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.     

高浓度游离氨冲击负荷对生物硝化的影响机制

工业废水厂或含工业废水较多的城市污水处理厂,在运行过程中可能会意外受到高浓度氨氮废水急性冲击负荷的影响,造成生物硝化反应受到抑制,出水不能稳定达标.为了指导实际污水处理厂应对游离氨(FA)急性冲击负荷造成的出水不达标问题,本文探究高浓度氨氮废水对污水生物硝化系统的影响机制.本文利用序批式活性污泥反应器(SBR)处理模拟高氨氮废水,通过监测氨氮最大比降解速率、硝酸盐氮最大比生成速率、亚硝化和硝化比耗氧速率,硝化菌丰度等指标,研究高浓度氨氮废水中FA对硝化菌活性的影响规律.结果表明,FA在低浓度范围内,增加FA急性负荷能够促进硝化活性,而当FA急性冲击负荷大于一定值时,会对硝化作用造成抑制;FA浓度越大,受到抑制的硝化生物活性所需要的恢复周期越长.利用荧光原位杂交分析技术,发现当进水FA浓度(以N计)从3.6 mg·L~(-1)升高到8.1 mg·L~(-1)时,氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)菌群数量都略微升高,而当FA浓度大于8.1 mg·L~(-1)时,AOB和NOB菌群数量明显下降.FA对AOB和NOB菌群的临界抑制浓度分别为8.1 mg·L~(-1)和6.6 mg·L~(-1),NOB相对于AOB菌群更敏感.     

CANON在SBAF中的快速启动及其微生物特征

启动周期长是单级全程自养脱氮工艺(CANON)的主要制约因素之一.本文研究了基于淹没式生物滤池(SBAF)的CANON工艺的快速启动方法.首先,以城镇污水处理厂二沉池中普通活性污泥为种泥,在(30±2)℃、不添加有机碳源,控制DO(阶段Ⅰ:0.3~0.5 mg·L~(-1),阶段Ⅱ~Ⅳ:0.1~0.2 mg·L~(-1))的实验条件下,经过48 d对污泥微生物的驯化,成功启动了CANON工艺,氨氮(NH+4-N)和总氮(TN)最大去除率分别达到99.9%和86.5%.其次,采用16S r DNA宏基因组高通量测序技术研究了体系内微生物种群结构特性.测序结果显示体系内两个优势微生物菌门是Proteobacteria(变形菌门)和Planctomycetes(浮霉菌门),平均分别占比26.6%和17.8%,主要脱氮微生物是β-Proteobacteria中的Nitrosomonas和Brocadiae中的Candidatus brocadia.通过以上实验分析得出:采用SBAF启动CANON技术,具有可实现体系快速启动、生物高效脱氮、过程稳定运行等特性.     

污水氮浓度对粉绿狐尾藻去氮能力的影响

粉绿狐尾藻是构建人工湿地的重要植物,对污水具有较强的净化作用,但有关其去氮能力及其与污水氮浓度的关系尚不清楚.本试验采用人工模拟盆栽试验,设2、5、10、20、100、200、400 mg·L~(-1)共7个氮水平,研究污水氮浓度对粉绿狐尾藻去氮能力的影响.结果表明,氮浓度不高于20 mg·L~(-1)时,前3周粉绿狐尾藻以20 mg·L~(-1)生长最好,处理1周水体总氮和氨氮的去除率接近100%,而硝态氮浓度低、变化不大;粉绿狐尾藻氮含量因氮浓度变化不大但部位间有"上高下低"趋势,且粉绿狐尾藻还利用了底泥氮.氮浓度100~400 mg·L~(-1)时,4~5周以氮浓度200 mg·L~(-1)粉绿狐尾藻生长最好;处理5周总氮去除率依次为76.5%、71.5%和48.1%,氨氮去除率依次为99.6%、99.3%和60.2%;各处理硝态氮去除率约为50%且处理间差异不大;粉绿狐尾藻氮含量随氮浓度而升高,但部位间差异小、呈均匀分布;粉绿狐尾藻积累氮、底泥固定氮分别占水体去除氮的27.9%~48.4%和12.2%~24.4%.因此,粉绿狐尾藻去氮能力受污水氮浓度的显著影响,去除氨氮率显著高于硝态氮;氮浓度还影响粉绿狐尾藻对氮的吸收积累和分配机制,值得深入研究.     

两种不同抑制策略下部分亚硝化系统运行特性比较

为研究如何控制部分亚硝化系统的稳定性,在高氨氮负荷[1 kg·(m~3·d)~(-1)]和不同的双重抑制策略下启动并连续运行两个序批式反应器(sequencing batch reactors,SBRs).结果表明在温度35℃±1℃,进水氨氮负荷为1 kg·(m~3·d)~(-1)的条件下,FA和DO的双重抑制和FNA和DO的双重抑制均可成功实现高氨氮废水稳定的部分亚硝化,出水NO-2-N/NH+4-N接近1,NO-3-N浓度接近于零,满足ANAMMOX反应的进水基质要求.R1反应器在DO和FA的控制策略下,亚硝氮氧化速率从28.16mg·(g·h)~(-1)减小到0.3 mg·(g·h)~(-1)(以NO-2-N计,下同),而氨氧化速率减小43.60%,最终稳定在20 mg·(g·h)~(-1)(以NH+4-N计,下同)左右.R2反应器在DO和FNA的控制策略下,亚硝氮氧化速率从12.37 mg·(g·h)~(-1)降至0.02 mg·(g·h)~(-1),而氨氧化速率仍维持在较高水平[45 mg·(g·h)~(-1)].DO和FNA双重抑制的系统与DO和高FA双重抑制的系统相比,具有富集时间短,AOB活性高,运行稳定性强等优点,更适用于启动部分亚硝化系统及维持系统稳定性.     

长期施肥酸性旱地土壤硝化活性及自养硝化微生物特征

构建微域培养结合梯度凝胶电泳(DGGE)、Illumina MiSeq高通量测序、生物信息学分析等分子生态学技术,以不施肥土壤为对照(CK),研究长期施化肥(NPK)和有机肥(OM)对酸性旱地土壤硝化活性及自养硝化微生物群落的影响,并认知其与土壤理化因子间的关系.结果表明,施化肥和有机肥显著提高土壤有机碳和无机氮含量,施有机肥提高土壤pH和总氮含量、降低C/N;供试土壤自养硝化作用占据主导(73.60%~85.32%),施肥显著提升土壤自养硝化活性,且施有机肥提升效果更为明显;微域培养后,OM土壤氨氧化古菌(AOA)和细菌(AOB)amoA基因绝对丰度及16S rRNA基因相对丰度显著上升,而CK和NPK土壤仅AOA相对丰度显著上升,即3种土壤AOA均有明显活性(主要类群为Nitrososphaera,99.30%),而AOB仅在OM土壤有活性(主要类群为Nitrosospira,99.99%),另外还发现OM土壤中亚硝酸盐氧化细菌(NOB)有较强活性(主要类群为Nitrospira,96.69%);逐步回归分析显示自养硝化活性显著受总氮含量影响,AOA和AOB amoA基因丰度分别受有机碳含量和pH影响,Nitrososphaera相对丰度与NO_3~--N含量显著正相关,而Nitrosospira和Nitrospira相对丰度则与C/N显著负相关.可见,长期施肥后土壤总氮含量的提升显著刺激自养硝化活性;以Nitrososphaera为主的AOA在酸性旱地土壤硝化作用中发挥了重要作用,施有机肥土壤pH上升及C/N下降刺激了Nitrosospira(AOB)生长,从而改变了酸性旱地土壤中活跃的自养硝化微生物类群.     

活性污泥厌氧Fe(Ⅲ)还原氨氧化现象初探

采用常规化学分析和微生物群落变性梯度凝胶电泳(DGGE)监测技术,探究了厌氧条件下活性污泥中Fe(Ⅲ)还原氨氧化(Feammox)反应的存在及微生物群落动态响应.结果表明,当反应器运行至第24 d时NH_4~+发生转化,同时检测到NO_3~-和Fe(Ⅱ)的生成,表明活性污泥中存在着Fe(Ⅲ)还原NH_4~+氧化反应,产物主要为NO_3~-和Fe(Ⅱ),并伴随少量N_2生成.经过84d培养,氨氮最大转化量达29.85 mg·L~(-1),转化率为59.7%,出水NO_3~-最高值达24.56 mg·L~(-1).活性污泥中Feammox为产酸过程,体系中p H值下降.整个培养过程中微生物群落条带分布发生变化,参与活性污泥中Feammox反应的部分群落在培养过程获得保留,部分优势菌群获得富集.     

不同COD浓度下低基质厌氧氨氧化的启动特征

采用厌氧序批式反应器(ASBR)处理NH4+-N和NO2--N浓度分别为(25. 00±0. 40) mg·L~(-1)和(33. 00±0. 60) mg·L~(-1)的模拟废水,在温度为30℃时,投加乙酸钠控制COD浓度分别为5. 00、15. 00、30. 00和50. 00 mg·L~(-1),研究对厌氧氨氧化启动的影响.结果表明:①4种COD浓度下分别经过74、94、106和129 d均能成功启动厌氧氨氧化. COD浓度为15. 00 mg·L~(-1)和30. 00 mg·L~(-1)时,反应器脱氮性能较好,稳定运行后,平均出水NH4+-N浓度分别为1. 98 mg·L~(-1)和1. 89 mg·L~(-1),平均出水NO2--N浓度低于0. 62 mg·L~(-1),平均出水TN浓度分别为2. 37、2. 28 mg·L~(-1);②启动过程中反硝化对脱氮的平均贡献率逐渐降低至4. 78%、9. 59%、10. 21%和36. 50%,厌氧氨氧化对脱氮的平均贡献率逐渐上升至95. 22%、90. 41%、89. 79%和63. 50%;③厌氧氨氧化活性分别在第44、76、86和114 d时超过反硝化活性,最后分别达到0. 700、0. 690、0. 670和0. 510mg·(g·h)~(-1),反硝化活性分别为0. 110、0. 130、0. 240和0. 410 mg·(g·h)~(-1).该研究结果可为厌氧氨氧化技术在实际工程中的应用提供参考.     

大气干湿沉降对城市景观水体水质影响的评价

选择上海城市化地区的绿地、水体、道路、工地及空中5个类型的环境区域,定期收集大气干湿沉降。测定其大气沉降通量及CODCr、TN、TP的沉降量,并计算分析了其对城市景观水体水质的影响。研究结果表明：在仅受大气干湿沉降影响的条件下,水质处于地表水V类中值、水深为0.5m、1.0m、1.5m和2.0m的城市景观水体,经过28d、54d、83d和214d即可转变为劣V类水体。通过实例分析,提出了应对大气干湿沉降影响的水质保持措施。研究成果为城市景观水体的水质保育提供了评价依据与借鉴。     

慢性氨氮胁迫对黄颡鱼摄食、生长及血液指标的影响

挑选规格相近的健康黄颡鱼幼鱼分别饲养在氨氮浓度为3.36 mg L-1(A1)、6.72 mg L-1(A2)、13.44 mg L-1(A3)、26.88 mg L-1(A4)的水体中,对照组(A0)用不加外源氨氮的自然晾晒的自来水饲养.每组放养试验鱼30尾,暴露56d.结果表明,非离子氨对黄颡鱼幼鱼的摄食、生长及血液指标存在显著影响(P<0.05),而对鱼体成分的影响不显著(P>0.05).随着非离子氨浓度升高,高浓度组摄食率明显下降,饲料利用率降低,生长缓慢,特定生长率(Specialgrowth rate,SGR)和存活率都较对照组低.血氨浓度随非离子氨浓度升高而显著升高(P<0.01),各处理组血氨浓度远低于其所处环境总氨氮(Total ammonia,TAN)浓度,而血浆尿素氮(Urea nitrogen,Ur-N)水平逐渐降低但差异不显著.A3和A4碱性磷酸酶(k p p,AKP)活性和皮质醇(Cortisol)水平升高较快,A1和A2尽管呈上升趋势,但与对照组差异不显著(P>0.05).血糖(Glucose,GLU)浓度总体上表现为降低的趋势,2个高浓度组(A3和A4)下降速度较快.谷丙转氨酶(Alamine aminotransferase,ALT)和谷草转氨酶(Aspartate aminotransferase,AST)活性总体呈升高趋势,非离子氨浓度越大其升高趋势越明显.因此,黄颡鱼幼鱼不宜长期生活在高浓度的氨氮胁迫环境中,适宜的养殖水体中氨氮应该保持在低于6.72 mg L-1水平.