单细胞水平微流体技术筛选北极沉积物中的联苯降解菌

极地环境微生物具有独特而丰富的多样性,是亟待开发的资源宝库.随着人类影响范围的扩大,极地环境中持久性有机污染物与石油 资源开采等造成的环境污染不容忽视,而利用土著微生物进行生物修复是一种理想的方法.为克服传统的基于富集驯化的稀释平板法分离 降解菌存在耗时长、筛选结果单一等缺点,建立了一种单细胞水平微流体筛选（Single-cell Level Isolation with Microfluidics,SLIM）技术.以北极沉积物为菌源,以联苯为底物,利用该技术成功筛选得到9株菌株,分属于4个菌属：Streptomyces、Micrococcus、Dermacoccus和Aspergillus;通过 稀释平板法筛选得到3株菌株,分属于Acidovorax、Chryseobacterium和Nocardia.通过两种方法得到的菌株完全不同.系统发育分析表明,SLIM技术筛选得到的菌株具有更加丰富的微生物多样性.通过对沉积物及各代富集驯化培养物的16S rRNA基因高通量测序发现,并非所有富集的菌属都能被稀释平板法分离,通过SLIM技术筛选得到的菌属在所有样品中的相对丰度都很低.本文建立的SLIM技术从单细胞水平实现了目标菌种的筛选,相比于稀释平板法,具有效率更高的优点,同时避免了菌种间竞争等造成的分离困难.本研究为极地环境中有机污染的生物修复及“微生物暗物质”资源的挖掘提供了新的思路与方法.     

不同磁黄铁矿自养反硝化脱氮除磷作用

氮磷排放标准日趋严格,开发高效廉价脱氮除磷材料已成为研究热点.采用黄铁矿与赤铁矿在管式炉中氮气气氛下600 ℃煅烧,得到硫化赤铁矿形成的磁黄铁矿、黄铁矿热分解形成的磁黄铁矿,构建磁黄铁矿-方解石体系处理含氮磷模拟废水,对比不同方式制备的磁黄铁矿、天然磁黄铁矿、黄铁矿、硫磺脱氮除磷性能,考察不同磁黄铁矿晶体结构和结晶度差异及其对脱氮除磷影响,探究不同体系中矿物结构和微生物群落变化.结果表明：黄铁矿热分解产物以六方磁黄铁矿为主;硫化赤铁矿产物以低结晶度的单斜磁黄铁矿为主,因而表现出优异的脱氮除磷活性,氮磷去除率分别为99.8%和96.8%.铁硫化物与微生物反应产物的XRD、SEM和FE-TEM分析结果表明,微生物能有效利用磁黄铁矿进行脱氮,磷酸盐主要以FePO₄形式被去除.群落分析结果表明铁硫化物脱氮除磷体系中的主要功能菌属为Thiobacillus和 Sulfurimonas,结晶度低的单斜磁黄铁矿更有利于Thiobacillus定向富集.     

不同施肥方式对东北旱田黑土nirK和nirS型反硝化细菌群落结构的影响及黑土保护建议

反硝化过程是土壤氮素循环的重要过程之一,与土壤氮肥损失和温室气体排放紧密相关。通过分析不同施肥方式对东北旱田黑土nirK型和nirS型反硝化细菌群落结构的影响及其与N₂O排放的关系,证实黑土中nirK型比nirS型反硝化细菌多样性丰富,且更易受土壤理化性质的影响。施入化肥会降低东北旱田黑土反硝化细菌多样性、N₂O释放量和土壤养分含量,而有机肥的施入虽然可提高土壤养分含量,但是也会显著增加土壤反硝化作用,存在潜在的负面环境效应。因此对黑土地的保护要积极推行种养结合,建立可循环农业体系;适当配施有机肥料,调节黑土微生物活力;大力完善相关制度,营造科学管理新规范,从而构建我国黑土保护的立体格局。     

氧化硫硫杆菌固定化菌球制备及其耦合填料去除H2S

以海藻酸钠(SA)为包埋载体,对氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans)进行固定化制备菌球,优化菌球制备条件,在生物滤塔内验证其对H₂S的去除能力.以前期驯化获得的富含硫系恶臭降解微生物菌群的污泥为菌源进行生物滤塔填料筛选,耦合A.thiooxidans菌球和填料进行生物除臭.结果表明,优选的固定化条件为:SA浓度3.0%､吸附剂CNT､A.thiooxidans菌悬液与混合液比例20%､CaCl₂浓度4.0%､改性剂己二胺溶液,获得的菌球机械强度､传质性能､硫氧化能力最好.将A.thiooxidans菌球填装于生物滤塔,H₂S最大去除率和去除能力为70%和1.06g H₂S/m³·h.以混合挂膜方式进行填料挂膜后,在聚氨酯泡沫､活性碳布和陶粒中优选出最佳填料活性碳布,获得H₂S最大去除率和去除能力为88%和0.84g H₂S/m³·h.以混合填装方式将A.thiooxidans菌球与活性碳布填装于生物滤塔,获得H₂S最大去除率和去除能力为86%和1.00g H₂S/m³·h.     

微生物光电还原CO2合成乙酸对外电压的响应机制

以TiO₂光阳极结合自养型生物阴极,构建双室微生物光电合成（MPES）系统,以光能作为主要的能量来源,探究MPES还原CO₂合成乙酸的性能及其限制因素.结果表明,光阳极取代纯电化学阳极显著降低了MPES生物阴极对外电压的需求.MPES能持续稳定运行,平均产乙酸速率为（1.18 ±0.11） mmol/（L·d）,法拉第效率为45.75%±3.97%.光阳极驱动阴极产生氢气,推测阴极微生物倾向于利用氢转移的方式来进行电子传递.外加电压通过影响光阳极的给电子能力从而对MPES的性能产生显著的影响,当外电压从0.4V升高至0.6V时,MPES的电流,乙酸产量和法拉第效率都显著提高,系统的性能主要受限于阳极.当外电压高于0.6V,系统电流,乙酸产量的增速减缓,法拉第效率在外加电压0.8V时达到最大值,随后下降,表明生物阴极的得电子能力已经达到饱和,此时MPES的性能主要受限于阴极.作为电子传递中间体,H₂的不完全利用是法拉第效率没有随着外电压的增加进一步提升的原因.     

FeS对CW-MFC系统降解活性艳红X-3B效果及过程的影响

在自行构建的人工湿地-微生物燃料电池(CW-MFC)系统中,以砾石填料为对照,研究了FeS对活性艳红X-3B脱色效果及降解过程的影响.结果表明,加在底层区域的FeS能够显著提高CW-MFC对活性艳红X-3B的脱色效果和系统产电性能.FeS的投加使得系统脱色率在进水活性艳红X-3B浓度200mg/L、葡萄糖浓度100mg/L条件下达到99.83%.在进水活性艳红X-3B浓度100mg/L、葡萄糖浓度200mg/L条件下,FeS组最大功率密度达到0.849W/m³.活性艳红X-3B在系统中的脱色主要发生在底层和阳极区域,由紫外-可见全波长扫描图谱和GC-MS扫描图谱可知FeS在该区域促进了偶氮双键的断裂,并有利于脱色产物苯胺、三嗪结构、萘环结构的进一步降解.     

包埋硫铁生物填料的制备及自养反硝化性能

采用包埋固定化技术制备了包埋硫铁生物填料(ESI Filler),基于升流式自养反硝化反应器开展动态实验研究,通过改变水力停留时间(HRT)、pH值、溶解氧(DO)等运行条件,探究ESI Filler反应器的脱氮效果及微生物群落结构组成。结果表明,当进水硝酸盐氮(NO₃^--N)浓度为30mg/L,HRT为10h时,NO₃^--N去除率不断上升至99.80%。当HRT缩短为2.5h时,NO₃^--N去除率降至61.35%。ESI Filler反应器对pH值和DO的改变具有较高的稳定性,NO₃^--N平去除率可维持在82.5%以上。但对低温的耐受性较差,当温度从35℃降低至15℃时,NO₃^--N平均去除率由90.12%降低至68.80%。运行164d后,球体未出现破裂散落的现象,表现出较长的使用寿命。通过扫描电镜发现,填料表面疏松多孔,附着大量杆状细菌,已成为微生物的良好载体。高通量测序结果表明,包埋颗粒中优势菌属为典型的自养反硝化功能菌Thiobacillus,丰度为80.79%。     

高海拔地区与低海拔地区污水处理系统中微生物群落特征分析对比

从污水处理系统中微生物群落结构特征分析入手,利用高通量基因测序技术对高海拔地区(西藏)与低海拔地区(无锡)生活污水处理厂污泥样品中的微生物群落结构进行分析和对比。结果表明:高海拔地区各样品的Simpson指数(0.993~0.994)和Shannon指数(8.388~8.668)均高于低海拔地区的数值,但实际处理效率却低于低海拔环境。高海拔地区样品中丰度最高的菌属为Haliangium和Ferruginibacter,丰度分别为6.5%~10.3%和5.6%~6.4%,与去除水中的生化需氧量相关,而在低海拔地区样品中丰度最高的菌属为Hyphomicrobium,丰度为7.8%~11.4%,与污水处理的脱氮功能相关。在低海拔地区,具有除磷功能的聚磷假丝酵母菌(Candidatus accumulibacter)的丰度值为1.3%,但是在高海拔地区的样品中却未检测到其存在, 而是由Tetrasphaera(丰度1.2%~1.6%)和黄杆菌(Flavobacterium,丰度0.57%~0.70%)替代。环境条件的主成分分析结果表明,与高海拔地区的菌属种类分布相关性最高的环境因素为TN浓度,其次为TP、NH₄+-N和DO浓度。高海拔环境下,COD和BOD₅对微生物菌落分布的影响明显低于低海拔环境。     

污水处理系统微生物群落时空分布和构建机制研究进展

探索微生物群落时空分布和构建机制一直是环境微生物生态学研究的目标和挑战。近年来,微生物生态学规律和理论逐渐在工程系统中得到应用,分类群-面积关系、分类群-时间关系和距离-衰减效应等规律已在污水处理系统的微生物群落分布中得到验证。随着研究的发展,微生物时空分布研究已从群落分布规律的发现和描述,拓展到驱动群落分布的因素,即群落构建机制的探索。介绍了污水处理系统微生物群落时空分布规律和构建机制的研究进展,并对未来的方向进行了展望,强调了将生态理论和工程实践相结合的重要性。未来应在污水处理系统核心微生物研究、微生物群落的生物多样性、构建机制与污水处理性能的关联、多组学技术在微生物时空分布和构建机制研究中的应用等方面有所突破。     

复合填料ANAMMOX系统脱氮效能及微生物群落研究

为实现厌氧氨氧化菌(AnAOB)的高效富集,于第26天和第95天在反应器内分别添加活性炭填料和组合填料,构建复合填料ANAMMOX (anaerobic ammonium oxidation,厌氧氨氧化)系统. 通过测定进出水NH₄+-N、NO₂?-N和NO₃?-N浓度变化,考察在不同时期添加填料对反应器脱氮效能的影响,并运用16S rRNA高通量测序技术考察污泥的微生物多样性和群落结构变化情况. 结果表明:①经过160 d的运行,成功构建了具有良好抗冲击负荷能力的复合填料ANAMMOX系统,且其稳定运行期间,TN容积负荷(NLR)和TN去除负荷(NRR)分别可达0.97和0.83 kg/(m3·d),化学计量比接近理论值1∶1.32∶0.26. ②复合填料ANAMMOX系统促进了AnAOB的富集,污泥颜色由初始的黑色逐渐转变为红褐色,并出现ANAMMOX颗粒污泥,复合填料表面有大量AnAOB聚集形成了红色生物膜. ③第160天时,AnAOB在系统中处于主导地位. 门水平分析发现,浮霉菌门的相对丰度由0.77%提至33.17%,绿弯菌门的相对丰度从9.17%提至22.65%,其他菌门的相对丰度降低;属水平分析发现,ANAMMOX菌种Candidatus jettenia和Candidatus brocadia的相对丰度分别为30.56%和1.93%. 研究显示,复合填料ANAMMOX系统可以维持反应器稳定的脱氮效率,同时能实现AnAOB的高效富集.