氨氮对餐厨垃圾厌氧消化性能及微生物群落的影响

为探析氨氮（TAN）对餐厨垃圾厌氧消化性能及微生物群落的影响,在串联批次实验中引入氨氮胁迫,结合Miseq高通量测序分析,研究了不同TAN浓度下厌氧消化系统的过程参数响应以及微生物群落动态.结果显示,随TAN增加,甲烷回收率从（96.53±2.66）%下降至（63.13±0.73）%,消化时间从435h延长至915h,连续驯化下,TAN为3000mg/L的实验组产气性能完全恢复,而高氨氮实验组（TAN³6000mg/L）仍处于抑制状态.相较于乙酸代谢而言,长链挥发性脂肪酸（LCVFAs）代谢对TAN的耐受度更高（6000mg/L）,但一旦被抑制,其功能难以通过驯化恢复.从微生物层面上看,高丰度且功能冗余的水解酸化细菌保证了各TAN梯度下的水解酸化作用;氨氮敏感的Methanosaeta和Methanospirillum也能通过驯化被耐氨的Methanosarcina和Methanoculleus取代,从而维持系统产甲烷功能;相比之下,产氢产乙酸菌功能高度专一,仅C₄~C₁₈降解菌Syntrophomonas和丙酸降解菌Pelotomaculum被检测到,在连续的高氨氮暴露下,前者的丰度虽有一定程度的恢复,但后者未能被驯化,最终系统出现以丙酸为主的LCVFAs积累,产气性能恶化.可见, LCVFAs的互营降解才是氨抑制失稳的关键环节.     

地表水水质模型综合评价技术体系研究

水环境数学模型开发及应用的不规范会严重影响水环境管理决策的有效性和科学性.为了更好地发挥模型的职能,减少因采用的模型差异而造成差别管理等不公平因素,应当建立科学的模型筛选制度和评价体系.基于模型开发及应用的生命周期全过程,在文献调研和专家咨询基础上,提出了包含目标层、准则层和指标层的地表水水质模型综合评价指标和评价方法,其中指标层包括通用性、可靠性、友好性、先进性和易用性5个准则的29个指标.采用层次分析法和专家打分法确定指标值及指标权重,并以国内外常用的水质模型,即HEC-RAS、MIKE11、CE-QUAL-W2、WASP、EFDC和Delft3D模型为例,进行了水质模型的综合评价.案例应用的模型评价得分高低的排序依次为Delft3D、EFDC、CE-QUAL-W2、MIKE11、WASP和HEC-RAS模型,结果表明建立的水质模型综合评价技术体系科学、可靠、易用,可为我国水环境数学模型的规范化建设提供重要参考.      

C/N对SBR生物脱氮硝化过程微生物结构的动态影响

为揭示碳氮比（C/N）对硝化过程影响的机理本质,试验以人工模拟废水为研究对象,采用4组平行的SBR（R₀、R₅、R₁₀、R₁₅）反应器,基于16S rRNA基因-Illumina MiSeq高通量测序技术,考察了4种C/N（0、5、10、15）对硝化过程功能微生物组成和结构特征的影响.结果表明：4种C/N条件下,系统均获得了较好的去除氨氮（去除率>95%）和COD（去除率>90%）效果,TN也有不同程度的降低.此外,C/N会显著影响系统内微生物的多样性、种群结构和功能.R₀系统Chao1指数（922）、ACE指数（1232.4）、Shannon指数（6.76）和Simpson指数（0.96）均最大,故微生物多样性最丰富,而R₅的物种丰富度最低.在微生物门水平上,变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、蓝细菌门（Cyanobacteria）等9个相对丰度较高的门是重要的微生物门,其中变形菌门（Proteobacteria）约全部微生物的40.7%~65.2%,是4个系统中最优势的菌门.硝化过程的关键菌群亚硝化单胞菌科（Nitrosomonadaceae）及硝化螺旋菌属（Nitrospira）的相对丰度表现出随着C/N升高而急剧降低的趋势.基于LEfSe分析共获得了34组具有显著差异的微生物,从而得到了每种C/N条件下在微生物学分类水平上的菌群关键生物标记物.     

PPy/TiO2光催化微生物燃料电池产电及在钴酸锂浸出中的应用

以无水氯化铁为氧化剂,碳纸为基板,通过化学氧化法制备聚吡咯/二氧化钛（PPy/TiO₂）光电阴极,采用XRD、IR、SEM对光催化材料进行表征.以碳纸为阳极;碳纸、TiO₂改性碳纸和PPy/TiO₂改性碳纸为阴极,构建双室微生物燃料电池（MFC）.在光照条件下,研究了MFC废水处理效果、产电性能及阴极钴酸锂的浸出情况.结果表明：PPy/TiO₂改性碳纸最大功率密度为10425.7mW/m²,分别是碳纸和TiO₂改性碳纸的1.97和1.86倍;PPy/TiO₂改性碳纸阴极Co（Ⅱ）浸出率为47.8%,分别是碳纸和TiO₂改性碳纸的1.87和1.76倍.     

黄土区侵蚀坡面土壤微生物群落功能多样性研究

为研究不同有机碳水平下坡面土壤侵蚀对微生物群落功能多样性的影响,以黄土区典型侵蚀坡面为对象,通过Biolog-Eco方法测定了高、低2个有机碳水平坡面沉积区、侵蚀区和对照区3个不同部位的土壤微生物活性、碳源利用能力和微生物群落功能多样性.结果表明：1）高碳水平下3个部位的微生物活性和碳源利用能力均显著高于低碳水平;2）在不同侵蚀部位上,沉积区微生物活性高于侵蚀区,在低碳水平下,沉积区微生物碳源利用能力显著大于侵蚀区（P<0.05）,但在高碳水平下沉积区与侵蚀区无显著差异;3）在6类碳源中,微生物对氨基酸类、酯类的利用率最高,对醇类、胺类的利用率较低,从31种碳源中提取的主成分1和主成分2分别可解释变量方差的53.8%和11.9%,对主成分1起分异作用的主要是氨基酸类和酯类碳源;对主成分2起分异作用的主要为糖类和酸类碳源.4）高碳水平下3个部位微生物群落的Shannon指数、丰富度指数和McIntosh指数均显著大于低碳水平（P<0.05）,但不同部位间的土壤微生物群落多样性指数并无明显差异.侵蚀对微生物群落功能多样性的影响主要表现在有机碳水平决定的微生物活性差别上,不同部位微生物的碳源利用能力在有机碳水平较低时差异显著,有机碳水平较高时则没有明显差别.     

污水生物处理工艺低温下微生物种群结构

构建有针对性的运行控制策略是我国城市污水生物处理工艺冬季低水温条件下高效稳定运行的重要保证.以我国北方低温期（8~15℃）稳定运行的4个典型污水生物处理工艺为对象,利用高通量测序方法系统解析了活性污泥中的微生物群落及碳、氮、磷去除等关键功能种群结构,阐明了重要功能种群在低温影响下的动态变化及与污染物去除性能间关系,为控制策略的有效建立提供了坚实的科学数据基础.尽管存在着不同工艺形式,但结果表明低温期活性污泥均具有较为良好的种群丰富度,其中放线菌门（Actinobacteria）在低温期优势地位提升;关键功能种群中硝化种属Nitrosomonas受温度影响较大,而作为核心种群的反硝化种属则因分布广泛及多样性高,整体丰度受温度变化影响较小,工艺的反硝化性能仅与回流比具有相关性;Tetrasphaera在4个工艺中广泛存在但仅在厌氧/好氧交替条件下承担主要除磷功能;低温下4个工艺中多种丝状菌优势生长并诱发污泥膨胀,但对出水水质影响较小.     

不同DN与PN-ANAMMOX耦合工艺处理中晚期垃圾渗滤液的微生物群落分析

为了推进厌氧氨氧化（anaerobic ammonia oxidation,ANAMMOX）脱氮工艺在垃圾渗滤液处理方面的应用,在某垃圾填埋场建立了不同反硝化（denitrification,DN）与短程硝化-厌氧氨氧化（partial nitrification-ANAMMOX,PN-ANAMMOX）耦合模式的中试反应器处理垃圾渗滤液,探讨其耦合模式对脱氮及微生物群落结构的影响.结果表明DN+（PN-ANAMMOX）工艺可以将DN耦合入PN-ANAMMOX进行脱氮,但随着渗滤液中有机物浓度的增加,DN+（PN-ANAMMOX）工艺的PN区的需氧量增加,Nitrosomonadaceae科菌的富集受到限制.而NO₂^--N的供给不足进一步导致ANAMMOX区Brocadiaceae科微生物的富集也受到限制,总氮去除速率（total nitrogen removal rate,TNRR）停留在0.44 kg ·（m³ ·d）^-1.而在DN-（PN-ANAMMOX）工艺中,具有反硝化能力的Saprospiraceae科菌在DN区富集,有机物主要在DN区被降解去除,为后续PN-ANAMMOX提供了良好的低碳环境.Nitrosomonadaceae科及Brocadiaceae科菌在相应的PN区及ANAMMOX区得到富集,反应器的TNRR和总氮去除率（total nitrogen removal efficiency,TNRE）也进一步提升至0.55 kg ·（m³ ·d）^-1和94.65%,实现了对NH₄⁺-N和有机物浓度分别为2233 mg ·L^-1和2712 mg ·L^-1渗滤液的直接处理.其中Candidatus Kuenenia菌更能适应高基质浓度的渗滤液水质,成为ANAMMOX区的优势菌属.     

一种新的水质遗传毒性评价方法的建立

为了便于低成本、快速地检测环境中各种污染物的遗传毒性,本研究以前期构建的UV敏感菌株为监测菌,对多种已知化合物的遗传毒性进行测试.结果显示该菌株对遗传毒性化合物可快速产生响应,与化合物孵育0.5 h后裸眼即可观察到菌液浊度发生变化,且受试菌菌液浊度呈现剂量依赖的特点.剂量效应曲线计算表明,该菌株对两性霉素B、氯化苄、克菌丹和萘啶酮酸的最低检出浓度分别为0.32 mmol·L~(-1)、0.11 mmol·L~(-1)、0.07μmol·L~(-1)和2.14μmol·L~(-1),均低于欧盟标准遗传毒性测试方法——SOS/umu方法.进一步建立了Cr(VI)的剂量-效应标准曲线,为评价复杂样品的遗传毒性强度提供了一个可能的选择.利用该方法对3个环境水样进行了测试,其中一个水样在浓缩200倍后可诱使测试菌发生SOS响应,其Cr(VI)等效剂量浓度为0.08μmol·L~(-1) Cr(VI).上述结果表明,该方法具有应用于环境样品遗传毒性定性与半定量初筛的潜力.     

季节性冻融对扎龙湿地土壤微生物群落结构和胞外酶活性的影响

选取扎龙湿地芦苇沼泽为研究对象,采用磷脂脂肪酸法和微孔板法研究了季节性冻融期土壤微生物群落结构和胞外酶活性的动态变化规律.结果表明,微生物总磷脂脂肪酸（PLFA）含量和细菌PLFA含量均呈先降低后升高趋势,而真菌PLFA含量呈先升高后降低趋势.冻融初期至融冻初期,β-葡萄糖苷酶显著降低了71.84%,β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶表现为先升高后降低趋势,酸性磷酸酶在融冻初期最高、冻融初期最低,过氧化物酶和多酚氧化酶峰值均出现在融冻后期.主成分分析表明,季节性冻融显著改变了土壤微生物群落结构.冗余分析发现,土壤含水率与总PLFA、细菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、放线菌、过氧化物酶和多酚氧化酶呈显著正相关（p<0.05）;土壤全磷、速效磷、速效氮与真菌和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶呈显著正相关;β-葡萄糖苷酶主要受土壤碳氮比和有机质影响,而土壤微生物与胞外酶活性在不同冻融时期具有显著相关性（p<0.05）.因此,探究全球变化背景下土壤微生物和胞外酶对季节性冻融过程的响应机制,可为深入解析扎龙湿地土壤质量演变特征及湿地生态系统功能的恢复与保护提供科学依据.     

宏组学方法及在污水生物处理系统研究中的应用

近年来随着测序、质谱等技术的高速发展,基于核酸分子信息为基础的包含宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白组学与代谢组学等核心内容的生物分子宏组学方法逐渐成熟,成为揭示污水生物处理系统中的关键微生物菌群结构和功能特征的有力工具,也在检测污水系统中多种ARGs以及探究其传播机制上发挥出无法替代的巨大优势,在污水生物处理研究中应用宏组学,对于深化认知污水处理系统本质、提高污水处理效率以及控制ARGs在环境中的传播具有重要指导意义.本文对宏组学方法进行了简单的介绍,着重综述了其在污水生物脱氮、强化生物除磷及探究抗生素抗性基因等方面的进展,并展望了其在污水生物处理系统中的广泛应用前景.