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。     

生物电化学耦合厌氧氨氧化强化脱氮及其微生物群落特征

为探究生物电化学强化厌氧氨氧化(anaerobic ammonia oxidation,anammox)脱氮作用过程,采用双室微生物电解池(microbial electrolysis cell,MEC)富集电活性微生物,构建耦合厌氧氨氧化阴极的生物电化学系统。具体地,在外加0.2 V电压条件下改变不同总氮进水浓度于30°C进行暗培养批次实验研究,结合循环伏安法、电化学阻抗谱、高通量测序方法等多种表征手段研究了强化脱氮机理。结果表明,在初始总氮浓度分别为200、300和400 mg/L时对应获得了96.9%±0.3%、97.3%±0.4%和99.0%±0.3%的总氮去除率,且阴极电极生物膜表现出良好的电化学活性。高通量测序结果表明外加电压富集了除厌氧氨氧化菌以外的其他脱氮功能菌群:反硝化菌(Denitratisoma)、Limnobacter和氨氧化菌SM1A02和Anaerolineaceae、亚硝化菌(Nitrosomonas europaea)和硝化螺菌属(Nitrospira)等,这些具有电化学活性的微生物构成了体系的氨氧化胞外产电菌(ammonium oxidizing exoelectrogens,AOE)和反硝化电养菌(denitrifying electrotrophs,DNE),它们连同厌氧氨氧化菌Candidatus Brocadia构成了系统的脱氮微生物群落结构。AOE和DNE的种间直接电子传递作用协同厌氧氨氧化是强化系统总氮去除的关键原因。     

厌氧氨氧化菌驱动脱氮途径的研究进展

厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonia-oxidizing bacteria, AnAOB)的代谢多样性,使得该菌群能够在海洋、湿地和陆地等不同的自然生态系统中广泛分布,甚至在一些极热和极寒环境中也检测到了该菌群的存在。本文回顾并总结了厌氧氨氧化菌在不同生态系统中的发现、分布及脱氮贡献等方面的研究,分析了厌氧氨氧化菌分布的主要环境影响因素。该综述将帮助我们更好地理解全球氮循环中厌氧氨氧化菌的实际角色和功能,并基于厌氧氨氧化(anaerobicammoniaoxidation,anammox)过程,探究能与其进行协作的新型生物脱氮工艺,以期为这些工艺的研发和推广提供生态学基础和新的思考,从而实现脱氮工艺的技术变革。     

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。     

进水碳氮比对CANON型人工湿地脱氮性能的影响

通过逐步提高进水中的有机碳源浓度,探讨进水碳氮比(C/N)对基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)型潮汐流人工湿地(TFCW)脱氮效能及其微生物特性的影响.结果表明: 进水C/N可显著影响CANON型TFCW中脱氮功能微生物的数量与活性,进而影响其氮素转化速率.当进水C/N由0.0增至6.0时,TFCW中反硝化功能基因的丰度随之增加,系统反硝化性能提高,TFCW中逐渐形成同步亚硝化、厌氧氨氧化与反硝化(SNAD)耦合反应体系,其脱氮效果得以强化.当进水C/N＞6.0时,好氧氨氧化菌活性受到抑制,数量逐渐减少,TFCW中的厌氧氨氧化作用与反硝化作用受阻,系统脱氮性能恶化.当进水C/N为6.0时,TFCW中的SNAD作用可得到最大限度的强化,其总氮(TN)去除率和去除负荷分别达(93.3±2.3)%和(149.30±8.00) mg·L^-1·d^-1,高于CANON系统中TN去除率的理论值.     

季节性温度变化对CANON型潮汐流人工湿地脱氮的影响

探究了温度的季节性变化对基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)型潮汐流人工湿地(TFCW)脱氮性能及其微生物特性的影响。CANON型TFCW中的脱氮微生物群落在温度的季节性变化下会发生不同程度的改变,其脱氮途径及性能随之会出现周期性的波动。填料层温度在20.0 ℃以上时对TFCW脱氮性能及其中的优势脱氮菌群无显著影响,CANON作用是系统脱氮的主要途径。当填料层温度低于20.0 ℃时,厌氧氨氧化菌丰度与活性显著降低,在9.3~20.0 ℃时,亚硝酸盐氧化菌(NOB)的增殖及其活性的提高使TFCW中脱氮的主要途径由CANON作用演替为硝化/反硝化作用,系统对总氮(TN)的去除率仅为(34.8±13.0)%;在2.2~9.0 ℃时,TFCW中的厌氧氨氧化菌在受到抑制的同时仍保持着对NOB和反硝化菌群的相对竞争优势,系统脱氮重新依赖于CANON作用,其对TN的去除率为(54.8±4.8)%。该研究可为CANON型TFCW工艺的优化及工程化应用提供参考。     

全程硝化菌微生物学特性及在水处理领域的应用潜力

全程硝化菌是近期微生物氮循环领域的重大发现之一,引发了对其全球分布、系统发育特征和生理生化特性的广泛关注。本文综述了全程硝化菌在土壤、地表水、废水处理系统等生境的分布规律及影响因子;并从底物亲和力、代谢多样性等方面阐述了其与传统硝化微生物间的竞争互作和生态位分离机制;基于上述特征提出全程硝化菌在水处理领域中的应用前景,可能与其他脱氮微生物如反硝化菌、厌氧氨氧化菌和厌氧甲烷氧化菌等耦合实现在低氨氮、低溶解氧条件下的污水深度脱氮,从而节省能耗并降低温室气体排放。未来研究应继续深入研究全程硝化菌的生理生化特性,评价其生态功能和对氮素地球化学循环的贡献,并探索其在生物水处理等领域的应用潜力。     

厌氧氨氧化菌特性及其在生物脱氮中的应用

在无分子氧环境中,同时存在NH4^＋和NO2^-时,NH4^＋作为反硝化的无机电子供体,NO2^-作为电子受体,生成氮气,这一过程称为厌氧氨氧化。目前已经发现了3种厌氧氨氧化菌（Brocadia anammoxidans,Kuenenia stuttgartiensis,Scalindua sorokinii）;对厌氧氨氧化菌的细胞色素、营养物质、抑制物、结构特征和生化反应机理的研究表明,厌氧氨氧化菌具有多种代谢能力。基于部分硝化至亚硝酸盐,然后与氨一起厌氧氨氧化,以及厌氧氨氧化菌与好氧氨氧化菌或甲烷菌的协同耦合作用,提出了几种生物脱氮的新工艺（ANAMMOX、SHARON—ANAMMOX、CANON和甲烷化与厌氧氨氧化耦合工艺）。     

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。     

铁矿物强化厌氧氨氧化效能及其微生物机制研究进展

自然界中的氮循环与铁循环相互交联,参与氮循环的厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation,anammox）菌的生长代谢及活性发挥也与铁元素紧密关联。自然界广泛存在的铁矿物因具有运行成本低廉、稳定性好、二次污染小等优势,在污水处理领域得到广泛应用。在厌氧氨氧化脱氮系统中引入适量铁矿物,不仅有助于促进anammox菌和铁还原菌的富集,提高功能基因丰度和相关酶活性,还可能通过影响污泥浓度、血红素c含量、胞外聚合物含量和颗粒化程度,改善污泥性能和提高厌氧氨氧化系统的稳定性。同时,铁矿物具有促进体系多种氮素转化途径（如anammox、铁自养反硝化、铁氨氧化、异化硝酸盐还原成铵和反硝化）相耦合的潜能,可以提高anammox污水处理系统的总氮去除率。本文基于铁矿物在促进污水生物脱氮方面的良好性能及其在anammox系统中的变化,从脱氮效能、污泥特性、微生物特征及酶活性等方面,系统综述了铁矿物对厌氧氨氧化系统的强化作用机制,并从anammox菌对铁矿物的利用及铁元素的摄取角度展望了后续的研究方向,以期为铁矿物强化厌氧氨氧化系统的实际应用提供理论和技术指导。     

厌氧氨氧化菌脱氮机理及其在污水处理中的应用

厌氧氨氧化细菌(anammox)可以将亚硝酸盐和氨氮转化为氮气从而缩短氨氮转化的过程,它已经成为新型生物污水脱氮技术研究的热点之一。当前,有关厌氧氨氧化菌特有的生理结构特点、种群分类及其功能酶等方面的研究取得了一定突破,为实现其工业应用奠定了良好的理论基础;同时分子生物学技术在厌氧氨氧化细菌种群分布、群落多样性及其共生关系等方面的应用也大大促进了污水生物脱氮技术的革新和进步。总结了厌氧氨氧化菌主要的生理生化特点、细胞结构特点、脱氮机理、污水处理体系中的应用以及分子生物学方法对污水处理体系中厌氧氨氧化菌种群分析的研究现状,并指出未来anammox细菌在生物特性及在污水脱氮处理实际应用的研究中的热点问题。生物特性方面的主要研究热点有：（1）anammox细菌除厌氧氨氧化作用外,其它新陈代谢途径有待探索;（2）anammox细菌在不同环境中分布的倾向性问题;（3）新型anammox细菌的确定。污水处理的实际应用方面的主要研究热点有：（1）anammox污泥的快速高效富集问题;（2）设计高特异性引物;（3）anammox细菌和其他微生物的共生关系。     

厌氧铵氧化过程中关键酶及相关分子标记在生态学研究中的应用进展

厌氧铵氧化是由微生物介导的氮素循环过程中的重要途径之一。近20年来,通过对厌氧铵氧化细菌生态学、基因组学和生理代谢特性的探索,人们对其微生物学机制已经有了较多的认识:厌氧铵氧化细菌通过亚硝酸盐还原酶将亚硝酸根离子还原为一氧化氮,进而与铵离子结合在联氨合成酶的作用下生成联氨,最后通过联氨氧化酶的催化产生终产物氮气。同时,对参与这些过程的关键酶及其功能基因的认识有助于选择新的分子标记,从而为研究厌氧铵氧化细菌的多样性和分子生态学特征提供新的工具,以弥补16S rRNA基因特异性相对较低且难以与生态功能关联等方面的不足。对目前已知的参与厌氧铵氧化过程的3种关键酶的研究历程和现状进行了评述,并总结了利用3种功能基因进行厌氧铵氧化细菌生态学研究的最新进展。     

厌氧氨氧化菌的物种多样性与生态分布

厌氧氨氧化是微生物和环境领域的重大发现,厌氧氨氧化可同时去除氨氮和亚硝氮,在环境工程上具有重大开发价值.由于厌氧氨氧化菌生长极慢,倍增时间长达11 d以上,严重制约了该反应的开发进程,因此,对厌氧氨氧化菌的研究具有重要意义.厌氧氨氧化菌种类丰富,除了人们最早认识的浮霉状菌外,还有硝化细菌和反硝化细菌,这些菌群生态分布广泛,为开辟新的厌氧氨氧化菌种资源创造了条件.硝化细菌和反硝化细菌兼有厌氧氨氧化能力,其代谢多样性为加速厌氧氨氧化反应器的启动提供了依据.厌氧消化污泥可呈现硫酸盐型厌氧氨氧化活性,可为新型生物脱氮工艺的研发奠定基础.探明厌氧氨氧化菌种资源及其生态分布,将有利于厌氧氨氧化的开发应用.     

厌氧氨氧化菌的研究进展

近年来,有关厌氧氨氧化过程这一特殊的生化机制以及微生物类群的研究引起了人们的极大关注,尤其是这类微生物的生态生境可能比人们预想的范围更加广泛,因而在自然界N循环中可能具有重要意义。对这类菌结构特征、系统发育地位以及厌氧氨氧化小体和厌氧氨氧化机制的更深入认识将大大促进它们在污水处理工程中的应用。综述了近年来有关厌氧氨氧化菌的生理特性、生化机制、结构特点、生态生境以及工程应用等方面的最新进展。     

海洋厌氧氨氧化细菌分子生态学研究进展

厌氧氨氧化细菌是能在厌氧的条件下将氨氧化为氮气的一类细菌,这类细菌执行着以前未被人们所认知的一个独特的过程--氧氨氧化过程,据估计厌氧氨氧化过程对于海洋氮气的形成有30%～50%的贡献率;海洋厌氧氨氧化细菌能与氨氧化细菌及氨氧化古菌存在潜在的耦合作用,对于海洋氮循环复杂机制的阐述有着非常重要的意义;同时海洋厌氧氨氧化细菌独特的细胞和基因组结构,也成为了解海洋细菌进化重要的模式微生物之一.本文综述了近年来国内外厌氧氨氧化细菌分子生态学方面的进展,并结合作者的工作对未来的研究进行展望.     

高通量测序分析多种典型生境中厌氧氨氧化细菌的多样性分布特征

【背景】厌氧氨氧化过程是氮素循环过程的重要途径之一,在氮素循环中发挥重要作用。先前的研究已经证实了厌氧氨氧化细菌存在于多种生境中,但对其多样性分布还没有系统的研究。【目的】对厌氧氨氧化细菌在不同类型生境中的多样性分布规律进行深入分析,充分展示其在不同生境中的群落结构特点,并揭示多样性分布与环境因素之间的关系。【方法】在建立厌氧氨氧化细菌16S rRNA基因序列数据库的基础上,运用高通量测序技术分析其在不同生境中的多样性分布特征。【结果】厌氧氨氧化细菌在红树林、海湾和河口生境中的多样性水平较高,而污泥和红壤的多样性水平明显较低。系统发育分析表明,这些生境中的厌氧氨氧化细菌主要由Candidatus Brocadia、Ca.Scalindua和未明确分类地位的菌属组成;从河流到红树林生态系统,随着盐度的增加,厌氧氨氧化细菌的优势种属由Ca. Brocadia转变到Ca. Scalindua,相关性分析也表明了盐度是导致不同生境中厌氧氨氧化细菌群落结构差异的主要因素。【结论】不同生境中存在不同的厌氧氨氧化细菌种群结构,环境条件的差异影响了厌氧氨氧化细菌的种群分布和系统演化。     

Community Structures and Distribution of Anaerobic Ammonium Oxidizing and nirS-Encoding Nitrite-Reducing Bacteria in Surface Sediments of the South China Sea

Anaerobic ammonium oxidation (anammox) and denitrification are two important processes responsible for nitrogen loss; monitoring of microbial communities carrying out these two processes offers a unique opportunity to understand the microbial nitrogen cycle. The aim of the current study was to characterize community structures and distribution of anammox and nirS-encoding nitrite-reducing bacteria in surface sediments of the northern South China Sea (SCS). The consistent phylogenetic results of three biomarkers of anammox bacteria, including 16S rRNA, hzo, and Scalindua-nirS genes, showed that Scalindua-like bacteria were the only anammox group presenting in surface sediments of the SCS. However, a relatively high micro-diversity was found within this group, including several SCS habitat-specific phylotypes, Candidatus “Scalindua zhenghei”. Comparing to 16S rRNA gene, hzo and Scalindua-nirS genes provided a relatively higher resolution to elucidate anammox bacteria. For the nirS-encoding nitrite-reducing bacteria, the detected nirS gene sequences were closely related to various marine nirS denitrifiers, especially those which originated from coastal and estuarine sediments with a much higher diversity than anammox bacteria. Anammox bacterial communities shifted along with the seawater depth, while nirS-encoding nitrite-reducing bacteria did not. Although nirS-encoding nitrite-reducing bacteria have a much higher abundance and diversity than anammox bacteria, they showed similar abundance variation patterns in research sites, suggesting the two microbial groups might be affected by the similar environmental factors. The significant correlations among the abundance of the two microbial groups with the molar ratio of NH₄ ⁺ to (NO₂ ^??+?NO₃ ^?), pH, and organic matters of sediments strongly supported this hypothesis.     

Anaerobic ammonium oxidation (Anammox) in immobilized activated sludge biofilms during the treatment of weak wastewater

This work studied the formation of molecular nitrogen by the microbial population of immobilized activated sludge of the domestic wastewater treatment plants (WWTP) that employ the technology developed by ZAO ECOS Company. The technology includes physicochemical water pretreatment and treated water recycling. A hard flexible fibrous brush carrier is used for the immobilization of microorganisms. The presence of both aerobic and anaerobic microorganisms and functioning of the methanogenic microbial community was shown in the biofilms developing on the carrier fibers and in suspended sludge. The high efficiency of nitrogen removal at a low C/N ratio was established to be due to the conjugated nitrification, denitrification, and anammox processes, whose functioning was demonstrated by laboratory cultivation methods and by studying the processes in batch and continuous reactors. Fluorescence in situ hybridization with 16S rRNA-targeted oligonucleotide probes (FISH) revealed bacteria belonging to the order Planctomycetales, particularly their anammox group. This work is the first evidence of the important role of the anammox process in the combined system of physicochemical and biological treatment of weak wastewater (BCDEAMOX).     

Ecological characteristics of anaerobic ammonia oxidizing bacteria

Anaerobic ammonium oxidation (anammox) is the microbial conversion of ammonium and nitrite to dinitrogen gas. The functional microbes of anammox reaction are anammox bacteria, which were discovered in a wastewater treatment system for nitrogen removal. Anammox bacteria are prevalent in anoxic ecosystems and play an important role in both biological nitrogen cycle and nitrogen pollution control. In this paper, we reviewed the investigation on ecological characteristics of anammox bacteria, and tried to figure out their complicated intraspecies and interspecies relationships. As for intraspecies relationship, we focused on the quorum sensing system, a cell density-dependent phenomenon. As for interspecies relationship, we focused on the synergism and competition of anammox bacteria with other microorganisms for substrate and space. Finally, we discussed the great influence of environmental factors (e.g., dissolved oxygen, organic matters) on the constitution, structure and function of anammox bacteria community.