湖泊氮素氧化及脱氮过程研究进展

自然界中氮的生物地球化学循环主要由微生物驱动,由固氮作用、硝化作用、反硝化作用和氨化作用来完成。过去数十年间,随着异养硝化、厌氧氨氧化和古菌氨氧化作用的发现,人们对环境中氮素循环认识逐步深入,提出了多种脱氮途径新假说。对湖泊生态系统中氮素的输入、输出及其在水体、沉积物和水土界面的迁移转化过程进行了概括,对湖泊生态系统中反硝化和厌氧氨氧化脱氮机理及脱氮效率的最新研究进展进行了探讨,并对以后的氮素循环研究进行了展望。     

河流沉积物氮循环主要微生物的生态特征

微生物驱动的氮循环过程是全球生物地球化学循环的重要组成部分,由于人类活动的影响,氮循环负荷加剧,氮素的生态平衡和微生物的功能特征也相应地受到干扰。河流生态系统是陆地与海洋联系的纽带,因人类活动过量活性氮的输入导致水体富营养化,明显影响着河流的生态功能以及河口沿岸海洋生态系统的平衡。富含微生物的沉积物对氮素的转化和去除起着至关重要的作用。本文主要介绍河流沉积物氮循环主要功能微生物,包括氨氧化细菌、氨氧化古菌、亚硝酸盐氧化菌、反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌的群落特征和生态功能,总结氮相关营养盐、溶氧和季节变化等环境因子,以及河道控制管理措施和污水处理厂扰动等条件下氮循环过程主要功能类群的生态特征和响应关系。指出还需深入全面地研究河流沉积物生态系统氮循环过程的驱动机制和微生物的贡献效率,加强城市河流沉积物微生物功能作用的研究及河道生物修复技术的开发。     

海洋氮循环中细菌的厌氧氨氧化

细菌厌氧氨氧化过程是在一类特殊细菌的厌氧氨氧化体内完成的以氨作为电子供体硝酸盐作为电子受体的一种新型脱氮反应.厌氧氨氧化菌的发现,改变人们对传统氮的生物地球化学循环的认识:反硝化细菌并不是大气中氮气产生的唯一生物类群.而且越来越多的证据表明,细菌厌氧氨氧化与全球的氮物质循环密切相关,估计海洋细菌的厌氧氨氧化过程占到全球海洋氮气产生的一半左右.由于氮与碳的循环密切相关,因此可以推测,细菌的厌氧氨氧化会影响大气中的二氧化碳浓度,从而对全球气候变化产生重要影响.另外,由于细菌厌氧氨氧化菌实现了氨氮的短程转化,缩短了氮素的转化过程,因此为开发更节约能源、更符合可持续发展要求的废水脱氮新技术提供了生物学基础.     

陆地和淡水生态系统新型微生物氮循环研究进展

氮生物地球化学循环是地球物质循环的重要枢纽,是决定陆地生态系统生产力水平、水资源安全、温室气体生成排放的关键过程。氮循环是由微生物介导的一系列复杂过程,不同形态、价态氮化合物的转化分别由相应的功能微生物驱动完成。随着厌氧氨氧化、完全氨氧化等新型氮转化过程的相继报道和发现更新了人们对氮循环的认识。本文综述了陆地和淡水生态系统中厌氧氨氧化(anammox)、硝酸盐异化还原为铵(DNRA)、完全氨氧化(comammox)等新型氮循环过程的发生机制、热区分布及环境效应,并总结了这三种氮循环的相互关系。     

人工湿地氮去除关键功能微生物生态学研究进展

人工湿地是一种能有效处理水体氮素污染的生态技术,其中微生物是驱动人工湿地系统中氮素去除的重要引擎。近20年来,随着分子生物学技术的广泛应用,有关人工湿地氮去除功能微生物生态学方面研究取得了一些重要进展。以硝化-反硝化作用和厌氧氨氧化作用这两种重要的人工湿地微生物脱氮途径为主,针对氨氧化细菌/古菌、厌氧氨氧化菌和反硝化菌等关键脱氮功能微生物的研究,重点归纳总结了目前有关这几类关键功能菌群在人工湿地中的丰度、活性、多样性、分布特征与影响因素,及其对废水中氮去除的作用,并在此基础上对今后的重点研究工作提出了展望。面向未来人工湿地氮去除关键功能微生物的研究应侧重其在污水净化和温室气体减排等方面的生态功能研究,同时加强其代谢过程与机制以及不同功能菌群间的关联研究。     

2014厌氧氨氧化专刊序言

厌氧氨氧化是环境微生物领域的重要发现,在废水生物脱氮和地球氮素循环中具有重大作用。为了反映近年来国内外厌氧氨氧化研究的一些重要进展,组织出版了"厌氧氨氧化专刊"。本期专刊包括综述和研究论文两部分,内容涉及厌氧氨氧化的菌群富集、菌群分析、菌种保藏、碳源影响、工艺应用、优化对策等。     

厌氧氨氧化菌的中心代谢研究进展

摘要: 厌氧氨氧化是以NH +4为电子供体,以NO－2为电子受体产生N2的生物反应。厌氧氨氧化菌是厌氧氨氧化过程的执行者,在废水生物脱氮和地球氮素循环中扮演着重要角色。研究厌氧氨氧化菌的代谢特性,将有助于理解厌氧氨氧化过程,开发厌氧氨氧化工艺。厌氧氨氧化菌是化能自养型细菌,以CO2或HCO－3为碳源,并通过偶联NH+4氧化和NO －2还原的生物反应获得能量。在NH+4/NO－2的生物氧化还原反应过程中,检出了中间产物N2H4,但未检出其他中间产物(如NH2OH、NO)。此外,由基因组信息推断,厌氧氨氧化菌     

白洋淀富营养化湖泊湿地厌氧氨氧化菌的分布及对氮循环的影响

随着生物反应器和海洋生态系统中厌氧氨氧化反应的发现,自然生态系统的氮循环过程被重新认识,但是目前厌氧氨氧化过程是否也存在于富营养化湖泊湿地并发挥着重要作用,还未见报道。结合15N同位素示踪与分子生物学技术研究了白洋淀湖泊湿地沉积物中厌氧氨氧化菌的分布、菌群结构特性、生物多样性及其活性。结果表明,在藻类影响导致的高氨氮沉积物中,厌氧氨氧化菌具有广泛存在性。通过构建16S rRNA克隆文库发现,沉积物中厌氧氨氧化菌的生物多样性相对较低,在2%差异度的条件下,30个克隆序列只分为5个操作分类单元(OTUs),代表序列与Genebank数据库中已探明的厌氧氨氧化菌Candidatus Brocadia fulgida和Candidatus Brocadia anammoxidans同源性最高,分别可达97%和96%。同位素示踪结果表明,白洋淀湖泊湿地沉积物中厌氧氨氧化活性为0.19—7.78 nmol N g-1h-1,空间差异较大,产生的氮气占此沉积物总氮气生成量的0.64%—20.65%,体现了湿地的异质性。通过得出的厌氧氨氧化反应速率推算每年由厌氧氨氧化反应损失的氮量为1.8—78gN m-2a-1,对白洋淀氮循环起到非常重要的作用。富营养化湖泊湿地沉积物中厌氧氨氧化反应的发现为研究厌氧氨氧化对氮循环的重要影响提供了新证据。     

氨氧化微生物生态学与氮循环研究进展

氮的生物地球化学循环主要由微生物驱动,除固氮作用、硝化作用、反硝化作用和氨化作用外,近年还发现厌氧氨氧化是微生物参与氮循环的一个重要过程.同时,随着宏基因组学等分子生物技术的快速发展和应用,参与氮循环的新的微生物类群--氨氧化古菌也逐渐被发现.这两个重要的发现大大改变了过去人们对氮循环的认识,就近年有关厌氧氨氧化细菌、氨氧化古菌和氨氧化细菌的生态学研究进展作一简要综述.     

沉水植物茎叶微界面及其对水体氮循环影响研究进展

沉水植物茎叶表面常富集了水中各类物质,包括有机质、泥沙、菌胶团、藻类、微生物等,形成厚度不等的附着层,形成特殊的茎叶微界面,其具有特殊的氧化-还原异质环境,并能为氮素循环细菌提供有机质,是水中氨化、反硝化及厌氧氨氧化等脱氮行为的重要基础,因此,了解沉水植物茎叶微界面组分、微环境变化特征及其对氮循环的调控作用,对于正确认识和利用沉水植物的生态调控功能、改善水环境质量具有十分重要的意义。基于此,就沉水植物茎叶微界面物质组成、微环境特征及其对水体氮循环影响研究现状进行了归纳总结,并对今后的研究方向进行了简要展望。     

土壤氮素转化的关键微生物过程及机制

微生物是驱动土壤元素生物地球化学循环的引擎.氮循环是土壤生态系统元素循环的核心之一,其四个主要过程,即生物固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用,均由微生物所驱动.近10年来,随着免培养的分子生态学技术和高通量测序技术等的发展,在硝化微生物多样性及其作用机理、厌氧氨氧化过程和机理等研究方面取得了突破性进展.本文重点阐述了我国有关土壤硝化微生物方面的研究进展,在此基础上,简要介绍了反硝化微生物和厌氧氨氧化及硝酸盐异化还原成铵作用的研究进展,并对今后的研究工作提出了展望.今后土壤氮素转化微生物生态学的研究,应瞄准国际微生生态学发展的前沿,加强新技术新方法的应用,结合我国农业可持续发展、资源环境保护和全球变化研究的重大需求,重点开展以下几方面的工作:(1)开展大尺度上土壤硝化作用及氨氧化微生物分布的时空演变特征及驱动因子的研究;(2)加强氮素转化关键微生物过程与机理的研究,并与相关过程的通量(如氨挥发、N2O释放)和反应速率(如矿化速率、硝化速率)关联起来;(3)在特定生态系统中系统研究各个氮转化过程的耦合关系,构建相关氮素转化和氮素平衡模型,为定向调控土壤氮素转化过程,提高氮素利用效率并减少其负面效应提供科学依据.     

厌氧氨氧化菌群体感应系统研究

厌氧氨氧化(Anammox)是以铵为电子供体将亚硝酸盐转化为氮气的生物过程。厌氧氨氧化菌(AAOB)生理代谢和细胞结构均十分特殊,且在氮素循环中起着十分重要的作用。厌氧氨氧化已成为环境学、微生物学、海洋学等领域的研究热点。但是,至今人们未能对厌氧氨氧化菌进行纯培养,这严重限制了对厌氧氨氧化菌的深入研究。群体感应是一种普遍存在于微生物细胞之间的通讯机制,它具有根据菌群密度和周围环境变化调节基因表达,以控制细菌群体行为的功能。厌氧氨氧化菌活性的细胞密度效应和生物团聚行为与细菌中普遍存在的群体感应现象相符。探讨了厌氧氨氧化菌群体感应系统存在的可能性、工作机制及其生态学意义,以期为厌氧氨氧化菌的分离培养、团聚体培育等提供理论指导。     

污水脱氮功能微生物的组学研究进展

生物脱氮是污水处理厂的核心,掌握生物脱氮过程相关微生物代谢特性,对于探索微生物资源和提高污水处理厂脱氮性能具有重要意义。近年来,分子生物学方法不断发展和改进,已被广泛应用于揭示脱氮微生物群落多样性、组成结构和潜在功能等方面,大幅提升了研究者们对污水生物脱氮系统中微生物,尤其是不可培养微生物的代谢机理、抑制调控原理及新型生物脱氮工艺途径的认识。本文对流行的分子生物学方法（16S rRNA基因测序、实时荧光定量PCR技术、宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学和代谢组学）进行了介绍,综述了其在硝化细菌、反硝化细菌、完全氨氧化细菌、厌氧氨氧化细菌、厌氧铁氨氧化细菌、硫酸盐型厌氧氨氧化细菌及亚硝酸盐/硝酸盐型厌氧甲烷氧化微生物等方面的研究进展,阐明了这些氮素转化微生物在氮循环过程的代谢途径和酶促反应,并从标准测定方法构建、不同方法的联用及跨学科结合和检测方法的简易化这3个方面展望了分子生物学方法的技术突破及其在污水生物处理系统中的应用前景。本综述从系统角度全面认识脱氮微生物群落及其结构,为未来污水处理生物脱氮微生物的研究提供了新方向。     

微生物厌氧氨氧化耦合铁还原的研究进展及展望

厌氧氨氧化耦合铁还原[ammonium oxidation coupled to Fe(Ⅲ) reduction, Feammox]作为一种连接氮循环和铁循环之间的氮代谢途径,在自然界中氨氮转化过程中起到了重要作用。系统研究Feammox驱动的氮铁的生物地球化学耦合过程及其受控因素,有助于深入理解地球元素循环的微生物机制,也有助于揭示Feammox在缺氧地质历史时期对古海洋氮库演变和含铁矿物形成过程中的作用。本文从Feammox发展历史、相关微生物、影响因素和潜在地质意义等方面综述了Feammox的研究过程和研究内容,并对Feammox的未来研究方向提出展望。     

浮床空心菜对氮循环细菌数量与分布和氮素净化效果的影响

通过在塑料水箱中水培空心菜(Ipomoea aquatica),研究浮床空心菜对氮循环细菌数量、分布和氮素净化效果的影响。研究结果表明,浮床空心菜氮循环细菌总数、氨化菌、亚硝化菌、硝化菌数量极显著高于空白对照(P<0.01),浮床空心菜反硝化菌数量与空白对照差异不显著(P>0.05);氨化菌在根内、根面、水体中的分布差异不大,亚硝化菌主要分布在根内和根面,硝化菌主要分布在根面,反硝化菌主要分布在水体中;试验结束时,浮床空心菜系统和空白对照对氨氮的去除率分别为91.8%和88.5%,对总氮的去除率分别为48.2%和62.1%。通过浮床空心菜各种氮循环细菌数量、分布与氮素浓度的相关性分析,发现浮床空心菜系统中氮素的去除是植物吸收,根系表面的氨化作用,以及水体中硝化、反硝化共同作用的结果,而空白对照系统中氮素的主要去除途径是微生物的硝化/反硝化作用以及氨挥发。     

湿地氮素传输过程研究进展

综述了湿地氮素传输过程的研究进展。湿地氮素传输过程包括物理过程、化学过程和生物过程 ,与土壤、植物的发生、发育紧密联系在一起 ,并形成了空气 -水 -土 -生命系统中物质循环和能量流动的复杂网络。湿地硝态氮的淋失直接威胁着湿地地下水水质安全 ,N2 O源汇转变受土壤和水体等环境因子的制约 ,氨挥发则与水体 p H值密切相关排放。湿地氮素的化学转化过程是矿质养分供给和 N2 O产生的主要机制 ,受环境因子和人类活动干扰的影响 ;动力学模型可用于描述氮素的化学转化过程。湿地植物的吸收和累积以及微生物的分解过程是湿地氮素循环的重要环节。最后分析了当前国内外研究中存在的不足 ,并对未来研究的重点领域进行了展望     

厌氧氨氧化细菌的研究进展

厌氧氨氧化是指微生物在无氧条件下,以NO_2~–为电子受体,将NH_4~+氧化成N_2的过程,该过程主要由浮霉菌门下的厌氧氨氧化细菌参与。厌氧氨氧化细菌广泛存在于海洋生态系统、淡水生态系统、陆地生态系统及其他一些特殊生境中,其在废水生物脱氮和地球氮循环中扮演着重要角色。本文从厌氧氨氧化细菌的发现历程、种类、特性、代谢途径、分布、检测方法及应用上进行了较为全面的总结;最后对厌氧氨氧化细菌研究前沿问题和未来发展方向进行了探讨与展望。     

厌氧氨氧化菌的研究进展

厌氧氨氧化技术是一种新型生物脱氮技术,在废水处理中具有广泛的应用前途,对全球海洋的氮循环起着重要作用。由于反应中不需另加有机物、不消耗氧气、不会产生二次污染等优点,厌氧氨氧化技术受到格外关注。通常认为,厌氧氨氧化的机理在于厌氧氨氧化菌使氨和亚硝酸反应生成氮气。通过16SrRNA分子生物学方法已鉴定出该菌群属于分枝很深的浮霉菌,由于至今未能成功分离到纯的菌株,未正式命名,对其微生态环境以及生理生化特征也未能取得一致的意见。本文综述了国内外对厌氧氨氧化微生物的作用、分布、种类、生理生化特征等研究进展,认为厌氧氨氧化菌的分离纯化、生物特性、小生境等是今后的主要研究方向。     

厌氧氨氧化技术应用于主流城市污水处理的研究进展

长期以来,基于硝化和反硝化过程的传统生物脱氮工艺被广泛应用于废水中氮素污染物的去除,但其能耗物耗高,不能适应节能减排的时代发展要求。近年来新兴的厌氧氨氧化(Anammox)工艺,因具有低能耗、低剩余污泥量、无需外加碳源等优点而备受关注,在废水脱氮领域具有非常广阔的应用前景。综述了Anammox生物脱氮技术应用于城市污水处理的最新研究进展,探讨了主流污水处理应用Anammox所面临的挑战,并提出今后的研究重点。     

地杆菌：驱动厌氧生物地球化学循环的“多面手”

地杆菌属隶属于δ变形菌纲、地杆菌科,为革兰氏阴性严格厌氧微生物,是一类广泛分布于水体沉积物、土壤和多种地下厌氧环境中的异化铁还原菌。地杆菌可通过多种途径参与厌氧环境中碳、氮、铁等元素生物地球化学循环,具有“多面手”特性,如通过碳分解代谢分解乙酸等小分子有机酸或芳香族化合物、或碳固定利用甲酸、一氧化碳等一碳化合物以及通过胞外电子传递驱动产甲烷菌产甲烷参与碳循环过程;通过硝酸盐异化还原成氨(DNRA)、固氮作用以及与反硝化菌建立互营关系参与氮循环过程;表达多种内膜醌脱氢酶ImcH、CbcL和CbcAB、外膜细胞色素C及导电纳米线,通过直接接触或在电子穿梭体和螯合剂的协助下实现胞外多种Fe(Ⅲ)氧化物的还原而参与铁循环过程。地杆菌的“多面手”特性,使其在多种环境中生存并占据着厌氧环境中重要的生态位,并成为驱动厌氧环境中生物地球化学循环的引擎。本文介绍了地杆菌的代谢特征及分布情况,揭示其在碳、氮、铁元素生物地球化学循环中的作用,并系统分析了地杆菌“多面手”的特性。本文有利于加深对地杆菌驱动的关键元素生物地球化学循环的认识,为理解地杆菌在自然环境中产生的环境效应提供夯实的理论基础,将推动地杆菌在...