好氧反硝化微生物学机理与应用研究进展

近年来,关于好氧反硝化过程的研究主要集中在三个方面:分别是好氧反硝化菌株的分离和脱氮性能表征,好氧反硝化微生物的应用潜力分析,以及好氧反硝化过程的机理研究。好氧反硝化菌株分布范围广泛,可从多种环境中分离得到,种属以Pseudomonas sp.、Alcaligenes sp.和Paracoccus sp.为主。好氧反硝化菌株及菌群在实验室条件下表现出优良的耐冷、耐盐特性,并具有可降解毒性有机物及N_2O减排的潜力。关于好氧反硝化过程的机理研究表明,虽然硝酸盐作为电子受体的竞争力比氧气弱,但反硝化作为辅助电子传递途径,可提高产能效率,防止NAD(P)H的过量积累。因此,硝酸盐可与氧气同时参与微生物的新陈代谢,即发生好氧反硝化现象。未来除了继续分离更新更好的好氧反硝化菌株外,应加强对好氧反硝化机理及实际生物强化方面的研究。     

Zn(II)对好氧反硝化菌Acinetobacter sp. JR-142的代谢活性影响

【目的】研究不同Zn(Ⅱ)浓度对好氧反硝化菌Acinetobacter sp.JR-142生理活性,尤其是反硝化代谢特性的影响。【方法】筛选一株好氧反硝化菌,优化了最佳活性条件;分析了不同Zn(Ⅱ)浓度对生长曲线和反硝化效率的影响以及对细胞形态的影响;明晰了不同Zn(Ⅱ)浓度条件下,细胞特征活性酶-硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶的活性变化情况,分析了不同活性同关键酶的编码基因napA和nirS的相对表达量之间的规律。【结果】获得一株具有好氧反硝化功能的菌株,命名为JR-142,经鉴定为不动杆菌Acinetobacter sp.。在以琥珀酸钠为碳源,C/N为6,pH为7.0,温度30℃,转速为180 r/min的条件下,好氧反硝化活性最高。结果表明当Zn(Ⅱ)浓度为3.25 mg/L时,对菌株的生长及好氧反硝化速率有促进作用;当Zn(Ⅱ)浓度为52 mg/L以上浓度时,菌株的生长及反硝化速率均受到抑制。酶活及关键基因napA、nirS的定量分析结果显示,对照组及JR+0.05处理组的硝酸盐还原酶NR、亚硝酸盐还原酶NiR活性均高于JR+0.8处理组,在24 h时,JR+0.05 Zn(Ⅱ)处理组中,细胞的关键好氧反硝化基因napA及nirS的相对表达量显著高于对照组,这进一步说明3.25 mg/L Zn(Ⅱ)可以促进好氧反硝化过程,而在24 h及32 h时对照组及JR+0.05处理组的基因相对表达量远高于JR+0.8处理组,也说明52 mg/L Zn(Ⅱ)则会对反应产生抑制。【结论】探究并系统分析了不同Zn(Ⅱ)浓度对不动杆菌Acinetobacter sp.JR-142生长繁殖以及和在重金属锌离子存在的情况下影响好氧反硝化生理活性的影响,为后续硝酸盐-重金属复合污染废水的生物处理技术提供了数据指导。     

异养硝化-好氧反硝化菌脱氮相关酶系及其编码基因的研究进展

水体氮素污染日益严重,如何经济、高效地去除水体氮素已成为研究热点。近年来,研究人员已从不同环境中分离到许多同时具有异养硝化和好氧反硝化功能的菌株,此类菌生长迅速,可在好氧条件下同时实现硝化和反硝化的过程,并可用于脱除有机污染物,是一类应用潜力巨大的脱氮菌。目前,异养硝化-好氧反硝化菌的脱氮途径和机制主要是通过测定氮循环中间产物或终产物、测定相关酶活性、注释部分氮循环相关基因及参考自养硝化菌和缺氧反硝化菌的氮循环途径等进行研究,其完整的氮素转化途径和氮代谢机制还需要进一步明确。总结了目前异养硝化-好养反硝化菌的脱氮相关酶系及其编码基因的研究进展,以期为异养硝化-好氧反硝化菌的理论研究及其在污水脱氮处理上的应用提供参考。     

喹啉废水反硝化反应器中优势菌的代谢功能分析

采用纯培养技术对一个降解喹啉的反硝化反应器筛选到的26株优势菌株进行反硝化能力以及好氧降解喹啉能力研究,其中的反硝化菌还测定了反硝化条件下的喹啉降解能力。结果发现Bacillus、Staphylococcus、Pseudomonas、Brucella、Delftia等5个属的10株菌具有反硝化能力,Rhodococcus属的9株细菌能够好氧降解喹啉,揭示了反硝化喹啉降解反应器中主要细菌类型的代谢特性,发现在缺氧反硝化反应器中存在多样的代谢类型的细菌。     

固氮施氏假单胞菌亚硝酸盐还原酶基因nirS转录特性及功能鉴定

【目的】研究固氮施氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri)A1501亚硝酸盐还原酶结构基因nir S的转录调控机制及其在反硝化过程中的功能。【方法】构建nir S-lac Z融合载体,利用三亲本结合法将其导入野生型A1501,通过β-半乳糖苷酶活性的测定,分析不同供氧状况、不同浓度的硝酸盐、亚硝酸盐对nir S基因表达的影响;同时将该载体导入rpo N突变株中,研究氮代谢调控因子Rpo N对nir S基因转录影响。通过同源重组方法构建nir S突变株,通过生化表型测定明确nir S在反硝化过程中的功能。【结果】启动子活性测定表明,nir S基因厌氧条件下高水平表达,是好氧条件下表达水平的4倍;nir S的表达受硝酸盐诱导,但不受亚硝酸盐的诱导;Rpo N突变株中,nir S的表达活性为野生型的1/4,nir S启动子未发现Rpo N的保守结合位点,表明nir S的表达受Rpo N间接调控。表型测定显示以硝酸盐为电子受体时Δnir S的反硝化能力降低了约20%;以亚硝酸盐为电子受体时Δnir S仅有微弱的反硝化能力,并且nir S的突变使得菌体在反硝化条件下利用亚硝酸盐的能力显著减弱。nir S突变提高了菌体在亚硝酸为电子受体的反硝化条件下的固氮酶活。【结论】A1501中nir S基因的转录受外界氧及硝酸盐的影响,同时受氮代谢Sigma因子Rpo N的调控。nir S在A1501菌反硝化过程中起关键作用,参与了亚硝酸盐的转化。     

大肠杆菌BL21(DE3)膜组分相关基因的敲除对重组蛋白胞外分泌的影响

摘要:【目的】探究Escherichia coli BL21(DE3)中膜组分相关的脂多糖合成基因waaF或msbB的敲除对重组蛋白胞外分泌的影响。【方法】运用Red重组技术将E.coli BL21 (DE3)染色体上的基因waaF或msbB敲除,构建敲除菌株E.coli BL21(ΔwaaF)、E.coli BL21(ΔmsbB)。将本实验室保存的带有β-呋喃果糖苷酶(β-fructofuranosidase,β-FFase)、青霉素G 酰化酶(penicillin G acylase,PGA)基因的重组质粒pET-ffase、pET-pga分别转入敲除菌株及出发菌株中,构建工程菌株E.coli BL21(ΔmsbB)/pET-ffase、E.coli BL21(ΔwaaF)/pET-ffase、E.coli BL21(DE3)/pET-ffase、E.coli BL21(ΔmsbB)/pET-pga、E.coli BL21(ΔwaaF)/pET-pga、E.coli BL21(DE3)/pET-pga。最后通过摇瓶发酵研究敲除菌株对β-FFase、PGA胞外分泌的影响。【结果】当诱导表达4 h,以出发菌株E.coli BL21(DE3)为宿主时,β-呋喃果糖苷酶β-FFase的胞外分泌量占总表达量的2.6%,以敲除菌株ΔmsbB为宿主时,胞外分泌量达到19.7%,而以敲除菌株ΔwaaF为宿主时,胞外分泌量达到50.9%。另外,当诱导表达24 h,以敲除菌株ΔwaaF为宿主时,青霉素G酰化酶PGA的胞外酶活是出发菌株中的4.1倍,达到1708 U/L。【结论】本研究成功构建了敲除菌株ΔmsbB和ΔwaaF,ΔmsbB能明显增强β-FFase的胞外分泌,而ΔwaaF对β-FFase和PGA的胞外分泌均有显著的强化作用。     

关于好氧反硝化菌筛选方法的研究

采用污泥驯化手段富集好氧反硝化细菌,将得到的驯化污泥分离纯化,共得到105株菌。用测TN的方法对所筛菌株进行初筛,得到25株对TN去除率达到50％以上的菌株。用氮元素轨迹跟踪测定法复筛,证实这25株菌都可以在好氧条件下进行硝酸盐呼吸,其中24株菌的反硝化过程为：NO3^-N→NO2^-N→N2,研究中还发现在反硝化过程中硝酸盐和亚硝酸盐不存在明显竞争被利用的作用。同时还提出了可能实现短程同步硝化反硝化以及在反馈作用的调节下,加快硝化反应速度的观点。     

鼠伤寒沙门氏菌Ⅵ型分泌系统相关基因敲除及其功能特性

Ⅵ型分泌系统(T6SS)是大多数革兰氏阴性细菌中都存在的一种重要的分泌系统,能介导细菌与细菌之间以及细菌和宿主细胞之间的相互作用,溶血素共调节蛋白(Hcp)和缬氨酸甘氨酸重复蛋白G(VgrG)是组成T6SS穿刺装置的重要组分。但鼠伤寒沙门氏菌Ⅵ型分泌系统的Hcp与VgrG在该菌入侵宿主细胞及抗吞噬过程中发挥的作用尚不十分清楚。【目的】本研究旨在利用基因敲除技术构建的鼠伤寒沙门氏菌hcp及vgrg基因缺失株体外接种真核上皮细胞和巨噬细胞,并以其亲本株作为对照,以研究Hcp及VgrG在该菌粘附、侵入上皮细胞及抗吞噬过程中所发挥的作用。【方法】通过优化Red同源重组系统操作过程中各个条件,建立一套快速敲除鼠伤寒沙门氏菌Ⅵ型分泌系统相关基因的操作系统,成功构建鼠伤寒沙门氏菌CVCC541的hcp及vgrg单基因缺失株、双基因缺失株及三基因缺失株,并用Hela细胞接种试验和菌落计数试验,评估不同菌株的粘附和侵袭能力;用小鼠巨噬细胞RAW 264.7接种试验,评估不同菌株的抗吞噬能力。【结果】与亲本株CVCC541粘附侵袭Hela细胞相比,基因缺失株CVCC541Δvgrg、CVCC541Δhcp2Δvgrg和CVCC541Δhcp1Δhcp2Δhcp3的粘附率分别为17.17%±2.1%、14.73%±2.5%和82%±3.7%;CVCC541Δvgrg、CVCC541Δhcp2Δvgrg和CVCC541Δhcp1Δhcp2Δhcp3的侵袭率分别为7.05%±1.05%、6.21%±1.35%和87%±3.25%;与亲本株CVCC541在小鼠巨噬细胞RAW 264.7中的存活相比,基因缺失株CVCC541Δvgrg、CVCC541Δhcp2Δvgrg和CVCC541Δhcp1Δhcp2Δhcp3的存活率分别为15.67%±2.9%、14.47%±1.87%和56.12%±3.48%。【结论】鼠伤寒沙门氏菌Ⅵ型分泌系统VgrG和Hcp对该菌入侵细胞和抗吞噬方面具有重要作用,该研究为鼠伤寒沙门氏菌通过六型分泌系统与宿主细胞相互作用的机制研究奠定了基础。     

异养硝化-好氧反硝化细菌的研究进展

异养硝化-好氧反硝化菌株的发现是对传统硝化反硝化的突破和发展。近年来由于其独特的生物学特性及其在污水处理中的巨大优势,受到众多学者的青睐。文章介绍了异养硝化-好氧反硝化菌的筛选,异养硝化-好氧反硝化代谢途径和异养硝化-好氧反硝化菌的影响因素,并总结了异养硝化-好氧反硝化菌在废水处理中的研究进展,最后展望未来研究的方向。     

垃圾渗滤液中好氧反硝化菌的筛选及其反硝化条件优化

从江苏省常州市某垃圾渗滤液处理厂的纯氧曝气池中提取活性污泥,筛选获得1株高效好氧反硝化菌CZ1。根据菌株形态、生理生化特性进行初步鉴定,并结合该菌株的16S rDNA基因序列分析,判定该菌株为蜡样芽胞杆菌(Bacillus cereus)。研究了菌株的好氧反硝化特性,结果表明,以硝酸钾为唯一氮源,CZ1在24h内对硝酸盐氮的去除率达到97.69%。同时考察了碳源种类、C/N、温度、初始pH以及溶解氧对该菌株好氧反硝化能力的影响,通过单因素实验获得其最佳好氧反硝化条件:温度35℃,丁二酸钠为唯一碳源,C/N为6,初始pH值为7.0~7.5,转速为160 r/min。     

1株滩涂沉积物反硝化细菌的鉴定及其性能研究

利用富集培养法从江苏沿海滩涂沉积物中分离筛选获得1株具有反硝化性能的细菌,命名为MD5。通过形态学观察、糖发酵及16S r DNA序列分析对其进行了分类鉴定、系统发育地位及反硝化性能等方面的研究。结果表明,该菌株能在厌氧条件下利用硝酸钠进行反硝化反应,在初始硝酸盐质量浓度为1 500 mg/L、30℃培养条件下,144 h后培养基中硝酸盐脱除率可达90.1%;在好氧培养条件下,该菌株可使能力测试管中硝酸盐质量浓度下降89.3%。菌株MD5的形态学、糖发酵结果与盐单胞菌一致,且基因序列与盐单胞属(Halomonas)细菌Halomonas sp.IW11-1(AB305262.1)的序列同源性达到99%,表明菌株MD5为1株盐单胞属细菌。本研究分离得到的菌株MD5在厌氧和好氧条件下均具有较强的反硝化能力,对海洋沉积物脱氮具有一定的意义。     

分离于河口区芦苇湿地1株好氧反硝化菌的鉴定及其反硝化特性

【目的】筛选高效脱氮且N_2O释放量少的好氧反硝化细菌,并对菌株的反硝化特性进行研究,可为河口湿地富营养化水体的生物修复提供技术支撑。【方法】经BTB培养基初筛和反硝化能力测定,从辽河河口区芦苇湿地土壤中分离得到1株具有较高反硝化能力的好氧反硝化菌C3。经形态观察、生理生化鉴定和16S rRNA序列分析,对菌株进行鉴定。研究温度、碳源、pH及C/N对其生长量、反硝化能力及N2O释放的影响。【结果】筛选得到的高效好氧反硝化细菌C3,经鉴定属于假单胞菌属(Pseudomonas sp.)。反硝化特性研究结果表明,该菌最适碳源为柠檬酸三钠,在温度为30°C、pH为7.0、C/N为10时生长速率和脱氮效率最高且N_2O释放量较少。在此条件下,该菌在36 h内使NO_3~–由179.55 mg/L降至5.08 mg/L,脱氮率高达97.17%。该菌株在整个反硝化过程中中间产物N_2O的最大累积量较低,为0.22 mg/L。【结论】从湿地土壤中分离所得好氧反硝化菌C3为假单胞菌属的1个种(Pseudomonas sp.),该菌株在高效除氮和低N_2O累积方面均具有明显优势,对后续河口湿地富营养化水体治理具有重要意义。     

好氧反硝化菌代谢机制及其与重金属相互作用的代谢特征

好氧反硝化是在好氧条件下将NO3–-N最终转化为N2的过程。好氧反硝化菌不仅表现出优秀的脱氮性能,可在许多极端条件下生存,还拥有多种重金属耐受性。本文总结了不同重金属Cr(VI)、Cu(II)和Cd(II)对好氧反硝化菌脱氮效率的影响,同时整理了好氧反硝化菌对不同重金属的耐受或去除机制。分析了好氧反硝化菌在工业废水处理中的应用潜力,最后对好氧反硝化菌的未来研究方向进行了简要的展望,期望为工业废水中氮污染和重金属污染处理提供更加全面的理论认识和技术支持。     

基于响应面法对一株好氧反硝化菌脱氮效能优化

【目的】水体富营养化是当今我国水环境面临的重大水域环境问题,氮素超标排放是主要的引发因素之一。好氧反硝化菌构建同步硝化反硝化工艺比传统脱氮工艺优势更大。获得高效的好氧反硝化菌株并通过生长因子优化使脱氮效率达到最高。【方法】经过序批式生物反应器(Sequencing batch reactor,SBR)的定向驯化,筛选获得高效好氧反硝化菌株,采用响应面法优化好氧反硝化过程影响总氮去除效率的关键因子(碳氮、溶解氧、pH、温度)。【结果】从运行稳定的SBR反应器中定向筛选高效好氧反硝化菌株Pseudomonas T13,采用响应面法对碳氮比、pH和溶解氧关键因子综合优化获得在18 h内最高硝酸盐去除率95%,总氮去除率90%。该菌株的高效反硝化效果的适宜温度范围为25?30 °C;最适pH为中性偏碱;适宜的COD/NO3?-N为4:1以上;最佳溶解氧浓度在2.5 mg/L。【结论】从长期稳定运行的SBR反应器中筛选获得一株高效好氧反硝化菌Pseudomonas T13,硝酸盐还原酶比例占脱氮酶基因的30%以上,通过运行条件优化获得硝氮去除率达到90%以上,对强化废水脱氮工艺具有良好应用价值。     

好氧反硝化细菌及其在微污染水源水修复中的应用研究进展

相比于氨氮,天然水体中的硝酸盐氮通常更稳定,导致更难将其从水中去除。由于好氧反硝化可以在有氧环境下进行反硝化作用去除硝酸盐氮,该过程对含有较高溶解氧的天然水体中硝酸盐氮处理有重要作用。本文综述了好氧反硝化菌的分离纯化现状、微生物代谢机制和环境影响因子,并介绍了功能菌群在微污染饮用水源水生物修复的应用研究进展。与一般的厌氧反硝化类似,好氧反硝化菌的种属分布较广,常见的如假单胞菌属(Pseudomoas)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、副球菌属(Paracoccus)和芽孢杆菌属(Bacillus)等所属部分微生物均有好氧反硝化能力。大部分好氧反硝化菌株在最佳生长条件下(25–37℃、溶解氧浓度为3–5mg/L、pH为7–8、碳氮比为5–10)具有高效的脱氮效率。但目前好氧反硝化作用在微污染饮用水源水的生物修复方面的应用仍有着脱氮性能不稳定、菌剂流失等不足。此外,目前较少相关中试及实际工程应用的研究,需要进一步的深入探究。     

好氧反硝化生物脱氮技术的研究进展

好氧反硝化生物脱氮技术自提出以来,凭借能实现同步硝化反硝化、节省基建投资及运行费用等诸多优点,受到国内外环境领域学者的广泛关注。本文首先总结了近年来好氧反硝化菌种的筛选分离情况,以及环境因子对好氧反硝化菌脱氮效能的影响,包括溶解氧(dissolved oxygen,DO)、碳氮比(C/N)、温度等。然后深入探讨了好氧反硝化生物脱氮技术的原理,好氧反硝化过程中的关键功能基因及酶,同时介绍了分子生物技术在好氧反硝化研究过程中的应用,以及好氧反硝化生物脱氮技术在实际应用方面的研究现状。最后,基于目前的研究瓶颈问题,对未来好氧反硝化生物脱氮技术的研究方向提出了科学展望。     

一株好氧反硝化菌的分离鉴定及其除氮特性

【目的】生物除氮中反硝化菌具有重要的作用,需氧反硝化菌研究较少,有着很好的应用潜力,本研究主要从环境样品中分离具有高效去除铵氮和亚硝酸盐氮活性的好氧反硝化菌,并对其分类及除氮特性进行研究。【方法】以高效去除铵氮、除亚硝酸盐氮和好氧反硝化能力为主要指标,从富营养化的池塘淤泥水和工厂污泥样品中进行菌株分离筛选。通过生理生化特点以及16S rRNA序列分析对活性最好的菌株进行初步鉴定。在好氧条件下,分别以NO-3-N、NH+4-N和NO-2-N作为唯一氮源,考察菌株的好氧反硝化特性、去除铵氮和亚硝酸盐氮特性,以及不同初始pH值、温度、碳源、摇床转速对该菌去除铵氮和亚硝酸盐氮特性的影响。【结果】得到的细菌中,以菌株C-4的活性最好,其16S rRNA序列与不动杆菌的同源性达99%,结合生理生化特点,初步确定菌株C-4属于不动杆菌属(Acinetobacter sp.)。以柠檬酸钠作为碳源,30℃、120 r/min振荡培养,种龄为18 h,用初始pH为8.5的200 mg/L NH +4-N培养基和初始pH为7.5的100 mg/L NO -2-N培养基进行测定,分别培养15 h与12 h,净除氮率分别达到65.8%和47.8%。【结论】从鱼塘水样中分离到一株好氧反硝化菌C-4,初步鉴定为不动杆菌属的一个种(Acinetobacter sp.),具有较高的反硝化特性和高效去除铵氮与亚硝酸盐氮的能力,在处理实际池塘污水时中,净除氮率可达73.04%以上。     

球孢白僵菌Bb_bm01菌株PacC基因突变体的构建及其毒力和孢子萌发率的测定

通过敲除球孢白僵菌(Beauveria bassiana)菌株bm01的PacC基因,研究了PacC基因敲除对球孢白僵菌毒力和分生孢子萌发速率的影响。利用农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)介导的转化方法转化Bb_bm01,通过同源重组敲除Bb_bm01的PacC基因,筛选ΔPacC基因敲除菌株,获得了遗传稳定的ΔPacC基因敲除菌株。通过毒力测定,对比了野生菌株和ΔPacC基因敲除菌株对家蚕和大蜡螟毒力的差异,发现ΔPacC基因敲除菌株对家蚕和大蜡螟毒力都减弱,差异具有统计学意义(p0.01),表明在Bb_bm01菌株中的PacC基因与它的致病性相关;另外,比较ΔPacC基因敲除菌株与野生型菌株Bb_bm01在SDB液体培养基中的孢子萌发率,发现ΔPacC基因敲除菌株孢子萌发明显减慢,表明PacC基因参与调控孢子萌发。     

一株异养硝化-好氧反硝化皱褶念珠菌(Diutina rugosa)的分离及脱氮特性

为了获得异养硝化-好氧反硝化菌株,从养殖池塘污泥中分离筛选到一株具有异养硝化-好氧反硝化能力的酵母菌,命名为DW-1。经形态学观察和26S rDNA序列分析后鉴定为皱褶念珠菌DW-1(Diutina rugosa DW-1)。以氨氮为唯一氮源,初步探讨了碳源、C/N、初始pH值、培养温度、摇床转速对菌株DW-1除氮性能的影响。结果表明,在以乙酸钠为唯一碳源,C/N为25,pH为6.0、适宜培养温度为32℃、转速为170 r/min的条件下,菌株DW-1氨氮降解率和总氮去除率分别为94.94%、48.69%,而整个过程中亚硝氮积累量仅为0.067 mg/L。皱褶念珠菌DW-1的异养硝化-好氧反硝化特性表明其在降解含氮废水方面具有良好的应用前景。     

酿酒酵母NST1基因敲除菌的构建及其对抗氧化的影响

构建一株酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)NST1基因缺失菌株并研究其对抗氧能力的影响。以酿酒酵母BY4741中的NST1基因为研究对象,利用Cre-LoxP基因敲除系统将NST1基因与G418抗性基因(kan~r)相替换,实现目的基因的敲除。通过稀释点样实验、荧光电子显微镜检测和荧光定量PCR等技术分析NST1基因在酿酒酵母抗氧化体系中的作用。经过G418抗性筛选和基因组PCR鉴定,成功获得了NST1基因缺失菌株nst1Δ,实验数据显示nst1Δ重组菌胞内ROS增多,并且降低了细胞壁完整性信号通路(CWI)途径下游基因RLM1的表达水平,表明NST1基因的敲除对酿酒酵母BY4741的抗氧化性能有影响。