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.     

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。     

硝化作用的生化原理

硝化作用是自然界氮素循环的重要环节之一,有着很大的应用价值。在农业上,可利用硝化作用提高氮素的有效性,从而促进作物对氮素的同化;也可通过抑制硝化作用,以减少反硝化作用引起的氮素损分[1]．在环保上,可利用硝化作用开发硝化工艺,控制氨对水生生物的毒害;也可与反硝化作用联合,用于污水生物脱氮[2],掌握硝化作用的生化原理,有助于该反应的调控,本文拟就硝化细菌的能量利用特性、硝化细菌的生物氧化反应和硝化反应的酶学特性作一综述。1硝化细菌的能量利用特性硝化作用包括两个步骤,即氨氧化为亚硝酸和亚硝酸氧化为硝酸。分…     

有机物消耗对珠江口沉积物反硝化和厌氧氨氧化过程的影响

反硝化及厌氧氨氧化是两个主要的氮汇途径, 能有效地将生态系统中的固定氮转化为N₂ 或N₂O 释放到大气中。利用微宇宙与中宇宙模拟实验, 本研究系统地分析了有机物的种类、可利用性和浓度大小对珠江口沉积物反硝化和厌氧氨氧化过程的影响。研究结果表明: 有机物的消耗能显著提高反硝化的活性, 不同种类的有机物表现出不同的活性, 简单的小分子有机物活性最高, 复杂有机物次之, 惰性有机物则难以被利用。然而, 有机物对厌氧氨氧化过程的促进并不显著, 这主要与其自养型的代谢方式有关。中宇宙实验室进一步表明, 有机物的消耗不但给反硝化过程提供了能源, 而且由于有机物分解消耗氧气,为反硝化过程的发生提供了必要的环境条件。在有机物负荷状态下, 反硝化过程在珠江口沉积物的脱氮过程中发挥主导作用。总之, 沉积物中微生物脱氮是依赖有机物消耗的过程, 表现出强烈的碳氮代谢耦合。     

厌氧氨氧化与反硝化耦合反应研究进展

厌氧氨氧化是氮循环中一个重要的反应,对处理含高氨氮废水具有重大的潜在实际应用价值.高浓度有机碳源对厌氧氨氧化反应具有明显的抑制作用.如何在有机碳源存在的条件下实现厌氧氨氧化与反硝化的耦合,是实现厌氧氨氧化工程应用面临的巨大挑战.本文综述了有关厌氧氨氧化与反硝化耦合反应机理、反应功能性微生物种群、耦合工艺启动、过程调控及环境影响因素等的最新研究进展,并对厌氧氨氧化与反硝化耦合反应研究前景及其在废水处理中的应用进行了展望.     

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.     

湖泊微生物反硝化过程及速率研究进展

湖泊中微生物介导的反硝化过程对于区域乃至全球的气候环境变化有着深远的影响。因此,研究湖泊微生物反硝化过程及速率有助于我们深刻理解湖泊氮元素生物地球化学循环规律,全面认识湖泊生境对全球氮循环的贡献。本文综述了湖泊生境中反硝化过程(包括典型的反硝化过程及与其他物质循环耦合的反硝化过程,如与有机氮耦合的共反硝化作用、与碳循环耦合的硝酸盐/亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化、与铁循环耦合的硝酸盐依赖型铁氧化、与硫循环耦合的硝酸盐还原硫氧化)的速率、驱动微生物及其影响因素。最后对湖泊反硝化过程研究现状和未来发展方向提出总结与展望。     

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.     

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.     

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。     

Novel principles in the microbial conversion of nitrogen compounds

Some aspects of inorganic nitrogen conversion by microorganisms like N2O emission and hydroxylamine metabolism studied by Beijerinck and Kluyver, founders of the Delft School of Microbiology, are still actual today. In the Kluyver Laboratory for Biotechnology, microbial conversion of nitrogen compounds is still a central research theme. In recent years a range of new microbial processes and process technological applications have been studied. This paper gives a review of these developments including, aerobic denitrification, anaerobic ammonium oxidation, heterotrophic nitrification, and formation of intermediates (NO2-, NO, N2O), as well as the way these processes are controlled at the genetic and enzyme level.     

极端酸性矿山环境微生物基于CRISPR系统的适应性免疫机制

【目的】通过对酸性矿山环境中嗜酸硫杆菌属(Acidithiobacillus)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、钩端螺旋菌属(Leptospirillum)、硫化杆菌属(Sulfobacillus)、酸原体属(Acidiplasma)和铁质菌属(Ferroplasma)的100株冶金微生物基因组中CRISPR-Cas系统的结构特征和同源关系进行生物信息学分析,在基因组水平上解析冶金微生物基于CRISPR系统对极端环境的适应性免疫机制。【方法】从NCBI网站下载基因组序列,采用CRISPR Finder定位基因组中潜在的CRISPR簇。分析CRISPR系统的组成结构与功能:利用Clustal Omega对重复序列(repeat)分类;将间隔序列(spacer)分别与nr数据库、质粒数据库和病毒数据库比对,获得注释信息;根据Cas蛋白的种类和同源性对酸性矿山环境微生物的CRISPR-Cas系统分型。【结果】在100株冶金微生物基因组中共鉴定出415个CRISPR簇,在176个c CRISPR簇中共有80种不同的重复序列和4147条间隔序列。对重复序列分类,发现12类重复序列均能形成典型的RNA二级结构,Cluster10中的重复序列在冶金微生物中最具有代表性。间隔序列注释结果表明,这些微生物曾遭受来自细菌质粒与病毒的攻击,并通过不同的防御机制抵抗外源核酸序列的入侵。冶金微生物细菌的大部分CRISPR-Cas系统属于I-C和I-E亚类型,而古菌的CRISPR-Cas系统多为I-D亚类型,两者基于CRISPR-Cas系统的进化过程中存在显著差异。【结论】酸性矿山环境微生物的CRISPR结构可能采用不同免疫机制介导外源核酸序列与Cas蛋白的相互作用,为进一步揭示极端环境微生物的适应性进化机理奠定了基础。     

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。     

红树林生态系统微生物驱动的氮素循环过程研究进展

微生物驱动的氮循环过程在红树林生态系统物质循环、净化外来污染物、维持生态系统平衡等方面起重要作用。相较于其他自然生态系统,因红树林处于沿海陆地交界地带,其氮循环过程及其相关微生物的种类丰富,受交错复杂的环境因素影响与调控。本文梳理了红树林土壤性质及特性,综述了红树林生态系统中由微生物驱动的固氮、氮素矿化、硝化、厌氧氨氧化、反硝化、异化硝酸盐还原为铵等主要的氮循环过程,并讨论了氮循环与其他循环的耦合过程。最后讨论pH、盐度、季节、螃蟹活动、红树林树种等环境因素对氮循环过程及其相关微生物丰度、多样性的影响。本综述以期为红树林湿地生态系统的保护和修复提供理论参考。     

湖泊微生物硝化过程研究进展

湖泊中微生物介导的硝化作用在生境内部氮周转和温室气体N_2O释放方面扮演着关键的角色。因此,研究湖泊微生物硝化过程及速率有助于我们整体评估湖泊生境内部的氮循环状态,全面认识湖泊响应区域乃至全球气候变化的规律。本文综述了湖泊生境中硝化过程及其驱动微生物和影响因素,包括氨氧化过程、亚硝酸盐氧化过程和完全氨氧化过程,同时聚焦前沿,归纳了氨氧化古菌、氨氧化细菌和完全氨氧化菌产生N_2O的机制和相对贡献。最后对湖泊硝化过程研究现状和未来发展方向提出总结和展望。     

New concepts of microbial treatment processes for the nitrogen removal in wastewater

Many countries strive to reduce the emissions of nitrogen compounds (ammonia, nitrate, NOx) to the surface waters and the atmosphere. Since mainstream domestic wastewater treatment systems are usually already overloaded with ammonia, a dedicated nitrogen removal from concentrated secondary or industrial wastewaters is often more cost-effective than the disposal of such wastes to domestic wastewater treatment. The cost-effectiveness of separate treatment has increased dramatically in the past few years, since several processes for the biological removal of ammonia from concentrated waste streams have become available. Here, we review those processes that make use of new concepts in microbiology: partial nitrification, nitrifier denitrification and anaerobic ammonia oxidation (the anammox process). These processes target the removal of ammonia from gases, and ammonium-bicarbonate from concentrated wastewaters (i.e. sludge liquor and landfill leachate). The review addresses the microbiology, its consequences for their application, the current status regarding application, and the future developments.     

滨海湿地生态系统微生物驱动的氮循环研究进展

滨海湿地生态系统介于陆地生态系统和海洋生态系统之间,其类型多种多样,环境差异极大,微生物种类丰富。近年来,随着人为氮源的大量输入,造成滨海湿地生态系统富营养化污染问题日趋严重。本文主要总结了滨海湿地生态系统微生物驱动的固氮、硝化、反硝化、厌氧氨氧化、NO_3~-还原成铵等主要氮循环过程,并综述了通过功能基因(如nifH、amoA、hzo、nirS、nirK、nrfA)检测微生物群落多样性及其环境影响因素的相关研究,旨在更好理解微生物驱动氮循环过程以去除氮,以期为减轻富营养化和危害性藻类爆发提供科学依据。     

Novel microbial nitrogen removal processes

The present-day wastewater treatment practices can be significantly improved through the introduction of new microbial treatment technologies. Recently, several new processes for nitrogen removal have been developed. These new nitrogen removal technologies provide practicable options for treating nitrogen-laden wastewaters. The new processes are based on partial nitrification of ammonium to nitrite combined with anaerobic ammonium oxidation. These processes include the single reactor system for high ammonia removal over nitrite (SHARON) process, which involves part conversion of ammonium to nitrite; the anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) process, which involves anaerobic ammonium oxidation; and the completely autographic nitrogen removal over nitrite (CANON) process, which involves nitrogen removal within one reactor under oxygen-limited conditions. These new processes target the removal of nitrogen from wastewaters containing significant quantities of ammonium.     

Stoichiometry of biological nitrogen transformations in wetlands and other ecosystems

The stoichiometric equations of ammonification, nitrification and denitrification have demonstrated that the nitrogen cycle in nature is rather complicated. The mechanisms of biological nitrogen transformations are very important for analysis, design, operation and optimal control of natural ecosystems or engineered systems for nitrogen removal, and accurate stoichiometric equations can help in the maintenance of these environments. In this study, the new stoichiometric equations of intermediate nitrification, and heterotrophic and autotrophic denitrification with sulfur as the electron donor have been developed and discussed. The parameter values of f(s) (the fraction of electron donor coupled to cell synthesis) in stoichiometric equations of nitrification and denitrification are calculated according to experimental results implied in previously reported stoichiometric equations. Some new stoichiometric relationships of nitrification and denitrification, such as the O(2) demand for nitrifications, chemical oxygen demand/N ratios and the yield coefficients for denitrifications have been established. The pathway steps of nitrification and denitrification have been discussed.     

New pathways for ammonia conversion in soil and aquatic systems

Ammonia conversion processes are essential for most soil and aquatic systems. Under natural conditions, the many possible reactions are difficult to analyze. For example, nitrification and denitrification have long been regarded as separate phenomena performed by different groups of bacteria in segregated areas of soils, sediments or aquatic systems sequentially in time. It has now been established that strict segregation in place and time of the two processes is not necessary and that both denitrifiers and nitrifiers have versatile metabolisms. However, the rates described for aerobic denitrifiers are very low compared to the rates observed under anoxic conditions. Also the rates of nitrifier denitrification are quite low, indicating that these conversions may not play an important role under natural conditions. In addition, these processes often result in the emission of quite large amounts of undesirable products, NO and N₂O. Heterotrophic nitrification might be of relevance for systems, that contain a high carbon to nitrogen ratio. Recently, a novel process (Anammox) has been discovered in which ammonium serves as the electron donor for denitrification of nitrite into dinitrogen gas. ¹⁵N labeling studies showed that hydrazine and hydroxylamine were important intermediates in this process. Enrichment cultures on ammonium, nitrite and bicarbonate resulted in the dominance of one morphotypical microorganism. The growth rate of the cultures is extremely low (doubling time 11 days), but the affinity for ammonium and nitrite and the conversion rates (9.2 10^–4 mol kg^–1 s^–1) are quite high. Some of the reported high nitrogen losses in soil and aquatic systems might be attributed to anaerobic ammonium oxidation. In addition, this conversion offers new opportunities for nitrogen removal, when it is combined with recently developed processes for partial nitrification.