宏基因组技术研究泥岩母质发育的三种不同pH紫色土硝化微生物群落演变规律

【目的】揭示典型农田旱地紫色土硝化微生物的群落组成及其对pH的响应规律。【方法】针对同一母质发育但pH差异显著的3种紫色土,利用宏基因组技术深度测序研究土壤中硝化微生物丰度和群落,包括氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA),氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB),亚硝酸盐氧化细菌(nitrite-oxidizingbacteria,NOB)和全程氨氧化细菌(completeammoniaoxidizer,Comammox)。【结果】土壤中硝化微生物的丰度占总微生物的2.130%–6.082%。3种紫色土中AOA、AOB和NOB的相对丰度有显著差异:酸性紫色土中AOA的相对丰度显著大于碱性紫色土,而AOB则相反;NOB的相对丰度在中性紫色土中最高。所有土样中均发现了1种全程氨氧化细菌Candidatus Nitrospira inopinata (Ca. N. inopinata),其在中性紫色土中相对丰度最高,占总微生物的0.203%。3种不同pH紫色土中AOA均以Nitrososphaera为主,NOB均以Nitrospira为主;酸性紫色土中AOB以Nitroscoccus为主,而中性和石灰性紫色土中则以Nitrosospira为主。Pearson相关性分析发现,土壤pH和铵态氮是影响硝化微生物丰度最大的两个因子。【结论】Comammox存在于3种不同pH紫色土中,且偏好中性环境;AOA、AOB和NOB群落结构和相对丰度都存在显著差异,结合相关性分析发现土壤pH和铵态氮是导致差异最重要的两个因子。     

重庆紫色水稻土中“全程”和“半程”氨氧化微生物的垂直分异

【目的】系统评估全程氨氧化细菌(complete ammonia oxidizing bacteria, Comammox bacteria)、半程氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)在典型水稻土剖面的垂直分异规律。2015年发现的"全程"氨氧化细菌(Comammox Nitrospira)可将氨分子一步氧化为硝酸盐,实现硝化作用。而经典的"半程"氨氧化细菌(AOB)或古菌(AOA)将氨分子氧化为亚硝酸盐后,再由系统发育完全不同的硝化细菌将其氧化为硝酸盐。全程氨氧化细菌实现了一步硝化全过程,根本改变了学术界对2类微生物分步硝化的经典认知,但相关研究仍处于初步阶段。【方法】选择重庆北碚地区2017年典型水稻土并采集5、10、20和40 cm不同深度土壤(剖面采样点的上下误差不超过1cm),提取水稻土总DNA后,利用标靶功能基因amoA,通过实时荧光定量PCR技术分析全程氨氧化细菌(Comammox)、半程氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)在水稻土不同深度的数量变异规律。【结果】半程氨氧化细菌AOB和古菌AOA均随土壤深度增加呈显著下降趋势。然而,全程氨氧化细菌的两大类微生物则表现出相反的规律,Comammox Clade A的丰度随着土壤剖面的加深而显著增加(P0.05),但Clade B并未有类似规律。Clade A在水稻土不同层次的土层中均比Clade B高出1个数量级,在5 cm和40 cm处的最低和最高值分别为3.42×10~7、8.46×10~7 copies/g。AOA与AOB的丰度大致相当,5cm剖面处数量最高分别为1.23×10~7、1.83×10~5copies/g,但其平均丰度远低于全程氨氧化细菌,Comammox与AOA、AOB amoA功能基因拷贝数之比为10–2000。【结论】全程氨氧化细菌(Comammox bacteria)广泛分布于水稻土不同土层中,且数量远高于"半程"氨氧化细菌和古菌,意味着Comammox可能在水稻土硝化作用中起重要作用。     

污水短程硝化体系氨氧化菌与亚硝酸盐氧化菌的生态学研究进展

短程硝化(partial nitrification, PN)是一种绿色低碳的生物脱氮创新技术,伴随厌氧氨氧化(anaerobic ammonia oxidation, Anammox)污水脱氮技术的进一步推广,短程硝化作为提供其电子受体的重要环节,已成为了污水脱氮领域的研究热点。氨氧化菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)和亚硝酸盐氧化菌(nitrite-oxidizing bacteria, NOB)是该技术的核心竞争微生物,掌握这两类微生物的生态学特征,借助生态学理论和手段调控AOB淘汰NOB,提高种群的可预测性,对于实现稳定高效的短程硝化具有重要意义。本文基于生态学角度介绍了AOB和NOB基础分类、生理性能及生态位分离,重点综述了短程硝化系统中AOB和NOB的生长动力学、群落构建、环境因素和相互作用,最后对这两类微生物的未来研究重点和研究方法进行了展望,为短程硝化工艺的快速启动和稳定运行提供理论指导。     

酸性土壤氨氧化微生物及其影响因素研究进展

自然条件变化和人类活动不仅加剧了土壤酸化,扩大了酸性土壤面积,而且严重影响了土壤氮循环。氨氧化过程作为硝化作用的限速步骤,是全球氮循环的核心环节,受到国内外研究者的广泛关注。探究酸性土壤氨氧化作用及其功能微生物对完善氮循环机制和促进土壤养分循环具有重要意义。本文主要综述了土壤中氨氧化代谢途径,对比了氨氧化细菌(ammoniaoxidizing bacteria, AOB)、氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)和全程硝化菌(complete ammoniaoxidizers,Comammox)对酸性土壤氨氧化作用的相对贡献,分析了微生物内源功能差异及pH、底物浓度等外部环境因素对氨氧化微生物丰度、活性和群落结构的影响,最后对氨氧化微生物研究进行了展望,以期为酸性土壤氨氧化作用研究和微生物修复技术应用与实践提供科学参考。     

好氧氨氧化过程中的关键酶及N2O排放研究进展

氧化亚氮(nitrous oxide, N₂O)排放量的持续增加对全球生态平衡造成了严重的威胁。微生物N₂O排放占主要来源。其中,好氧氨氧化过程是氨在有氧的条件下氧化为亚硝酸盐,其直接或间接地影响着全球产生N₂O与释放量。氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)、氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB)、全程氨氧化菌(complete ammonia oxidization, Comammox)和异养氨氧化菌(heterotrophic ammonium oxidizing bacteria, HAOB)是氨氧化过程中主要的参与者,明确这四类微生物N₂O产生的机制对缓解全球N₂O排放是必要的。本文综述了AOA、AOB、Comammox和HAOB在好氧氨氧化过程中驱动的N₂O产生途径,并结合酶学分析了一些关键酶在N₂O产生途径中的作用。本文旨在为调控生物N₂O排放提供理论基础。     

氨氧化古菌及其对氮循环贡献的研究进展

硝化作用先将氨氮氧化为亚硝酸盐氮并进一步氧化为硝酸盐氮,这一过程是氮进行全球生物化学循环的重要环节。随着氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)基因组序列中氨单加氧酶编码基因(amoA)的发现以及AOA在实验室条件下的成功培养(包括分离纯化和富集培养),基于分子生物学的研究表明AOA在各种环境广泛存在,且多数生境中它的数量远远超过氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)。AOA相对于AOB在氮循环中的贡献也引起了多方面的论证和争论。本文就氨氧化古菌的生态分布、系统进化、生境存在丰度及参与硝化作用等进行综述,指出不同生境AOA的活性及其对氮循环的重要性仍需做进一步的研究。     

亚热带米槠天然林土壤氨氧化微生物对模拟氮沉降的响应

我国亚热带地区是全球氮沉降的热点区域。氮沉降会影响氨氧化微生物的丰度和群落结构,进而改变土壤微生物驱动的养分循环。目前对新近发现的完全氨氧化菌认识不足,极大地制约了对森林土壤氨氧化微生物响应氮沉降的整体认识。本研究以福建省三明市辛口镇格氏栲自然保护区长期模拟氮沉降处理土壤为研究对象,利用实时定量PCR方法,研究氨氧化微生物(包括氨氧化细菌AOB、氨氧化古菌AOA和完全氨氧化菌comammox Nitrospira),尤其是完全氨氧化菌的amoA基因丰度。模拟氮沉降处理包括:不添加N(CK)、低氮(添加40 kg N·hm^-2·a^-1,LN)和高氮(添加80 kg N·hm^-2·a^-1,HN)。结果表明: 8年的氮添加降低了土壤pH值和有机碳含量,提高了土壤硝态氮含量。供试土壤的AOB丰度低于检测限,无法获得目的片段。高氮处理显著提高了AOA丰度,但对完全氨氧化菌clade A和clade B丰度无显著影响。两种氮添加处理均降低了完全氨氧化菌/AOA值,表明氮添加降低了完全氨氧化菌在亚热带森林土壤氨氧化微生物类群中的相对竞争力。针对完全氨氧化菌clade A和clade B的扩增都存在非特异性产物,表明针对森林土壤的高特异性和覆盖度设计引物的必要性。Clade A和clade B丰度与总氮和铵态氮含量呈显著正相关,clade B丰度还与有机碳含量呈显著正相关。总之,模拟氮沉降提高了AOA在亚热带米槠天然林土壤硝化过程中的相对重要性,这些发现可为该地区应对全球变化和氮沉降的风险评估提供理论依据。     

溶解氧对单级自养脱氮系统功能菌数量的影响

摘要：【目的】研究溶解氧（Dissolved oxygen, DO）对单级自养脱氮系统功能菌数量的影响,为系统运行操控提出理论指导。【方法】从不同DO水平下的单级自养脱氮反应器中,分别提取活性污泥及生物膜样品基因组DNA,通过特异引物扩增系统内亚硝化菌（Ammonia oxidizing bacteria, AOB）、硝化菌（Nitrite oxidizing bacteria, NOB）及厌氧氨氧化菌（Anaerobic ammonia oxidizing bacteria, ANAMMOX）基因序列,PCR产物经回收克隆测序后,证实扩增产物为AOB、NOB及ANAMMOX 16S rDNA 保守序列,以含该序列的重组质粒作为定量PCR标准品。用荧光定量PCR技术对单级自养脱氮系统中各类功能菌进行定量分析。【结果】高DO有利于亚硝化菌AOB及硝化菌NOB生存,同时,活性污泥中AOB、NOB数量多于生物膜。DO对厌氧氨氧化菌ANAMMOX数量影响明显,高DO浓度将对ANAMMOX数量产生直接抑制,低DO浓度水平时,由于系统内缺乏厌氧氨氧化反应的电子受体NO3-或NO2-,也将间接影响ANAMMOX数量。【结论】本试验研究条件下,DO为(曝气)2.0/(停曝) 0.4 mg/L时系统运行效能最佳,ANAMMOX数量最多,AOB、NOB及ANAMMOX在此时构成一个协同代谢的稳定状态。     

硝化作用研究的新发现:单步硝化作用与全程氨氧化微生物

硝化作用是氨被微生物氧化为硝酸盐的过程,分别由氨氧化微生物(AOB和AOA)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)主导完成.一个世纪以来,我们把这个分步硝化过程当成唯一的硝化途径来学习和研究.虽然根据动力学理论推测,环境中应该存在单步硝化作用,即由一种微生物单独完成整个硝化过程,将NH₃氧化为NO₃^-,但一直没有研究能直接证明该种微生物的存在.直到2015年底,3个科研团队分别在不同环境中发现了3种不同的经过纯培养的细菌(Candidatus Nitrospira nitrosa、Candidatus Nitrospira nitrificans和Candidatus Nitrospira inopinata)和一种未经过纯培养的细菌(类Nitrospira),它们都具备单独将氨氧化为硝酸盐的能力,这些微生物被定义为全程氨氧化微生物(Comammox).单步硝化作用和全程氨氧化微生物的发现终结了传承百年的理论,并引发了众多关于全球氮素循环的重要科学问题,如这些微生物在环境中的生态位点及其在硝化作用中的相对贡献等.本文就单步硝化作用及全程氨氧化微生物的发现作了简要概述.     

好氧氨氧化微生物系统发育及生理生态学差异

作为好氧氨氧化的驱动者,氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)和细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)一直是氮的生物地球化学循环的研究热点之一。由于它们的相对丰度、群落结构和活性因环境而异,目前二者对全球氮循环的相对贡献仍存在争议。对培养物和环境样品的动力学、基因组学等研究结果表明,这种差异主要是由AOA和AOB的生理生态学差异导致的。氨浓度、pH、溶氧、温度等环境因素以及代谢途径等生理因素导致AOA和AOB的生态位分化。通过比较AOA和AOB在系统发育、对环境因子的响应以及代谢途径等方面的差异,对好氧氨氧化微生物相关研究成果进行概括和总结,以便深入了解它们在不同环境中对氮循环的相对贡献;同时对好氧氨氧化微生物今后的研究重点进行了展望。     

亚热带常见造林树种对土壤细菌及微生物功能群的影响

为揭示亚热带人工林常见造林树种对森林土壤微生物群落的影响,本研究选取马尾松、米老排、枫香、冬青、火力楠、麻栎和光皮桦7个树种为研究对象,采用16S rRNA高通量测序和实时荧光定量PCR技术,探究不同树种土壤细菌的多样性、群落构成以及微生物功能群基因丰度。结果表明: 变形菌门、酸杆菌门和放线菌门是亚热带造林树种的优势细菌门,不同树种细菌多样性和丰富度指数无显著差异。冗余分析表明,土壤容重、土壤C/N、凋落物氮和凋落物C/N是影响土壤细菌组成的主要环境因子。不同造林树种土壤中氨氧化古菌、氨氧化细菌和完全氨氧化菌amoA基因丰度均具有显著差异。完全氨氧化菌在数量上占据优势地位,但只有氨氧化古菌amoA基因丰度与土壤硝态氮呈显著正相关关系,表明氨氧化古菌在亚热带酸性森林土壤自养硝化作用中可能发挥主要作用。相关分析表明,凋落物氮是不同树种影响氨氧化微生物丰度变化的关键驱动因子。本研究表明,土壤微生物功能群对树种的响应比细菌群落结构更加敏感,未来应从微生物功能群角度深入探究不同造林树种对森林生态系统功能的影响机制。     

Geospatial variation in co‐occurrence networks of nitrifying microbial guilds

Microbial communities transform nitrogen (N) compounds, thereby regulating the availability of N in soil. The N cycle is defined by interacting microbial functional groups, as inorganic N‐products formed in one process are the substrate in one or several other processes. The nitrification pathway is often a two‐step process in which bacterial or archaeal communities oxidize ammonia to nitrite, and bacterial communities further oxidize nitrite to nitrate. Little is known about the significance of interactions between ammonia‐oxidizing bacteria (AOB) and archaea (AOA) and nitrite‐oxidizing bacterial communities (NOB) in determining the spatial variation of overall nitrifier community structure. We hypothesize that nonrandom associations exist between different AO and NOB lineages that, along with edaphic factors, shape field‐scale spatial patterns of nitrifying communities. To address this, we sequenced and quantified the abundance of AOA, AOB, and Nitrospira and Nitrobacter NOB communities across a 44‐hectare site with agricultural fields. The abundance of Nitrobacter communities was significantly associated only with AOB abundance, while that of Nitrospira was correlated to AOA. Network analysis and geostatistical modelling revealed distinct modules of co‐occurring AO and NOB groups occupying disparate areas, with each module dominated by different lineages and associated with different edaphic factors. Local communities were characterized by a high proportion of module‐connecting versus module‐hub nodes, indicating that nitrifier assemblages in these soils are shaped by fluctuating conditions. Overall, our results demonstrate the utility of network analysis in accounting for potential biotic interactions that define the niche space of nitrifying communities at scales compatible to soil management.     

微生物介导的甲烷厌氧氧化过程及其影响因子研究进展

温室气体甲烷减排是全球变化领域的研究热点,甲烷厌氧氧化(anaerobic methane oxidation,AOM)过程是一个以前被忽视的甲烷汇,在调控全球甲烷收支平衡及减缓温室效应等方面扮演着十分重要的角色。AOM微生物以甲烷为唯一电子供体,与硫酸盐(SO42-)、亚硝酸盐(NO2-)/硝酸盐(NO3-)、金属离子(Fe3+、Mn4+、Cr6+)等结合完成氧化还原过程,该过程是耦合碳、氮、硫循环的关键环节。本文系统整理分析了不同AOM类型、发生机理、相关功能微生物类群(ANME-1、ANME-2、ANME-3、NC10、MBG-D)及影响AOM过程的关键调控因子的最新研究进展。结果发现,目前80%以上研究都集中在对最常见电子受体类型(SO42-/NO3-/NO2-/Fe3+/Mn4+)的AOM相关过程,而忽视了潜在的新型电子受体(AQDS/HAs O42-/Cr6+/ClO4-等)的耦合作用过程和相对应的微生物类型及作用机理。对未来AOM研究方向提出展望,以期为研究甲烷厌氧氧化菌在不同生态系统中的生态分布及减缓全球温室气体排放提供新的思路。     

变性梯度凝胶电泳法研究我国不同土壤氨氧化细菌群落组成及活性

实验选用了我国3种不同土壤研究土壤硝化活性、硝化细菌数量,并使用变性梯度凝胶电泳(DGGE)的方法研究了不同土壤中氨氧化细菌(AOB)区系变化。通过28d的土壤培养实验研究发现,潮土具有最强的硝化势,几乎100%的铵态氮转化为硝态氮;而红壤中的硝化势最弱,只有4.9%的铵态氮转化为硝态氮。对这3种土壤硝化细菌进行计数发现,3种土壤氨氧化菌数量差异显著,而3种土壤亚硝酸氧化菌(NOB)处于一个数量级。采用氨氧化菌功能基因amoA(氨单加氧酶ammoniamonooxygenase)特异PCR结合DGGE的方法对土壤氨氧化菌区系进行分析。红壤有4个氨氧化菌种属,与潮土和黄泥土没有共同的氨氧化菌种属。4个种属中两个是与潮土和黄泥土亲源性比较远的,特有的氨氧化菌种属,这两个种属与已知的Nitrosospira属的cluster3bz97838和Nitrosospira属的cluster3aAF353263亲源性比较近。潮土有5个氨氧化菌种属,潮土与黄泥土有两个共同的氨氧化菌种属,这两个种属中的一个是潮土和黄泥土特有的,与其他氨氧化菌种属亲源性比较远的氨氧化菌种属,这个种属与已知的Nitrosospira属的cluster3bZ97849亲源性比较近。黄泥土有4个氨氧化菌种属,除了与潮土共有的一个种属是两种土壤特有的氨氧化菌种属外,黄泥土还有一个与其他氨氧化菌种属亲源性比较远的,黄泥土特有的种属,与Nitrosospira属的cluster3aAF353263亲源性很近。3种土壤中分离到的硝化细菌表现出不同的硝化能力。实验结果表明,以amoA基因为目标的PCR-DGGE是比以16SrDNA为目标的PCR-DGGE更有效的研究氨氧化菌种群的方法;3种土壤的氨氧化菌种群差异显著,尤其是红壤的氨氧化菌种群与另外两种土壤差异明显,这种差异可能与红壤的低pH条件对氨氧化菌种群的长期选择有关;3种土壤中的硝化活性与土壤中的硝化细菌数量没有显著相关,可能由于3种土壤差异显著的土壤环境对硝化活性的影响造成。因此在对不同土壤硝化细菌进行研究时不仅需要对硝化细菌数量进行研究,还需要研究不同土壤中硝化细菌的种属及不同土壤环境条件对硝化细菌硝化活性的影响。     

不同土地利用方式土壤氨氧化微生物和反硝化微生物时空分布特征

研究不同土地利用方式下氮循环相关微生物在不同土壤剖面的分布,可为认识和理解土壤氮转化过程提供科学依据。土壤氨氧化微生物和反硝化微生物在调节氮肥利用率、硝态氮淋溶和氧化亚氮(N₂O)排放等方面有着重要作用。以北京郊区农田和林地两种土地利用方式为研究对象,分析土壤氨氧化潜势和亚硝酸盐氧化潜势在0—100 cm土壤剖面上的季节分布(春季和秋季),并通过实时荧光定量PCR方法表征土壤氨氧化和反硝化微生物的时空分布特征。结果表明,农田土壤氨氧化潜势、亚硝酸盐氧化潜势、氨氧化微生物和反硝化微生物丰度均显著高于林地土壤,且随土壤深度增加而显著降低。除氨氧化古菌amoA基因丰度在不同季节间无显著差异外,春季土壤氨氧化细菌(amoA基因)、反硝化微生物nirS、nirK和典型nosZ I基因的丰度均显著高于秋季。土壤有机质、总氮、NH~+₄-N、NO~-₃-N含量与氨氧化微生物和反硝化微生物的功能基因丰度显著相关。综上,不同土地利用方式下土壤氮循环相关微生物的丰度与土壤氮素的可利用性和转化过程紧密相关,研究结果对土壤氮素利用和养分管理提供...     

Effective and robust partial nitrification to nitrite by real-time aeration duration control in an SBR treating domestic wastewater

Achieving sustainable partial nitrification to nitrite has been proven difficult in treating low strength nitrogenous wastewater. Real-time aeration duration control was used to achieve efficient partial nitrification to nitrite in a sequencing batch reactor (SBR) to treat low strength domestic wastewater. Above 90% nitrite accumulation ratio was maintained for long-term operation at normal condition, or even lower water temperature in winter. Partial nitrification established by controlling aeration duration showed good performance and robustness even though encountering long-term extended aeration and starvation period. Process control enhanced the successful accumulation of ammonia oxidizing bacteria (AOB) and washout of nitrite oxidizing bacteria (NOB). Scanning electron microscope observations indicated that the microbial morphology showed a shift towards small rod-shaped clusters. Fluorescence in situ hybridization (FISH) results demonstrated AOB were the dominant nitrifying bacteria, up to 8.3 ± 1.1% of the total bacteria; on the contrary, the density of NOB decreased to be negligible after 135 days operation since adopting process control.     

Novel application of nitrifying bacterial consortia to ease ammonia toxicity in ornamental fish transport units: trials with zebrafish

Aims: To evaluate whether two commercial nitrifying bacterial consortia can function as biocontrol agents in ornamental fish transporting systems. Methods and Results: The consortia were applied in a simulated set‐up using zebrafish as the model organism in three trials. The efficacy of the bacterial consortia in controlling the ammonia level was validated by measuring water quality parameters such as total ammonia, nitrate and pH of the transport water. The bacterial community structure in the transport unit was studied using denaturing gradient gel electrophoresis. The consortia tested improved the nitrifying activity that in turn facilitated the reduction of ammonia that had accumulated during the transport. Bacterial profiles revealed the presence of both ammonia‐oxidizing and nitrite‐oxidizing bacteria in the transport bags. Conclusions: The application of the consortia during the transportation of zebrafish could profoundly improve the water quality by curbing ammonia accumulation. Significance and Impact of the Study: The potential of applying nitrifying bacteria as a bioremediation practice during the transport of ornamental fish has been demonstrated and this innovative approach contributes to the amelioration of current fish welfare in ornamental fish trade.