湿地甲烷代谢微生物产甲烷菌和甲烷氧化菌的研究进展

湿地作为一种独特的生态系统,是大气中重要温室气体甲烷（CH₄）的"源",湿地CH₄的排放是CH₄的产生、传输和氧化三个过程的最终结果,其排放量与产甲烷菌（methanogens）和甲烷氧化菌（methanotrophs）的活动密切相关。本文对湿地甲烷代谢重要微生物产甲烷菌和甲烷氧化菌的分类、特点、代谢途径、分子生态学研究现状及影响湿地产甲烷菌和甲烷氧化菌的重要环境因子等方面进行了综述,旨在促进我国湿地产甲烷及甲烷氧化菌群的领域更加系统和深入的研究,为有效调控湿地CH₄代谢,减少CH₄排放通量提供参考。     

低温沼气技术：低温产甲烷过程及嗜冷产甲烷菌

综述了低温厌氧消化产甲烷过程,近年来研究者们已经分离出的一些最适生长温度为15℃-25℃的产甲烷菌及其分布,为今后嗜冷产甲烷菌的特征、分布等研究奠定了一定基础。     

产甲烷菌和甲烷氧化菌分布对土壤-植物系统甲烷逸出的影响

CH₄(甲烷)的逸出量与产甲烷菌和甲烷氧化菌的数量密切相关.采用FISH(荧光原位杂交)技术定量解析芦苇和香蒲混栽土壤-植物生态系统基质,探讨CH₄的产生机理.结果表明,植物有利于微生物的生长,甲烷氧化菌主要聚居在植物根区,产甲烷菌数量高于甲烷氧化菌.气温变化和系统ORP(氧化还原电位)对土壤-植物生态系统CH₄排放通量的影响很大,芦苇和香蒲混栽土壤-植物生态系统CH₄年均排放通量为22.9 mg/(m2·h),最高达185.6 mg/(m2·h),排放峰值出现在夏季.表明芦苇和香蒲的生长促进了根际分泌物的产生,为产甲烷菌提供了较多生长所需的底物,从而刺激系统CH₄的排放.      

产甲烷菌的生理生化特性

目前已经分离鉴定的产甲烷菌已有200多种,Fe、Co、Ni、Mo、Se,维生素B2,维生素B12等微量元素对其活性有促进作用;然而,无机毒性物质(重金属离子、Na+、K+、pH、氧化还原电位等)、有机毒性物质(硝化物、抗生素、氰化物和氯仿、芳香族化合物等)、氨氮,氮氧化物等对产甲烷菌活性有抑制作用。已建立了产甲烷微生物利用H2/CO2、甲醇和醋酸为基质的产甲烷生化代谢模型,产甲烷菌含有氢化酶、辅酶F420、辅酶M、甲基呋喃、四氢甲基喋呤等独特的酶。     

模拟增温对青海湖湿地土壤产甲烷菌群落的影响

为深入探讨气候变化背景下高寒湿地生态系统甲烷循环的过程,文章以青海湖小泊湖观测站为研究对象,对观测样地设置增温箱,通过高通量测序的方法对产甲烷菌进行分析。甲烷丝菌属（Methanothrix）和甲烷杆菌属（Methanobacterium）是优势菌属,增温的土壤样品中未见甲烷螺菌属（Methanospirillum）和甲烷食甲基菌属（Methanomethylovorans）。pH与甲烷胞菌属（Methanocella）、产甲烷袋菌属（Methanofollis）、Methanomassiliicoccus、Candidatus Methanogranum呈正相关;甲热球菌属（Methermicoccus）和Methanoregula与全氮、全碳呈正相关。增温对土壤产甲烷菌Alpha多样性影响不显著（P>0.05）,增温对高寒沼泽湿地的土壤产甲烷菌的群落结构的相对丰度呈下降趋势。整体而言,对比高寒湿地产甲烷菌群落多样性,其群落结构对温度更为敏感,且部分菌群相对丰度发生了显著变化。     

UASB反应器中产甲烷菌对温度胁迫的响应

采用间歇培养方式探讨了升流式厌氧污泥床(UASB)反应器中不同营养类型产甲烷菌对温度胁迫的响应规律.研究结果表明,产甲烷螺旋菌(Methanospirillum)是该反应器的主要氢营养型产甲烷菌,而主要乙酸营养型产甲烷菌为产甲烷丝状菌(Methanosaeta).在35℃条件下,氢营养型和乙酸营养型产甲烷菌的累计甲烷产量分别为24.7,11.7mL,而最大产甲烷速率分别为0.74,0.18mL/h.当温度从35℃分别降低至30,25,20,15℃时,导致氢营养型产甲烷菌的累计产甲烷量分别减少了14.2%,34.0%,47.0%,57.5%,而乙酸营养型产甲烷菌的累计产甲烷量分别减少了5.1%,23.9%,45.3%,95.7%.由此可见,在20~30℃时氢营养型产甲烷菌对温度胁迫更加敏感,而在15℃以下时乙酸营养营养型产甲烷菌对温度胁迫更加敏感.     

雌激素污染对水体微生物产甲烷功能的影响

针对目前水体环境雌激素的污染形势严峻,且其对水体功能性微生物群落影响规律及机理不明等问题,选择典型天然雌激素——17β-雌二醇(E2)为主要研究对象,构建实验室厌氧水体微生态系统,分析E2污染对厌氧水体微生物活性和产甲烷功能的影响规律。结果表明,在厌氧条件下,E2污染对水体微生物群体的活性存在显著的抑制效应,对水体甲烷的产生速率亦存在规律性的影响。当水体E2浓度≤0.5 ng/L时,对水体微生物的产甲烷活性存在促进作用。当E2浓度≥1.0 ng/L时,E2污染对水体微生物的产甲烷活性存在明显的抑制效应,且随着E2浓度的升高抑制作用增强。因此,厌氧条件下,微量E2污染会影响水体微生物活性和产甲烷效应的变化,从而对水体自净功能和甲烷释放产生影响。     

厌氧发酵处理红霉素菌渣的效能及红霉素降解规律研究

红霉素菌渣是宝贵的资源,但却含有少量的红霉素残留,潜在引发环境细菌耐药的风险,被国家定义为危险废物。文章采用厌氧发酵技术处理红霉素菌渣,拟借助微生物作用降低抗生素残留并制取生物燃气,文中考察了红霉素残留随厌氧发酵过程的降解规律。研究发现:中温(35℃)发酵、接种比为0.4、含固率为8%时,单位池容产气率最高,红霉素菌渣的厌氧发酵处理是可行的。此外,在发酵的10 d后,红霉素降解率达到94%以上,日相对降解率与发酵液pH相关,pH越小降解速率越大,pH越接近中性,降解越缓慢。同时得到其降解过程与厌氧发酵产气量无明显相关性。该文为红霉素菌渣安全资源化提供了基础数据。     

氨氮和硫酸盐对谷氨酸厌氧生物降解性能的抑制及机理

采用连续运行1119d的上流式厌氧污泥床（UASB）反应器,研究了最佳有机负荷条件下氨氮和硫酸盐对模拟废水中谷氨酸降解性能的抑制作用.结果表明,有机负荷为8.0g COD/（L·d）时,COD去除率达到最高值为（97.94±0.28）%.逐步提高进水氨氮浓度,起初对谷氨酸降解性能的影响不大;但升到2000mg/L时COD去除率和甲烷产率明显降低,继续升至4000mg/L时即达到半抑制状态.逐步提高进水硫酸盐浓度至4000mg/L,甲烷产率和溶液中游离硫化氢（FS）浓度分别呈现一直下降和升高趋势,但COD去除率均能维持在90%以上.进水中的氨氮和硫酸盐分别因离解平衡和生物还原作用形成游离氨（FAN）和FS,进而抑制了产甲烷菌的活性;前者因FAN扩散到细胞内部破坏质子平衡从而过多消耗ATP,后者还因硫酸盐还原菌的增殖存在底物竞争抑制作用.     

氨氮和硫酸盐对谷氨酸厌氧生物降解性能的抑制及机理

采用连续运行1119d的上流式厌氧污泥床（UASB）反应器,研究了最佳有机负荷条件下氨氮和硫酸盐对模拟废水中谷氨酸降解性能的抑制作用.结果表明,有机负荷为8.0g COD/（L·d）时,COD去除率达到最高值为（97.94±0.28）%.逐步提高进水氨氮浓度,起初对谷氨酸降解性能的影响不大;但升到2000mg/L时COD去除率和甲烷产率明显降低,继续升至4000mg/L时即达到半抑制状态.逐步提高进水硫酸盐浓度至4000mg/L,甲烷产率和溶液中游离硫化氢（FS）浓度分别呈现一直下降和升高趋势,但COD去除率均能维持在90%以上.进水中的氨氮和硫酸盐分别因离解平衡和生物还原作用形成游离氨（FAN）和FS,进而抑制了产甲烷菌的活性;前者因FAN扩散到细胞内部破坏质子平衡从而过多消耗ATP,后者还因硫酸盐还原菌的增殖存在底物竞争抑制作用.     

红霉素废液生产单细胞蛋白的发酵条件研究

采用单因素及正交方法,以微生物含量为主要检测指标,研究红霉素废液生产单细胞蛋白的工艺条件。探讨了接菌量、发酵培养基中废液含量、发酵时间、发酵pH值、氮源等因素对单细胞蛋白产量的影响。结果表明,红霉素废液发酵生产蛋白的适宜条件为:发酵培养基中废液含量20%,接菌量6%,pH=6,发酵时间72h。     

海水中的红霉素与营养盐对微藻的复合影响

大量的抗生素及其代谢产物最终会进入海洋,其对海洋生态系统的潜在威胁值得关注.研究了不同浓度的红霉素和营养盐对2种甲藻——米氏凯伦藻(Karenia mikimotoi)、东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)和1种硅藻——中肋骨条藻(Skeletonema costatum)的生物量、光合色素含量、蛋白质含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量的影响,以此来探究海水中红霉素与营养盐限制是否会对微藻产生复合影响,评估不同的营养状态下红霉素对海洋生态的影响.结果表明,营养盐限制会降低米氏凯伦藻、东海原甲藻和中肋骨条藻对红霉素的耐受限度.本实验范围内(0～1 000μg·L~(-1)),红霉素对米氏凯伦藻的生长无显著影响,高浓度的红霉素(≥100μg·L~(-1))会显著抑制东海原甲藻和中肋骨条藻的生长,这3种微藻中中肋骨条藻对红霉素敏感性最高.     

含固率和接种比对叶菜类蔬菜垃圾厌氧消化的影响

通过叶菜类蔬菜垃圾中温批式厌氧消化实验,比较了含固率(3%、5%、7%)和接种比(1.5、2.5、3.5)对产甲烷效果的联合影响.结果表明,在研究实验参数范围内,含固率越低、接种比越高,越有利于缩短产甲烷反应迟滞期,平均日产甲烷速率越快.经过52d的培养,在含固率为3%、接种比为3.5的工况中,平均日产甲烷速率最快,达到9.5mL/(gVS?d),日最大产甲烷速率最快,达到49.8mL/(gVS?d),最早进入快速产甲烷期.当接种比为3.5时,随着含固率的升高,产甲烷速率下降,迟滞期延长,但单位底物累计产甲烷量增大,含固率7%时单位底物累计净产甲烷量为481mL/gVS.而当接种比为1.5时,含固率为5%和7%的工况均无法启动甲烷化反应,含固率为3%的工况的产气迟滞期达15d.挥发性有机酸的累积抑制甲烷化反应的启动,迟滞期随着液相中有机酸浓度的增加而延长,当有机酸浓度低于1260mg/L,甲烷化反应没有明显的迟滞期.     

含固率和接种比对林可霉素菌渣厌氧消化的影响

通过林可霉素菌渣的中温厌氧消化摇瓶实验,比较不同的含固率(3%、5%、8%、10%)和接种比(0.5、1、2、3)对菌渣产甲烷能力的影响,以确定菌渣厌氧消化的最优工艺条件.结果表明,在研究参数范围内,含固率越低,接种比越高,越有利于甲烷的产生;经过10d的培养,在含固率为3%、接种比为3时的工况中,菌渣的挥发性固体(VS)累计净产甲烷量最高,为106 mL/g;而含固率>5%、接种比2的液态发酵工艺,此条件既能保证厌氧消化不受消化产物(胺和挥发性有机酸)积累的抑制,也可以缓冲菌渣中残留林可霉素对消化微生物可能产生的抑制效应.     

厌氧发酵处理庆大霉素菌渣的可行性及条件优化

采用厌氧发酵处理庆大霉素菌渣,考察了含固率、接种比、接种污泥、发酵底物等因素对庆大霉素菌渣厌氧发酵的影响,并用累积净甲烷产量衡量庆大霉素菌渣进行厌氧发酵的可行性及发酵程度。试验结果证实了庆大霉素菌渣进行厌氧发酵的可行性,其中含固率和接种比对发酵的影响较大,最佳条件为含固率5%,接种比1/3;对比试验所用3种接种污泥,发现接种某造纸厂污水处理IC反应器的厌氧颗粒污泥效果最优,在最优含固率和接种比的条件下,累积净产甲烷量为28.21 m3/t;此外,试验还证实,采用不同菌渣的联合发酵表现出了明显的协同作用,在最优条件下,庆大霉素菌渣与林可霉素菌渣按1∶2的比例联合发酵的产甲烷量可达到37.5 m3/t。     

联苯胺对碱性磷酸酶抑制作用及其动力学研究

联苯胺作为一种危害严重对环境污染物,对小牛肠碱性磷酸酶的酶活力有明显的抑制作用。这种抑制随着联苯胺浓度的增加而增强,当联苯胺浓度>1.0μg/L时,其抑制程度趋于恒定。运用酶活力研究的动力学模型,在不同的酶底物浓度及不同的抑制剂浓度下,用分光光度法监测酶底物水解产物浓度随时间变化的过程,研究了抑制剂联苯胺对小牛肠碱性磷酸酶活性的抑制动力学,结果表明,联苯胺对小牛肠碱性磷酸酶的抑制是可逆抑制,属于可逆抑制中的竞争性抑制类型;求得其抑制剂常数Ki为1.28×10-7mol/L。     

污泥填埋场气体产量的预测方法研究

为有效利用污泥填埋场内产生的沼气,以上海白龙港污水处理厂污泥为例,对污泥填埋场中气体产生率及产生量进行了预测.应用元素的归一化摩尔化方法得到该污水处理厂污泥有机物的近似分子式为C28H52O16N4.用化学计量法和IPCC模型预测的甲烷气体产生潜能分别为60.6,61.7kg/t(以干重计).用动力学模型和IPCC模型预测的甲烷气体产生率分别为13.3,11.1kg/(t×a)(以干重计),2种方法计算的甲烷气体产生率的差别主要在于参数的取值不同,化学计量法和动力学模型法预测的气体产生量和产生率更能反映污泥填埋场实际的气体产生情况,应用IPCC模型更适合于从宏观角度估算一个地区或整个国家的填埋场产气量.     

金属离子屏蔽腐殖酸对污泥厌氧消化抑制作用实验研究

以实验室培养、几乎不含腐殖质和金属离子的剩余污泥为研究对象,选择与市政污泥中腐殖酸特征相近的市售腐殖酸作为外加填充腐殖质,通过投加外源金属离子实验研究屏蔽腐殖质对污泥厌氧消化过程的抑制作用.结果表明,单独投加Ca2+与Al3+可分别获得65.4%和65.7%的屏蔽抑制率;Ca2++Al3+组合投加效果更佳,可获得高达80.1%的屏蔽抑制率,具有"1+12"的屏蔽抑制效果.然而,过高的金属离子含量(或组合含量)不仅无助于进一步提高屏蔽抑制效果,反而会因抑制微生物活性而导致屏蔽抑制率下降.Ca2+通过阳离子交换产生屏蔽抑制作用,而Al3+主要靠静电作用和网捕卷扫作用产生屏蔽效果.在屏蔽腐殖酸抑制方面,三价金属离子好于二价金属离子的原因是两者的静电作用力大小、作用方式、环境效果不尽相同.     

不同渗滤液循环方式对填埋层甲烷产生的影响

通过填埋模拟柱 ,实验室研究了以我国大城市生活垃圾组成为依据的新鲜垃圾填埋层在不同渗滤液循环方式条件下甲烷产生的规律 .渗滤液循环方式包括 :原液循环、好氧预处理 (SBR)后循环、与陈垃圾出水混合后循环 .结果表明 :新鲜垃圾填埋层初期渗滤液COD、VFA浓度高 ,原液循环导致有机酸的积累 ,抑制了甲烷化进程 ;初期渗滤液经预处理控制一定COD、VFA浓度后循环 ,能够显著地缩短产甲烷滞后时间、加速甲烷化进程 ;当填埋层进入稳定的甲烷化阶段后 ,渗滤液循环才能有效地降解渗滤液中的有机污染 ,近 10 0 %地转化为填埋气体.     

污水处理厂中红霉素抗药性基因的污染特征及选择性因子

采用固相萃取-高效液相色谱串联质谱(SPE-HPLC-MS/MS)检测分析了上海某污水处理厂中12种不同药品和个人护理品(pharmaceutical and personal care products,PPCPs)的含量水平和分布特征,采用实时荧光定量PCR方法定量检测分析了7种红霉素抗药性基因(ERY-ARGs)在污水处理厂中的分布和丰度变化.结果表明,在污水处理厂中共检出5种PPCPs(包括磺胺甲唑、红霉素、四环素、卡马西平和三氯生),浓度范围分别为24.5~38.7、47.5~49.2、43.1~85.4、2.5~3.9和423.2~8 973.3ng·L-1.两段A/O生物处理工艺对三氯生具有较好的去除效果,但对其余4种PPCPs的去除效果较差.与此同时,目标ERY-ARGs在污水处理厂中均被检出,在原水中的丰度达9.28×103(erm A)~1.83×108(ere A)copies·L-1,虽然两段A/O工艺能够显著降低污水中的ERY-ARGs(1.19 log~3.97 log),但其在最终处理出水中的浓度仍然较高.通过相关性分析可知,ERY-ARGs与红霉素和三氯生之间均具有显著相关性(P<0.05),表明污水处理厂中红霉素对ERY-ARGs的产生和传播具有重要影响,而三氯生对ERY-ARGs可能存在交叉选择性作用.