbd, & ppo for phenol degradation, nzba, amie, & badh for aromatic degradation, and CYP & p450 for xenobiotics degradation, etc. The co-occurrence of ARGs (antibiotic resistant genes), such as adeF, MexJ, ErmF, PDC-93 and Escherichia_coli_mdfA, etc., were annotated in CARD database during the biodegradation process. The Proteobacteria & Actinobacteria phylum was the primary host of both the biodegradation genes & ARGs in this system. The microbial functional diversity ensured the effective biodegradation of the phenol pollutants in the bioelectrochemical system.     

底泥中多环芳烃的微生物降解与原位修复技术

水体底泥是多环芳烃(PAHs)重要的环境载体之一,PAHs通过多种途径进入各种水体,经过复杂的过程沉积富集于水体底泥中。PAHs在环境中的迁移转化有多种途径,其中微生物降解是去除环境中PAHs的最主要途径。PAHs可以作为微生物的唯一碳源或通过共代谢而被降解。影响微生物降解PAHs的因素有:PAHs的生物可利用性、温度、pH值、供氧条件、营养条件以及其它的环境因素。受PAHs污染底泥的微生物原位修复技术通过导入高效微生物,提供电子受体、营养盐和表面活性剂等来降解底泥中的PAHs。该技术被认为是去除底泥中PAHs污染物的重要手段,但还存在着多方面的缺点而使其应用存在着很大的局限性,需要从高分子量的PAHs的降解机理、生物降解过程中基因调控机制、环境因子与微生物降解PAHs的相互作用关系以及受PAHs污染底泥的微生物原位修复过程的监测、风险评估和效果评估等多个方面进行深入的研究。     

土壤中多环芳烃微生物降解能力模拟

为了揭示微生物菌种(组合)对土壤中PAHs(多环芳烃)降解率的影响以及不同类型PAHs抗微生物降解能力的差异,分析了北京市6个不同环境功能区土壤中微生物种类及其分布特征,从中筛选出部分微生物菌种对典型PAHs和原油进行降解模拟试验,对比分析微生物对不同PAHs降解能力的差异.结果表明:① 不同菌种组合对PAHs的降解能力存在明显差异,与假单胞菌属、无色杆菌、短稳杆菌混合菌相比,假单胞菌属、无色杆菌、短稳杆菌和微杆菌混合菌对PAHs的降解率高0.6%~4.5%;② 在相同降解条件下,不同PAHs的降解率存在明显差异,在单体培养基中,LMW PAHs(低环数PAHs)的降解率在25.3%以上,而HMW PAHs(高环数PAHs)的降解率都小于20.1%;③ 在单体培养基与混合培养基中PAHs的降解能力也存在一定差别,单体培养基中PAHs的降解率较混合培养基中高4.2%~26.6%;④ 无论在单体培养基中,还是混合培养基中这些化合物的降解率均存在随着降解时间的增加而增大的现象;⑤ 在原油培养基中不同PAHs的降解率更为复杂,并且出现了中低分子量PAHs降解率随降解时间增加反而降低的假象,这可能是由于随着时间增加,微生物对PAHs的降解能力加强,原油中含烷基的PAHs基团降解或HMW PAHs被微生物降解产生LMW PAHs中间产物造成.研究显示,假单胞菌属、无色杆菌、短稳杆菌和微杆菌对HMW PAHs和LMW PAHs均有明显的降解效果,但不同PAHs的降解率存在明显的差异,即使是同一单体化合物,在单体培养基、混合培养基和原油培养基三种不同的降解条件下,其降解率也具有不同程度的差别.