基于高通量测序分析的生物修复石油污染土壤菌群结构变化

利用高通量测序技术对微生物修复石油污染土壤过程中的微生物群落结构变化进行研究.结果表明,经修复处理的土壤微生物群落结构及多样性发生明显变化.利用生物强化修复处理(BA)的土壤中,微生物丰富度与均匀度明显降低,土著菌群受到抑制,外加变形菌门(Proteobacteria)成为主要的优势菌门,相对丰度由修复前的37. 44%增加为87. 44%.假单胞菌属(Pseudomonas)成为土壤中的优势菌属,丰度由2. 99%增加为76. 37%;进行生物刺激修复处理的土壤(BS)菌群丰富度和均匀度与原污染土壤相比略有降低.菌群结构组成上,原优势菌门变形菌门(Proteobacteria)丰度由37. 44%降低为10. 90%,厚壁菌门(Firmicutes)丰度由9. 16%增加为35. 32%,属水平上,原优势菌属微小杆菌属(Exiguobacterium)和原小单胞菌属(Promicromonospora)丰度由8. 49%和18. 96%分别降低为2. 19%和14. 97%,诺卡氏菌属(Nocardioides)和芽孢杆菌属(Bacillus)丰度由5. 56%和0. 29%分别增加至28. 95%和22. 70%,成为主要优势菌属.生物强化修复处理引起土壤菌群多样性和结构发生明显变化,生物刺激修复处理可基本保持土壤菌群结构多样性不被破坏,土壤菌群结构的稳定有利于石油烃的生物降解.     

环境因子对土壤微生物呼吸及其温度敏感性变化特征的影响

在田间条件下研究土壤微生物呼吸及其温度敏感性(Q10)的变化特征及其影响因素对准确理解地区的气候变暖潜力具有重要意义.本研究依托长武农田生态试验站的裸地处理,利用土壤碳通量系统(Li～8100)连续6 a (2008～2013年)监测裸地处理下的呼吸速率、土壤温度和水分,探究土壤微生物呼吸及其温度敏感性的变化特征及其影响因素.在日变化尺度上,土壤微生物呼吸速率的变化特征呈单峰曲线,且这种变化趋势主要与土壤温度有关(P 0. 05),然而日平均土壤微生物呼吸速率和Q10在不同土壤水分含量条件下不同.均呈现出:适度的土壤水分条件较高的土壤水分条件较低土壤水分条件的趋势[土壤微生物呼吸速率:1. 20μmol·(m~2·s)~(-1)、0. 95μmol·(m~2·s)~(-1)、0. 79μmol·(m~2·s)~(-1); Q10:2. 12、1. 93、1. 59].在季节尺度上,土壤微生物呼吸速率和Q10均呈现出雨季大于非雨季的趋势[土壤微生物呼吸速率:1. 11μmol·(m~2·s)~(-1)、0. 90μmol·(m~2·s)~(-1); Q10:1. 96、1. 59],且这种变化趋势与土壤温度和水分的变化有关(P 0. 05),然而土壤温度和土壤水分的双变量模型比土壤温度或者土壤水分的单变量模型能解释更多的土壤微生物呼吸季节变异性(R~2:0. 45～0. 82、0. 32～0. 67、0. 35～0. 86;模拟值和实测值的拟合系数:0. 76、0. 64、0. 58).在年际尺度上,年累积土壤微生物呼吸变化于226 g·(m~2·a)~(-1)和298 g·(m~2·a)~(-1)之间,Q10变化于1. 48～1. 94之间,而年累积土壤微生物呼吸和Q10的年际变异性主要与年平均土壤水分含量有关(P 0. 05),且年平均土壤水分别可以解释39%和54%的年累积土壤微生物呼吸和Q10年际变异性.在裸地处理上,土壤有机碳由试验初的6. 5 g·kg~(-1)下降到目前的5. 5 g·kg~(-1),但是年累积土壤微生物呼吸却高达255 g·(m~2·a)~(-1),即裸地处理的呼吸流失量比土壤有机碳的流失量高20倍以上.     

长期施肥下水稻根际和非根际土壤微生物碳源利用特征

以红壤丘陵区典型稻田长期定位施肥试验土壤为研究对象,选取不施肥(CK)、化肥(NPK)、秸秆还田+化肥(NPKS)、30%有机肥+化肥(LOM)和60%有机肥+化肥(HOM)这5种处理,研究长期不同施肥条件下水稻根际和非根际土壤微生物碳源利用特征.基于~(18)O-H_2O示踪的结果表明,土壤微生物量碳(MBC)和微生物生长速率(CGrowth)均以HOM处理最高,CK处理最低.根际土中,土壤微生物基础呼吸速率以HOM最高,CK和NPK最低;微生物碳源利用效率(CUE)以NPK最高,LOM和HOM最低.非根际土中,不同施肥处理的基础呼吸速率和CUE均无显著差异. MicroResp~(TM)结果显示,非根际土中微生物对外源碳源代谢能力高于根际土.施用有机物料(秸秆或有机肥)均能提高微生物对羧酸类、氨基酸、碳水化合物的代谢速率,且土壤微生物利用羧酸类碳源的活性最高,其次为氨基酸类和碳水化合物类碳源,对复杂化合物的代谢速率较低. RDA分析表明,微生物对不同碳源代谢情况的聚类总体以根际土与非根际土分开,CK与施肥处理分开,且NPK与NPKS相对聚集,LOM与HOM相对聚集,NPK、NPKS与LOM、HOM分开,即不同施肥处理显著改变土壤微生物对外源碳源代谢特征.结果表明,施肥未改变微生物CUE和基础呼吸速率,但有外源碳源输入(如根系分泌物)的情况下,施用有机物料增加基础呼吸、降低CUE.     

包埋反硝化填料强化二级出水深度脱氮性能研究及中试应用

利用包埋广谱性高效反硝化填料处理城市污水厂二级出水,可有效降低出水总氮(TN)浓度,本研究共分为两部分,D1阶段研究了包埋反硝化填料对污水厂二级出水的适应性、TN去除效果、稳定运行及填料反冲洗的工况条件; D2阶段研究了填料在中试条件下稳定运行1 a脱氮性能的变化,并通过高通量测序和荧光定量分析(q PCR)手段,研究对比了包埋填料运行前后微生物种群的变化规律.通过研究发现,包埋反硝化填料在水温为(24±1)℃、pH为7. 1、HRT为1 h和填充率为10%,投加乙酸钠保证碳源充足的条件下稳定运行7 d,即可适应二级出水水质,实现出水总氮5 mg·L~(-1).通过对比研究不同水力停留时间(HRT)对填料TN去除效果的影响,得出适宜的HRT为30 min,填充率为10%的运行条件,在7. 2 m~3·d~(-1)的进水条件下经过1 a的稳定运行,TN去除率最高可达到90. 42%,出水总氮可稳定在5 mg·L~(-1)以下.通过对比反冲洗效果,确定了反冲洗强度为5. 2 L·(m~2·s)~(-1),周期为每3 d进行一次.高通量测序和荧光实时定量PCR分析结果表明,运行前后填料上反硝化功能菌属的丰度及拷贝数都有了明显增长,这说明细菌在包埋条件下可实现良好的自我生长.     

磁性纳米Fe3O4@C对SBR脱氮除磷性能及其微生物种群组成的影响

为探究磁性纳米Fe₃O₄@C对序批式活性污泥反应器（SBR）污水处理系统脱氮除磷性能的影响,建立了2个相同的SBR（编号分别为0号和1号）,其中,0号反应器未投加任何磁性材料（对照组）,1号反应器中投加0.5 g·L^-1的Fe₃O₄@C（实验组）,并采用高通量测序和实时定量PCR（qPCR）技术对2个反应器内生物种群结构及关键脱氮除磷功能菌群进行分析.结果表明：①Fe₃O₄@C对SBR除污性能有显著影响,其中,1号反应器化学需氧量（COD）的去除性能得到增强,24 d后去除率稳定在90%左右;0号和1号反应器总氮（TN）平均去除率分别为35.83%和52.18%;从第43 d起,1号反应器除磷性能明显高于0号反应器,运行70 d后,0号和1号反应器对总磷（TP）的平均去除率分别为47.52%和56.33%.②添加Fe₃O₄@C材料后,反应器内变形菌门（Proteobacteria）的相对丰度从23.91%增加至32.14%,优势脱氮菌门Planctomycetes、Nitrospirae的相对丰度分别从2.66%、0.46%增加至5.16%、2.23%.③添加Fe₃O₄@C后,SBR内细菌总数明显增多,16S基因拷贝数从1.77×10⁷ copies·g^-1增长到4.21×10⁷ copies·g^-1;各功能菌数量也有大幅度增长,除磷功能基因PAO增加了3.4倍,脱氮功能基因nirS、Nitrospira、Nitrobacter、AOB分别增长了2.3、2.4、4.7和572倍.研究表明,磁性纳米Fe₃O₄@C能有效促进SBR脱氮除磷性能,可为SBR工艺的优化改进提供理论支撑.     

一体式厌氧氨氧化反应器常温运行与微生物群落研究

为明确温度对一体式厌氧氨氧化工艺的影响,本研究通过降温实现了一体式厌氧氨氧化工艺22℃下的常温运行,探究了微生物活性和群落结构随温度的变化.反应器采用自配进水、间歇曝气方式运行,进水NH₄⁺-N浓度约254mgN/L,试验过程出水NO₂^--N浓度稳定在在10mg/L以下,但NO₃^--N随着降温有升高的趋势;总氮容积负荷在1.0~1.2g/（L·d）之间,总氮去除负荷在0.7~0.9g/（L·d）;总氮去除率在62%~88%.反应器颗粒污泥中AOB活性始终最高,NOB活性远低于AOB和AnAOB;温度降低NOB活性增加;AnAOB到22℃时活性明显下降,因此需特别关注该温度下反应器的运行工况.Ca.Brocadia是反应器内丰度最高的AnAOB,相对丰度为2.7%~15.1%;Nitrosomonas是反应器内丰度最高的AOB,相对丰度为2.8%~11.5%.研究发现降温使AnAOB的优势属从Ca.Jettenia变为Ca.Brocadia;即后者较前者在低温条件下更具优势.     

多点汇流下污水管网污染物迁变规律及其机制

为研究城市污水管网多点汇流条件下污染物的迁变规律及其对微生物繁衍的影响机制,建立一套多汇流点位的污水管道中试系统,探究污水输送过程中碳,氮,硫3类主要污染物质的迁移转化特性.结果表明,汇流点前溶解态化学需氧量（SCOD）和硫酸盐（SO₄^2-）浓度下降,氨氮（NH₄⁺-N）浓度上升,支管汇流使得汇流点3类污染物浓度显著增加.后期水质达到稳定,在保证支管污水的汇入导致各类污染物增加量基本不变的情况下,SCOD浓度由进口的320mg/L左右下降至出口的280mg/L左右,在氨化作用下导致的NH₄⁺-N总增加量在15mg/L左右,高于因汇流产生的增加总量12.5mg/L左右,结果表明汇流管网系统中微生物的消耗代谢作用是碳氮类污染物变化的主导因素,而SO₄^2-后期进出口浓度均在20mg/L左右,说明支管汇流和生化代谢使SO₄^2-的含量维持在动态平衡的状态.此外,对管网中试系统生物相中微生物繁衍过程进行分析可知,发酵菌（FB）,产氢产乙酸菌（HPA）,硫酸盐还原菌（SRB）的含量随繁衍时间显著增加,并在沿程的不同汇流点处出现丰度升高现象.综上所述,在多点汇流导致污水水质波动的作用下,促进了管网生物相中微生物的繁衍增殖,并增强了其代谢作用在污水管网污染物转化的主导地位,使得污染物在管网输送过程中呈现更为显著的转化现象.     

多元复合调理剂对镉砷污染农田土壤微生物群落结构的影响

通过温室盆栽试验,研究多元复合调理剂（石灰石、铁粉、硅肥和钙镁磷肥,简称LISP）对土壤基本理化性质、Cd和As的生物有效性和微生物群落结构的影响.结果表明,LISP可改变土壤基本理化性质,降低土壤有效态Cd和As含量,并改变土壤微生物群落结构.在0.4%的LISP添加下,土壤pH值、有效磷和总磷含量较CK处理分别显著（P< 0.05）提高0.57单位、130.6%和18.38%,同时土壤有效态Cd和As含量较对照分别显著（P< 0.05）降低21.76%和16.39%.高通量测序结果表明,添加LISP可维持污染土壤中正常微生物群落的多样性和丰富度,而显著改变土壤微生物群落的组成和结构,其中厚壁菌门、放线菌门和浮霉菌门等门水平物种的相对丰度增加,而绿弯菌门、酸杆菌门和疣微菌门等门水平物种的相对丰度降低.冗余分析和Mantel检验分析表明,土壤pH值、有效磷以及有效态Cd和As含量是影响土壤微生物群落结构的主要环境因子.上述结果表明,LISP是一种有效的、生态安全的调理剂用于农田土壤Cd和As污染土壤修复.     

玉米芯草酸热裂解液在微生物燃料电池中的产电特性

考察玉米芯经草酸热裂解预处理后产生的热裂解液在单室空气型阴极微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）中的降解及产电特性。玉米芯草酸热裂解预处理的最佳条件为:反应温度160℃,反应时间90 min,草酸用量（质量分数）2%时,可产生的还原糖浓度为0.44 g/g,固体消化率约为58%。当采用稀释20倍的酸式热裂解液时,MFC最大功率密度为278 mW/m2,产电周期约为120 h。使用不同浓度玉米芯酸式热裂解液的MFC对COD去除率均可达到90.0%以上,随着稀释倍数的降低,MFC库仑效率从18.6%降低至9.72%。MFC阳极微生物群落在属水平上,典型产电细菌Geobacter属的相对丰度最高达到3.40%;Klebsiella属在使用稀释20倍酸式热裂解液下的相对丰度达到41.6%。研究结果为强化玉米芯在MFC中的有效利用提供了参考。     

基于高通量测序技术分析青岛市典型海滩沉积物的微生物多样性

为了解青岛典型海滩沉积物环境中微生物群落结构的组成及差异性,采集了青岛市五大典型海水浴场的近海沉积物样品,利用高通量测序技术研究了不同沉积物环境中微生物群落结构的组成差异。结果表明,在门的水平上,五大海水浴场沉积物中变形菌门（Proteobacteria）占主导地位。主坐标分析（principal co-ordinates analysis,PCoA）的结果表明,五大海水浴场沉积物环境中的微生物群落结构组成存在明显差异（p<0.05）。通过比对致病菌数据库发现,五大海水浴场沉积物环境中检测到潜在致病菌属13种,包含致病菌种共有17种。其中,弧菌属（Vibrio）的相对丰度均高于其他潜在致病菌属,且在第三和金沙滩海水浴场中相对丰度最高,对海洋环境生态及海产品养殖造成一定的影响。