不同抑制剂对乙酸降解产甲烷及产甲烷菌群结构的影响

摘要:【目的】研究不同温度条件下的石油烃降解产甲烷菌系中是否存在乙酸互营氧化产甲烷代谢途径。【方法】以3个不同温度条件的正十六烷烃降解产甲烷菌系Y15(15℃)、M82(35℃)和SK(55℃)作为接种物,通过乙酸喂养实验、并添加乙酸营养型产甲烷古菌的选择性抑制剂NH4Cl和CH3F,结合末端限制性片段长度多态性(terminal restriction fragment length polymorphism,T-RFLP)和克隆文库技术,分析乙酸产甲烷潜力及产甲烷古菌群落的演替趋势,推测产甲烷代谢途径的变化趋势。【结果】无论是否添加NH4Cl和CH3 F,这3个菌系都可以利用乙酸生长并产生甲烷,但是添加NH4Cl和CH3 F后产甲烷延滞期增加,最大比甲烷增长速率降低;只添加乙酸后,3个不同温度的菌系的古菌群落主要由乙酸营养型产甲烷古菌甲烷鬃毛菌属(Methanosaeta)组成,其丰度分别为92.8±1.4%、97.3±2.4%和82.8±9.0%;当添加选择性抑制剂NH4Cl,3 个菌系中的Methanosaeta的丰度分别变为98.5±0.7%、87.4±4.8%和6.1±8.6%,中温菌系M82中氢营养型产甲烷古菌甲烷袋装菌属(Methanoculleus)的相对丰度增加到12. 6±4.0%,高温菌系SK中另一类氢营养型产甲烷古菌甲烷热杆菌属(Methanothermobacter)增至84.3±1.5%;当添加选择性抑制剂CH3 F,Methanosaeta丰度分别降至77.1 ± 14.5%,86.4±6.1%和35.8±7.8%,低温菌系Y15中的甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)增高(15.7±21%),这类产甲烷古菌具有多种产甲烷代谢途径,M82中Methanoculleus丰度上升到13.6±13.1%,SK中Methanothermobacter丰度增大到48.5±11.2%。【结论】在低温条件下,菌系Y15可能主要通过乙酸裂解完成产甲烷代谢,在中高温条件下,菌系M82和SK中可能存在乙酸互营氧化产甲烷代谢途径,并且甲烷的产生分别通过不同种群的氢营养型产甲烷古菌来完成。     

一株高效烷烃降解菌Acinetobacter sp. LAM1007的分离鉴定及降解特性

【目的】挖掘高效烷烃降解菌,为后续石油烃污染修复工程提供优良菌种资源。【方法】以正十六烷为唯一碳源,将大庆石油污染土样中分离筛选到的高效烷烃降解菌经形态观察、生理生化试验、细胞化学组分及16SrRNA基因序列分析等方法进行初步鉴定与系统分类;同时通过单因素试验研究环境因素(温度、pH、接种量和转速)以及不同初始浓度的正十六烷(0.1%、0.3%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%,体积比)对菌株降解效率的影响。【结果】筛选到一株高效烷烃降解菌LAM1007,经初步鉴定该菌株为不动杆菌属(Acinetobacter)。该菌株在添加正十六烷的无机盐培养基中的最适降解条件为:30°C,pH 7.0,接种量1%(体积比),转速180 r/min,在该条件下浓度为0.3%(体积比)的正十六烷60 h内降解率高达90%。【结论】菌株LAM1007是一株在石油烃污染修复方面极具应用潜力的高效烷烃降解菌。     

不同成熟度煤样产甲烷潜力

摘要:【目的】评估不同类型煤炭生物降解转化为甲烷的潜力,研究原位煤层的微生物群落结构特征。【方法】分别在原位模拟、补加烃降解产甲烷菌系和补加碳源下厌氧培养煤样,利用气相色谱监测甲烷产生趋势,及高通量测序技术研究原位煤层的细菌和古菌群落。【结果】10个样品中有3个高成熟度煤样可以被厌氧降解转化为甲烷。通过生物强化和添加外源底物可以促进HF煤样的产甲烷潜力。其中SL 煤样中的古菌类群主要是氢营养型产甲烷菌Methanoculleus和乙酸营养型产甲烷菌Methanosaeta为主,细菌类群主要 属于Firmicutes(54.4%)、Proteobacteria(30.9%)、未培养微生物(10.8%)、Caldiserica(1.5%)及Thermotogae(1.3%)。【结论】不同成熟度煤样降解产气潜力不同,在部分原位煤层中可能存在参与烃降解与甲烷产生的功能菌。     

典型煤层水微生物产甲烷潜力及其群落结构研究

内蒙古自治区二连盆地、海拉尔盆地是我国重要的煤层气产区,其中生物成因煤层气是煤层气的重要来源,但复杂物质转化产甲烷相关微生物群落结构及功能尚不清楚。【目的】研究煤层水中的微生物代谢挥发性脂肪酸产甲烷的生理特征及群落特征。【方法】以内蒙古自治区二连盆地和海拉尔盆地的四口煤层气井水作为接种物,分别添加乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠厌氧培养;定期监测挥发性脂肪酸降解过程中甲烷和底物的变化趋势,应用高通量测序技术,分析原始煤层气井水及稳定期产甲烷菌液的微生物群落结构。【结果】除海拉尔盆地H303煤层气井微生物不能代谢丙酸外,其他样品均具备代谢乙酸、丙酸和丁酸产生甲烷的能力,其生理生态参数存在显著差异,产甲烷延滞期依次是乙酸丁酸丙酸;最大比产甲烷速率和底物转化效率依次是丙酸乙酸丁酸。富集培养后,古菌群落结构与煤层气井水的来源显著相关,二连盆地优势古菌为氢营养型产甲烷古菌Methanocalculus (相对丰度13.5%–63.4%)和复合营养型产甲烷古菌Methanosarcina (7.9%–51.3%),海拉尔盆地的优势古菌为氢营养型产甲烷古菌Methanobacterium(24.3%–57.4%)和复合营养型产甲烷古菌Methanosarcina(29.6%–66.5%);细菌群落则与底物类型显著相关,硫酸盐还原菌Desulfovibrio(12.0%–41.0%)、互营丙酸氧化菌Syntrophobacter(39.6%–75.5%)和互营丁酸菌Syntrophomonas(8.5%–21.9%)分别在乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠处理组显著富集。【结论】煤层气井水微生物可降解挥发性脂肪酸(乙酸、丙酸和丁酸)并具有产甲烷潜力;乙酸可能被古菌直接代谢产甲烷,而丙酸和丁酸通过互营细菌和产甲烷古菌代谢产甲烷。Desulfovibrio、Syntrophobacter和Syntrophomonas分别在乙酸、丙酸和丁酸代谢过程中发挥了重要作用。这些结果为煤层气生物强化开采提供了一定的微生物资源基础。     

高效降解纤维素产甲烷菌群的富集及其性质研究

以获得1组高效降解纤维素的产甲烷菌群为目的,以蔬菜厌氧消化液、糖蜜厌氧消化液和池塘沉积物底泥为菌株来源,55℃条件下,以滤纸为碳源进行继代培养,检测其甲烷含量,最终获得1组有效分解纤维素的产甲烷菌群。该菌群能够有效分解滤纸,相对分解率可达67.3%,培养7 d甲烷累积产量可达46.5%(体积分数),培养第3天羧甲基纤维素酶(CMC)活性最高值为26.3 U/mL。有机酸中乙酸产量最高,7 d累积量为2.7 g/L。基于16S rRNA基因扩增子高通量测序分析结果表明,细菌的多样性高于古菌。细菌菌群主要由Lutispora、好氧芽胞杆菌属(Aeribacillus)、解硫胺素杆菌属(Aneurinibacillus)、共生小杆菌属(Symbiobacterium)、梭菌属(Clostridium)等组成,其中Lutispora为优势菌群,占细菌总丰度的11.04%。古菌菌群主要包括甲烷嗜热杆菌属(Methanothermobacter)、甲烷丝状菌属(Methanothrix)、甲烷杆菌属(Methanobacterium)、甲烷螺菌(Methanospirillum)等,其中甲烷嗜热杆菌属为优势古菌菌群,占古菌总丰度的99.82%。这组高效降解纤维素的产甲烷菌群可通过多种微生物协同作用实现纤维素的降解和甲烷的产生。     

绰墩山遗址古水稻土细菌与古菌群落的PCR-DGGE分析

在江苏苏州绰墩山遗址考古发掘中,发现了在剖面不同深度埋藏的距今约6280 a的新石器时期灌溉古水稻田土层和距今约3320 a的商周时期的古水稻田土层.为了解古代水稻种植活动对土壤中细菌、古菌及产甲烷古菌群落多样性的影响,以土壤剖面P-01(包含100～116 cm新石器时期水稻土,42～57 cm商周时期水稻土,0～15 cm现代水稻土和174～200 cm土壤母质)为对象, 利用细菌、古菌及产甲烷古菌群落16S rDNA的高可变区V3区的PCR-DGGE分析技术,研究了不同土层细菌、古菌及产甲烷古菌群落多样性.结果表明:利用PCR-DGGE技术成功获得了古水稻土细菌、古菌及产甲烷古菌群落的分子指纹图谱.现代水稻土、商周时期古水稻土和新石器时期古水稻土中细菌、古菌及产甲烷古菌群落的DGGE条带类型各不相同, 并且DGGE条带类型都较母质层丰富多样.UPGAMA聚类分析可以将不同时期水稻土及母质层的细菌、古菌及产甲烷古菌群落区分开来.埋藏古水稻土中仍有较多的细菌、古菌与产甲烷古菌存活.与母质层相比,不同时期水稻种植活动均增加了细菌、古菌与产甲烷古菌群落多样性.不同时期水稻种植活动可以引起特异性的细菌、古菌与产甲烷古菌群落发育,而且不同的栽培措施可能导致不同的优势种群.     

不同pH缓冲液对由乙酸产甲烷菌群结构的影响

【目的】研究不同p H缓冲液对乙酸产甲烷过程及对细菌和古菌群落结构的影响。【方法】分别添加磷酸盐(PB)、4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)、哌嗪-1,4-二乙磺酸(PIPES)和Na HCO3/CO2缓冲液到乙酸产甲烷菌系中,定期监测甲烷产生趋势,到稳定期后收集菌体,进行16S rRNA基因的末端限制性片段多态性分析(T-RFLP)。【结果】发现PB组的乙酸产甲烷菌系延滞期约为40d,显著高于其他组的20-24 d(P0.05);Na HCO3/CO2组乙酸转化为甲烷的比例为(88.3±0.5)%,显著高于其他组的77%-81%(P0.05);不同缓冲液组的最大甲烷比生长速率为0.46-0.57 d-1(P0.05);Na HCO3/CO2组的细菌群落变化最明显,主要是未培养细菌(unclassified bacteria)、螺旋菌科细菌(Spirochaetaceae)和未培养WWE1类群的丰度较其他组分别增加到(15.5±9.4)%、(7.3±4.6)%和(17.6±6.3)%,而互养菌科(Synergistaceae)的细菌丰度降低到(8.9±8.1)%。AC+PB组中的古菌类群发生了明显变化,以竹节状甲烷鬃毛菌(Methanosaeta harundinacea)相关的产甲烷古菌占主导(97±2%),而在HEPES、PIPES和Na HCO3/CO2组和不加缓冲液组中同时存在两类乙酸营养型产甲烷古菌M.harundinacea和联合鬃毛甲烷菌(Methanosaeta concilii),以及属于甲烷杆菌目(Methanobacteriales)的氢营养型产甲烷古菌。【结论】在乙酸产甲烷菌系中加入PB增加了甲烷产生的延滞期,加入Na HCO3/CO2增加了甲烷产量,但是添加p H缓冲液不会影响到菌系的最大甲烷比生长速率。加入PB和Na HCO3/CO2都会显著改变微生物的菌群结构。这些研究为设计适宜的产甲烷菌系生长条件提供了参考。     

盐胁迫条件下古菌超氧化物歧化酶增强细菌降解硝基酚

【背景】Burkholderia sp. SJ98利用对硝基酚和2-氯-4-硝基酚为唯一碳源和能源进行生长,通过异源表达嗜盐古菌Haloferax sp. D1227中的超氧化物歧化酶SodA,使菌株SJ98在500 mmol/L NaCl条件下仍具有降解对硝基酚的能力。然而该重组细菌在普通和高盐条件下其降解基因的转录和降解酶比活力的高低,以及该菌在高盐条件下是否还能降解对硝基酚衍生物尚未知晓。【目的】研究Burkholderia sp. SJ98的耐盐上限,观察含有sodA的细菌SJ98在普通和高盐条件下降解对硝基酚和2-氯-4-硝基酚的能力,检测重组菌中pnpA基因的转录和硝基酚单加氧酶的活力。【方法】在添加葡萄糖、对硝基酚或2-氯-4-硝基酚的无机盐培养基(分别含400-800 mmol/L NaCl)或M9培养基(含0和500 mmol/L NaCl)中培养细菌SJ98及其重组菌。通过紫外分光光度计和高效液相色谱法检测菌株生长和底物降解。通过实时荧光定量PCR分别以两种硝基酚为诱导物,检测未添加和添加500 mmol/L NaCl时,硝基酚单加氧酶编码基因pnpA的转录量变化。利用紫外分光光度计分别以两种硝基酚为底物,检测在添加500 mmol/L NaCl时,重组菌和空载体菌的粗酶液中硝基酚单加氧酶对两种底物的活力变化。【结果】野生型菌株SJ98以葡萄糖为碳源生长的NaCl耐受浓度是600mmol/L。未添加NaCl时,重组菌SJ98[pCM-pnpR-PpnpA-sodA-rfp]生长和降解对硝基酚的能力远优于野生菌。添加500 mmol/L NaCl时,重组菌SJ98[pBBR-sodA]仍保持了利用2-氯-4-硝基苯酚底物生长和降解该底物的能力,而空载体菌SJ98[pBBR1MCS-2]的生长和降解能力完全丧失;重组菌SJ98[pBBR-sodA]粗酶液中单加氧酶对于对硝基酚和2-氯-4-硝基酚的活力均约为野生菌的1/3。分别以两种硝基酚为诱导物时,无论是否添加NaCl,重组菌SJ98[pBBR-sodA]中硝基酚单加氧酶编码基因pnpA的转录量比野生型中高出约17-25倍;但添加500 mmol/L NaCl时,pnpA的转录均受到部分抑制。【结论】本研究为利用古菌超氧化物歧化酶对细菌进行改造以提高普通环境和高盐环境中细菌降解硝基芳烃污染物能力的应用提供了潜在的可行性。     

芦岭煤田微生物群落结构和生物成因气的产甲烷类型研究

【目的】揭示芦岭煤田微生物群落组成,并分析其潜在的产甲烷类型及产甲烷途径。【方法】采集芦岭煤田的煤层气样品和产出水样品,分别分析样品的地球化学性质特征;利用Illumina HiSeq高通量测序技术分析产出水中的微生物群落结构;采用添加不同底物的厌氧培养实验进一步证实芦岭煤田生物成因气的产甲烷类型。【结果】该地区煤层气为生物成因和热成因的混合成因气;古菌16S rRNA基因分析表明在产出水中含有乙酸营养型、氢营养型和甲基营养型的产甲烷菌。丰度较高的细菌具有降解煤中芳香族和纤维素衍生化合物的潜力。厌氧富集培养结果表明,添加乙酸盐、甲酸盐、H2+CO2为底物的矿井水样均有明显的甲烷产生。【结论】芦岭煤田具有丰富的生物多样性,该地区同时存在三种产甲烷类型。本研究为利用微生物技术提高煤层气的采收率,实现煤层气的可持续开采提供科学依据。     

两种海洋专性解烃菌降解石油的协同效应

【目的】为研究在石油降解过程中海洋专性解烃菌的协同效应。【方法】以食烷菌22CO-6、JZ9B和海杆菌PY97S为实验材料构建石油降解菌群,采用重量法、气相色谱氢火焰离子化检测器、气相色谱质谱联用及棒薄层色谱等多种手段分析、比较降解菌纯培养和降解菌群对原油的降解率及石油降解后产物的多元色谱图。【结果】构建的降解菌群22CO-6+PY97S和JZ9B+PY97S中2种专性解烃菌具有明显的协同效应。与石油烃降解菌22CO-6、JZ9B单菌降解相比,PAHs降解菌PY97S的加入,可以使原油降解率从27.81%、83.52%分别提高到64.03%和86.89%,同时促进石油中烷烃、芳香烃组分包括高分子量多环芳烃chrysene及其衍生物的降解。【结论】在石油降解过程中海洋专性解烃菌之间存在明显的协同效应,不仅可以加快石油降解,还可以彻底降解石油中生态毒性较大的高分子量化合物。