罗红霉素短期冲击对活性污泥中氨氧化微生物丰度和多样性的影响

本研究基于amo A基因,结合实时荧光定量PCR(quantitative real-time PCR,q PCR)和高通量测序技术研究罗红霉素(roxithromycin,ROX)短期冲击对活性污泥中氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)和氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)丰度和多样性的影响.本研究共设置10种ROX浓度,不同浓度的ROX对氨氧化作用的影响差异明显,环境浓度(0.3~30μg·L~(-1))与中等浓度(300μg·L~(-1)和3000μg·L~(-1))的ROX并未对氨氧化作用产生影响;较高浓度(5 000~12 000μg·L~(-1))的ROX对氨氧化作用产生明显的抑制作用.环境浓度和中等浓度的ROX刺激了AOA增长,而较高浓度的ROX导致AOA的丰度下降.此外,除了环境中的痕量浓度(0.3μg·L~(-1)),其余浓度的ROX均导致AOB丰度下降,且下降趋势比AOA显著,说明AOA对ROX的耐受性高于AOB.高通量测序结果表明,在ROX的选择压下,AOA的OTUs多样性减少,AOB的OTUs多样性增加;但3个样品中最主要的AOA Candidatus Nitrososphaera gargensis的相对丰度随ROX浓度增加而增多,最主要的AOB Nitrosomonas eutropha的相对丰度随ROX浓度增加而减少,这同样说明了AOA对ROX的耐受性高于AOB.冗余分析结果表明:AOA Ca.Nitrososphaera gargensis、Candidatus Nitrosoarchaeum koreensis和AOB Nitrosomonas oligotropha、Nitrosomonas watsonii、Nitrosomonas halophilus均与ROX浓度呈正相关.     

我国北方四类土壤中氨氧化古菌和氨氧化细菌的活性及对氨氧化的贡献

氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)与氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)是目前已知的两类好氧氨氧化微生物,广泛分布于各类生态系统中.采用双氰胺(dicyandiamide;DCD)和1-辛炔(1-octyne)抑制剂的方法对我国北方湿地、草原、农田、沙漠4类生态系统的土壤中AOA和AOB的氨氧化速率(ammonia oxidation rate,AR)分别进行定量测定,剖析AOA、AOB对不同土壤中氨氧化的贡献.结果表明:在氨氮含量较高的湿地土壤((32.58±1.38)mg·kg~(-1))中氨氧化速率由AOB主导(ARAOB占AR的86.19%),而在氨氮含量较低的草原土壤((10.40±0.69)mg·kg~(-1))、农田土壤((5.09±0.25)mg·kg~(-1))中氨氧化速率则由AOA主导(ARAOA分别占AR的65.50%、62.20%).氨氮含量是影响AOA、AOB相对活性的主要限制性因素.湿地土壤中氨氧化速率最高,为3.22 mg·kg~(-1)·d~(-1)(以N计),其次是草原土壤和农田土壤,其AR分别为1.11、1.00 mg·kg~(-1)·d~(-1),沙漠土壤中未检测到氨氧化速率.对氨氧化古菌、细菌的amoA基因进行定量分析的结果表明:在氨氮含量最高的湿地土壤和最低的沙漠土壤((1.27±0.05)mg·kg~(-1))中AOA丰度高于AOB丰度,在草原、农田土壤中AOB丰度高于AOA丰度.amoA基因生物多样性分析表明,377个古菌amoA序列以85%相似度可以划分为19个独立操作单元(operational taxonomic unit,OTU),具有较高的生物多样性,其Shannon指数为1.51~1.73.直接通过氨氧化微生物amoA基因丰度来推测AOA、AOB的活性具有一定的缺陷,而依靠AOA、AOB分别的氨氧化速率能够准确地衡量其在不同生态系统中对氨氮去除的相对贡献,对于理解不同生态系统中氨氮去除过程和效应有着重要的意义.     

不同氮水平下间作对玉米土壤硝化势和氨氧化微生物数量的影响

利用荧光定量PCR(real-time quantitative PCR,Q-PCR)技术,结合氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacteria,AOB)和氨氧化古菌(ammonia oxidizing archaea,AOA)丰度和土壤理化性质的测定,探索了不同氮水平下间作对玉米土壤硝化势(PNF)的影响.试验设置玉米单作和与马铃薯间作两个种植模式,4个施氮水平(不施氮N0、1/2常规施氮N1、常规施氮N2和3/2常规施氮N3)的随机区组试验.结果表明,从不施氮到常规施氮,土壤硝化势和AOA、AOB数量均随施氮量增加而逐渐增加,而高氮(N3)时与N2没有显著差异;间作对土壤硝化势、AOA与AOB数量的影响与施氮量和作物生育期有关,低氮投入(N1)间作有利于增加土壤氨氧化微生物数量和硝化作用.施肥是硝化势增加的主要驱动因子,相关性分析结果表明,土壤含水量是影响PNF的主要环境因子;PNF与土壤中AOA、AOB amoA基因丰度成显著的正相关.尽管玉米马铃薯间作降低了土壤中AOA、AOB amoA基因丰度,却使得间作土壤中AOB占据氨氧化微生物数量上的优势.以上结果表明,施氮和间作均影响了土壤硝化作用和氨氧化微生物AOA和AOB数量的变化,这些变化会影响土壤环境质量.     

Functional relationship between ammonia-oxidizing bacteria and ammonia-oxidizing archaea populations in the secondary treatment system of a full-scale municipal wastewater treatment plant

The abundance of ammonia-oxidizing bacteria and archaea and their amoA genes from the aerobic activated sludge tanks, recycled sludge and anaerobic digesters of a full-scale wastewater treatment plant (WWTP) was determined. Polymerase chain reaction and denaturing gradient gel electrophoresis were used to generate diversity profiles, which showed that each population had a consistent profile although the abundance of individual members varied. In the aerobic tanks, the ammonia-oxidizing bacterial (AOB) population was more than 350 times more abundant than the ammonia-oxidizing archaeal (AOA) population, however in the digesters, the AOA population was more than 10 times more abundant. Measuring the activity of the amoA gene expression of the two populations using RT-PCR also showed that the AOA amoA gene was more active in the digesters than in the activated sludge tanks. Using batch reactors and ddPCR, amoA activity could be measured and it was found that when the AOB amoA activity was inhibited in the anoxic reactors, the expression of the AOA amoA gene increased fourfold. This suggests that these two populations may have a cooperative relationship for the oxidation of ammonia.     

不同水分管理条件下添加生物炭对琼北地区水稻土N2O排放的影响

干湿交替会影响土壤硝化和反硝化等N₂O主要的产生过程,频繁的干湿交替在以海南为代表的热带水稻种植地区十分常见.生物炭作为一种土壤改良剂在改良土壤理化性质,减少土壤温室气体排放方面应用广泛,然而当前关于生物炭在琼北地区水稻土频繁干湿交替过程中减排效果研究并未深入.本试验以海南琼北地区典型水稻土为供试土壤,以400℃厌氧条件下炭化的玉米秸秆生物炭为供试生物炭,探究不同水分管理条件下添加生物炭对土壤温室气体排放及微生物相关功能基因的影响.试验设置干湿交替条件下不添加生物炭（AWD1）,干湿交替并添加2%生物炭（AWD2）,干湿交替并添加4%生物炭（AWD3）,持续淹水不添加生物炭（CF1）,持续淹水并添加2%生物炭（CF2）,持续淹水并添加4%生物炭（CF3）共6个处理,进行为期30 d的25℃恒温避光培养.结果表明：①不同水分条件下添加玉米秸秆生物炭均可减少酸性水稻土中N₂O的排放（P<0.05,下同）,AWD3处理N₂O排放总量为0.43 mg·kg^-1,相比AWD1处理减少了68%;②玉米秸秆生物炭在不同水分管理条件下均可以显著提高土壤pH,添加生物炭处理相对于不添加生物炭处理在培养结束后土壤pH平均提高了0.5个单位,同时提高土壤NH₄⁺-N含量,但会导致Eh的降低;③玉米秸秆生物炭的添加显著降低了氨氧化细菌（AOB）丰度,显著提高了nosZ基因丰度,降低了（nirK+nirS）/nosZ的比值,抑制了硝化过程,同时促进了反硝化过程N₂O的还原,从而降低了N₂O排放.结果表明,干湿交替过程添加生物炭有利于减少水稻田土N₂O排放,在琼北地区农业温室气体减排方面有较大的应用前景.     

Community dynamics of ammonia oxidizing bacteria in a full-scale wastewater treatment system with nitrification stability

To determine whether the functional stability of nitrification was correlated to a stable community structure of ammonia oxidizing bacteria (AOB) in a full-scale wastewater treatment plant, the AOB community dynamics in a wastewater treatment system was monitored over one year. The community dynamics were investigated using specific PCR followed by terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) analysis of the amoA gene. The T-RFLP results indicated that during the period of nitrification stability, the AOB community structure in the full-scale wastewater treatment system was relatively stable, and the average change rate every 15 d of the system was 6.6%±5.8%. The phylogenetic analysis of the cloned amoA gene showed clearly that the dominant AOB in the system was Nitrosomonas spp. The results of this study indicated that throughout the study period, the AOB community structure was relatively stable in the full-scale wastewater treatment system with functional stability of nitrification.     

温榆河中硝化和反硝化基因的Real-time PCR定量

以温榆河为研究对象,采用real-time PCR研究了温榆河不同断面水样和沉积物样品中TB(总细菌)、硝化和反硝化(nosZ和narG)基因数量的变化. 水样中TB基因数量在丰水期为1.05×109~7.38×1011 copies/L,枯水期为1.06×109~2.69×1012 copies/L;氨氧化细菌(AOB)基因数量在丰水期和枯水期分别为nd(未检出)~4.11×108和nd~1.15×109 copies/L. nosZ和narG基因数量在丰水期分别为nd~2.37×108和3.61×108~1.13×1010 copies/L,枯水期分别为2.0×106~3.04×109和nd~1.39×1010copies/L. 枯水期沉积物样品中TB基因数量为1.35×109~7.32×1010 copies/g,nosZ基因数量为nd~1.06×107 copies/g,narG基因数量为1.99×107~1.02×108 copies/g. 枯水期TB基因数量略高于丰水期,枯水期水样中ρ(NH₄+-N)较高导致其AOB基因数量要远高于丰水期,nosZ和narG基因数量并没有明显的水期变化. 相关分析表明,沉积物样品中微生物基因数量与水样中微生物基因数量不相关,而是水质变化长期作用的结果. 冗余度分析表明,丰水期和枯水期水样中影响微生物基因数量的主要环境因子不同,丰水期微生物基因数量是温度、ρ(COD_Cr)、ρ(NH₄+-N)、ρ(NO₂--N)、ρ(NO₃--N)等共同作用的结果,而温度和ρ(COD_Cr)对枯水期微生物基因数量影响显著.      

间歇梯度曝气下缩短SRT强化短程SNEDPR系统脱氮除磷

为了探究间歇梯度曝气下污泥龄对氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）的影响,研究短程硝化内源反硝化除磷系统对于处理低C/N比生活污水的优势作用,本文采用SBR反应器培养好氧颗粒污泥,实验进水采用实际生活污水.结果表明,在SRT由50 d逐渐降低至30 d过程中,比氨氧化速率由3.16 mg·（g·h）^-1增加至4.38 mg·（g·h）^-1,比亚硝酸盐氧化速率由3.4 mg·（g·h）^-1降为1.8 mg·（g·h）^-1左右,可知NOB活性降低约44%,从而使系统实现了短程硝化.当SRT为30 d时,由典型周期实验可知亚硝酸盐最大积累量可达6.93mg·L^-1.由于系统中污泥浓度随SRT的减少而略有降低,因此在反应进行至40 d左右时根据DO曲线采取降低曝气量的策略,最终SRT为30 d时系统出水COD浓度为40.76 mg·L^-1,TN浓度为12.4 mg·L^-1,TP浓度为0.31 mg·L^-1,强化了系统中C、N和P的同步去除,最终得到了稳定运行的短程硝化内源反硝化除磷系统.同时好氧颗粒污泥EPS含量与SRT呈现负相关性,蛋白质含量由污泥龄为50 d的66.7 mg·g^-1升为30 d的95.1mg·g^-1,多糖保持在12.1~17.2 mg·g^-1的范围内,说明SRT的降低对蛋白质含量的影响较多糖大,当SRT为30 d时,PN/PS值保持在6.2左右,好氧颗粒污泥在该条件下仍能保持较好的结构稳定性.     

艾比湖湿地盐节木根际土壤氨氧化微生物多样性和丰度及其与环境因子的相关性分析

氨氧化反应是硝化作用的关键步骤,参与这一反应的微生物是氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA).对新疆艾比湖湿地盐节木根际和非根际土壤的氨氧化微生物进行群落结构和丰度分析,并探究其与土壤理化因子的相关性.同时,以氨单加氧酶基因(amo A)为分子标记,构建克隆文库和测序并与q-PCR法结合研究AOA、AOB的群落结构和丰度,利用Pearson相关分析法探究其与环境因子的相关性.结果表明,根际土壤中AOB的多样性高于AOA,amo A基因序列多属于土壤/水体沉积物分支,AOB克隆文库中的所有序列均属于亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas).根际土壤中AOA amo A和AOB amo A的数量分别为2.09×104和2.91×105copies·g~(-1),AOB/AOA的比值为13.9;非根际土壤中AOA amo A和AOB amo A的数量分别为3.85×104和4.76×105copies·g~(-1),AOB/AOA的比值为12.36.相关分析显示,氨氧化微生物的群落结构和丰度与电导率(EC)、有机质(OM)、速效氮(AN)、氨氮(NH_4~+-N)和总氮(TN)等环境因子显著相关.这些结果表明,根际土壤中AOB的群落多样性高于AOA,根际和非根际土壤中AOB的丰度均高于AOA,说明在艾比湖湿地AOB是氨氧化微生物的优势种群,且EC、OM、AN、NH_4~+-N和TN可能会影响氨氧化微生物的群落结构和丰度.     

基于CANON工艺的新型HABR反应器生物脱氮性能研究

采用新型复合式折流板反应器(HABR)启动及运行全程自养脱氮(CANON)工艺.通过缩短水力停留时间(HRT)的方式提高进水总氮负荷启动反应器,反应器运行成功后,考察反应器沿程氮素、电导率、p H值及MLSS的变化规律,并对反应器内微生物种群形态结构及空间分布进行分析.结果表明,当进水NH_4~+-N平均浓度为40 mg·L~(-1)时,经过89 d的连续运行,新型HABR反应器实现了快速启动,并能稳定运行至187 d,稳定运行期出水NH_4~+-N和TN浓度分别稳定在2 mg·L~(-1)和10 mg·L~(-1)以下,去除率分别达到96%和83%以上,NRR达到0.15 kg·(m~3·d)~(-1).稳定运行阶段,NH_4~+-N与TN浓度在反应器沿程逐渐降低,NO-2-N和NO-3-N的生成量一直维持在较低浓度.第1个单元格脱氮效率最高,通过SEM和FISH分析表明,在第1个单元格中存在丰富的功能菌种亚硝化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(An AOB).