一株反硝化细菌的鉴定及其厌氧氨氧化能力的证明

从厌氧氨氧化反应器中分离获得了反硝化细菌D₃菌株. 综合其外部形态特性、生理生化特性、VitekGN检测结果、Biolog碳源利用特性, 以及菌株的(G+C)%(mol/mol)含量和系统发育分析, 将它归入门多萨假单胞菌(Pseudomonas mendocina). 该菌株是典型的反硝化细菌, 具有较强的反硝化活性, 当硝酸盐浓度为88.5 mg/L时, 反硝化速率最大, 为26.2 mg/(L·d). 最适生长pH为7.84, 最适生长温度为34.9℃. 该菌株显现较强的厌氧氨氧化能力, 对硝酸盐的最大利用速率为6.37 mg/(L·d), 对氨的最大利用速率为3.34 mg/(L·d), 消耗的氨氮和硝酸盐氮之比为1︰1.91. 该菌株可产生特殊的细胞结构, 与厌氧氨氧化密切相关, 推测这一特殊细胞结构可能是进行厌氧氨氧化的厌氧氨氧化体. 证明了反硝化细菌具有厌氧氨氧化活性, 扩大了厌氧氨氧化菌的种群范围, 为深入研究厌氧氨氧化菌及其在全球氮素循环中的贡献和进一步开发厌氧氨氧化工艺打下了良好的基础.     

浅谈硝化细菌及其在自然界的意义

硝化细菌简介硝化细菌(如,Ntrifying baeteria),是1889年维诺格拉得斯基第一次分离出来的化能自养菌,是一类具有硝化作用,能将土壤中的氨或胺盐转化成亚硝酸盐及硝酸盐的细菌。 1.硝化细菌的种类硝化细菌包括亚硝酸细菌和硝酸细菌两个生理类群,属独立的硝化杆菌科(Nitrobacteraceae)。 (1)把氨氧化成亚硝酸的细菌是亚硝酸细菌,分两类六个属:一类是有菌胶团的两个属,即亚硝化囊菌属(Nitrosocyotis)和亚硝化     

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。     

硝化细菌和反硝化细菌

自养生物中有一种化能自养的代谢方式。这类生物能利用体外环境中物质的氧化所放出的能量来合成有机物。硝化细菌是其中重要的一个类群。硝化细菌有两类:一是将氨氧化成亚硝酸的亚硝酸细菌。如亚硝化单胞菌(Nitrosomonas),亚硝化螺菌(Nitrosopira),亚硝化球菌(Nitroso     

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.     

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.     

完全氨氧化菌的分子生态学研究进展

硝化作用是氮素循环的核心环节,一直是土壤生物化学研究的热点之一。2015年,完全氨氧化菌(Comammox)的发现颠覆了两步硝化的传统观点,丰富了土壤氮素循环的理论体系。完全氨氧化菌能够独立执行整个硝化过程,具有将氨直接氧化成硝酸盐的能力。本文从完全氨氧化菌的定量检测方法、系统发育及组学分析入手对其分子生态学的国内外研究进展进行了系统综述,着重阐述了完全氨氧化菌在土壤中的多样性和分布规律。未来的研究可以针对以下内容开展:1)探索完全氨氧化菌的分子标志物,设计特异性引物,使其具有更高的分子覆盖度,从而完善完全氨氧化菌多样性的研究;2)优化完全氨氧化菌分离培养技术,富集分离得到更多完全氨氧化菌富集物或纯培养,完善完全氨氧化菌生理生化特性的研究;3)对完全氨氧化菌的功能和活性进行原位表征,并解析其对土壤硝化过程的贡献,阐明完全氨氧化菌的生态学特征,为促进土壤氮素良性循环和生态环境保护提供科学依据。     

不同土地利用方式土壤氨氧化微生物和反硝化微生物时空分布特征

研究不同土地利用方式下氮循环相关微生物在不同土壤剖面的分布,可为认识和理解土壤氮转化过程提供科学依据。土壤氨氧化微生物和反硝化微生物在调节氮肥利用率、硝态氮淋溶和氧化亚氮(N₂O)排放等方面有着重要作用。以北京郊区农田和林地两种土地利用方式为研究对象,分析土壤氨氧化潜势和亚硝酸盐氧化潜势在0—100 cm土壤剖面上的季节分布(春季和秋季),并通过实时荧光定量PCR方法表征土壤氨氧化和反硝化微生物的时空分布特征。结果表明,农田土壤氨氧化潜势、亚硝酸盐氧化潜势、氨氧化微生物和反硝化微生物丰度均显著高于林地土壤,且随土壤深度增加而显著降低。除氨氧化古菌amoA基因丰度在不同季节间无显著差异外,春季土壤氨氧化细菌(amoA基因)、反硝化微生物nirS、nirK和典型nosZ I基因的丰度均显著高于秋季。土壤有机质、总氮、NH~+₄-N、NO~-₃-N含量与氨氧化微生物和反硝化微生物的功能基因丰度显著相关。综上,不同土地利用方式下土壤氮循环相关微生物的丰度与土壤氮素的可利用性和转化过程紧密相关,研究结果对土壤氮素利用和养分管理提供...     

好氧反硝化细菌碳氮代谢特点及途径的研究进展

好氧反硝化作用的发现打破了反硝化只能在严格厌氧条件下进行的传统认知,为生物脱氮提供了一条新的途径,已成为近些年的研究热点。碳源可为好氧反硝化过程提供能量和电子供体,其代谢难易程度直接影响着好氧反硝化细菌的脱氮效率,因此有必要明确碳源在好氧反硝化脱氮过程中的代谢机理。基于此,本文阐述了好氧反硝化细菌的种类及其对硝态氮与亚硝态氮的代谢途径;系统分析了不同好氧反硝化细菌对碳氮源代谢的差异与代谢机理;综合分析了碳代谢差异对好氧反硝化脱氮过程的影响,并对未来的研究方向进行了展望,旨在深入理解好氧反硝化细菌同时去除碳氮的机理,为提高废水生物脱氮除碳效率提供理论依据。     

古尔班通古特沙漠生物土壤结皮对氨氧化微生物生态位的影响

生物结皮作为荒漠地表的重要覆被类型, 在荒漠生态系统的氮素循环中扮演重要角色。融雪期为古尔班通古特沙漠生物结皮的复苏和生长提供了充足的水分, 也成为该沙漠氮素固定和转化的重要时期, 但该时期生物结皮如何影响驱动氨氧化转化的微生物群落动态尚未明确。因此, 我们利用荧光定量PCR (fluorescent quantitative PCR, qPCR)方法分析融雪期生物结皮与去除结皮不同土层(0-2, 2-5, 5-10和10-20 cm)氨氧化菌群丰度特征, 结合潜在硝化速率和土壤理化参数, 探究融雪期生物结皮对荒漠土壤氮素转化作用。结果表明: 氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)是古尔班通古特沙漠土壤优势氨氧化菌, 生物结皮对0-2 cm层土壤中AOA、氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB) amoA基因丰度具有显著抑制作用(P < 0.01), 对10-20 cm层土壤中AOA amoA基因丰度具有显著促进作用(P < 0.01)。冗余分析(redundancy analysis, RDA)表明, AOA、AOB amoA基因丰度主要受土壤含水量和铵态氮含量的影响, 占总条件效应的54.90%。氨氧化速率分析发现, 去除生物结皮显著降低古尔班通古特沙漠土壤硝化作用潜力(P < 0.001), 证实生物结皮对荒漠土壤氮素转化具有重要的调控作用。综上所述, 古尔班通古特沙漠氨氧化微生物的分布规律受环境因子调控, 特别是生物结皮可以通过调节土壤含水量和铵态氮含量影响AOA和AOB的空间生态位分化, 促进沙漠土壤的硝化作用。     

变性梯度凝胶电泳法研究我国不同土壤氨氧化细菌群落组成及活性

实验选用了我国3种不同土壤研究土壤硝化活性、硝化细菌数量,并使用变性梯度凝胶电泳(DGGE)的方法研究了不同土壤中氨氧化细菌(AOB)区系变化。通过28d的土壤培养实验研究发现,潮土具有最强的硝化势,几乎100%的铵态氮转化为硝态氮;而红壤中的硝化势最弱,只有4.9%的铵态氮转化为硝态氮。对这3种土壤硝化细菌进行计数发现,3种土壤氨氧化菌数量差异显著,而3种土壤亚硝酸氧化菌(NOB)处于一个数量级。采用氨氧化菌功能基因amoA(氨单加氧酶ammoniamonooxygenase)特异PCR结合DGGE的方法对土壤氨氧化菌区系进行分析。红壤有4个氨氧化菌种属,与潮土和黄泥土没有共同的氨氧化菌种属。4个种属中两个是与潮土和黄泥土亲源性比较远的,特有的氨氧化菌种属,这两个种属与已知的Nitrosospira属的cluster3bz97838和Nitrosospira属的cluster3aAF353263亲源性比较近。潮土有5个氨氧化菌种属,潮土与黄泥土有两个共同的氨氧化菌种属,这两个种属中的一个是潮土和黄泥土特有的,与其他氨氧化菌种属亲源性比较远的氨氧化菌种属,这个种属与已知的Nitrosospira属的cluster3bZ97849亲源性比较近。黄泥土有4个氨氧化菌种属,除了与潮土共有的一个种属是两种土壤特有的氨氧化菌种属外,黄泥土还有一个与其他氨氧化菌种属亲源性比较远的,黄泥土特有的种属,与Nitrosospira属的cluster3aAF353263亲源性很近。3种土壤中分离到的硝化细菌表现出不同的硝化能力。实验结果表明,以amoA基因为目标的PCR-DGGE是比以16SrDNA为目标的PCR-DGGE更有效的研究氨氧化菌种群的方法;3种土壤的氨氧化菌种群差异显著,尤其是红壤的氨氧化菌种群与另外两种土壤差异明显,这种差异可能与红壤的低pH条件对氨氧化菌种群的长期选择有关;3种土壤中的硝化活性与土壤中的硝化细菌数量没有显著相关,可能由于3种土壤差异显著的土壤环境对硝化活性的影响造成。因此在对不同土壤硝化细菌进行研究时不仅需要对硝化细菌数量进行研究,还需要研究不同土壤中硝化细菌的种属及不同土壤环境条件对硝化细菌硝化活性的影响。     

微生物的硝化作用和反硝化作用

微生物在自然界中大量存在、广泛分布.它们当中有些能将无机物转变成有机物,而有些却能分解有机物成无机物.大自然中正因为有这些微生物的存在而保持了物质的平衡,其中微生物的硝化作用和反硝化作用,在自然界氮循环中起着重要作用. (一)硝化作用 1.硝化作用的含义在亚硝化细菌和硝化细菌的作用下,氨被氧化成硝酸的过程称为细菌的硝化作用.至今仍未发现有一类菌能直接将氨转变成硝酸,而是必须通过两类菌的共同作用,才能完成这一过程.所以说硝化过程包括两个阶段: 第一阶段,在亚硝化细菌的作用下,氨被氧     

限氧自养硝化-反硝化生物脱氮新技术

限氧自养硝化—反硝化是部分硝化与厌氧氨氧化相耦联的生物脱氮反应过程,通过严格控制溶解氧在0．1～0．3mg·L^-1,实现硝化反应控制在亚硝酸阶段,然后以硝化阶段剩余的NH4^+作为电子供体,在厌氧条件下实现反硝化,该反应过程是完全的自养硝化—反硝化过程,具有能耗低、脱氮效率高、反应系统占地面积小等优点,适用于处理COD／NH4^+—N低的废水,是一种非常有应用前景的生物脱氮技术,文中详细介绍了限氧自养硝化—反硝化生物脱氮反应过程的研究进展,讨论了其微生物学机理及应用前景。     

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.     

四年O3熏气对小麦根际土壤氮素微生物转化的影响

采用开顶箱（open top chambers,OTC） 法设置3个臭氧浓度梯度,连续4a对小麦生长季土壤进行臭氧增加试验。测定小麦拔节、孕穗、抽穗、灌浆和成熟期的根际土壤微生物量氮、氨氧化细菌、反硝化细菌数量以及硝化和反硝化强度。结果显示微生物量氮、氨氧化细菌数量和硝化强度随小麦生育进程的推进,呈先升高后降低的趋势,4a变化趋势相同。O₃胁迫下,小麦根际微生物量氮、氨氧化细菌数量、硝化强度亦降低,与对照比较,均达显著水平（P < 0.05）;随O₃作用年限增加,抑制效应越强,第4年 O₃对其的抑制率显著高于第1年的抑制率。反硝化细菌数量在前期没有显著变化,成熟期则增加两个数量级,O₃显著促进成熟期反硝化细菌数量增加。4a试验有相同的变化趋势。在较短时间里O₃对土壤反硝化强度没有显著影响,而作用3个生长季后,反硝化强度显著升高。结果说明,O₃浓度升高降低了麦田土壤微生物量氮、氨氧化细菌数量和硝化强度,并有一定的积累效应。O₃剂量和作用时间的累积量达到一定阈值,显著增加土壤反硝化细菌数量和反硝化强度,增加麦田土壤N₂O排放的风险。土壤氮素微生物转化受小麦生长发育状况和O₃剂量、作用时间的共同影响,不同形态的氮素对O₃的敏感阈值不同,响应的时间和变化的范围有差异。     

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.     

氨氧化古菌及其在氮循环中的重要作用

氨氧化作用作为硝化过程的第一步,是氮素生物地球化学循环的关键步骤.长期以来,变形菌纲卢和',亚群中的氨氧化细菌一直被认为是氨氧化作用的主要承担者.然而,近年来研究发现氨氧化古菌广泛存在于各种生态系统中,并且在数量上占明显优势,在氮素生物地球化学循环中起着非常重要的作用.本文概述了氨氧化古菌的形态、生理生态特性及其系统发育特征,对比分析了氨氧化古菌和氨氧化细菌的氨单加氧酶及其编码基因的异同,综述了氨氧化古菌在水生和陆地等生态系统氮素循环中的作用,同时就氨氧化古菌在应用生态和环境保护领域今后的研究重点进行了展望.     

硝化作用研究的新发现:单步硝化作用与全程氨氧化微生物

硝化作用是氨被微生物氧化为硝酸盐的过程,分别由氨氧化微生物(AOB和AOA)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)主导完成.一个世纪以来,我们把这个分步硝化过程当成唯一的硝化途径来学习和研究.虽然根据动力学理论推测,环境中应该存在单步硝化作用,即由一种微生物单独完成整个硝化过程,将NH₃氧化为NO₃^-,但一直没有研究能直接证明该种微生物的存在.直到2015年底,3个科研团队分别在不同环境中发现了3种不同的经过纯培养的细菌(Candidatus Nitrospira nitrosa、Candidatus Nitrospira nitrificans和Candidatus Nitrospira inopinata)和一种未经过纯培养的细菌(类Nitrospira),它们都具备单独将氨氧化为硝酸盐的能力,这些微生物被定义为全程氨氧化微生物(Comammox).单步硝化作用和全程氨氧化微生物的发现终结了传承百年的理论,并引发了众多关于全球氮素循环的重要科学问题,如这些微生物在环境中的生态位点及其在硝化作用中的相对贡献等.本文就单步硝化作用及全程氨氧化微生物的发现作了简要概述.     

中试厌氧氨氧化反应器的启动与调控

研究了中试厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation,Anammox)反应器的启动性能。结果表明,以硝化反硝化污泥、短程硝化污泥、厌氧絮体污泥和厌氧颗粒污泥混合接种,经过255d的运行,可在常温下(5oC～27oC)成功启动中试Anammox反应器,反应器的基质氮去除速率可达1.30kg/(m3·d)。厌氧氨氧化是致碱反应,厌氧氨氧化成为反应器内的主导反应后,进水pH宜控制在厌氧氨氧化适宜范围的偏低水平(6.8左右)。亚硝酸盐既是Anammox菌的基质,也是抑制剂,控制进水亚硝酸盐浓度(13～36mg/L)有助于厌氧氨氧化反应。菌种是生物反应器的功能之源,向中试装置投加少量厌氧氨氧化污泥(投加比2%),可大大加速中试Anammox反应器的启动进程。     

乙炔抑制法在硝化与反硝化过程中的应用

硝化和反硝化作用在土壤氮素循环中扮演重要作用,由于硝化和反硝化作用一方面能够导致土壤中氮素的损失,另一方面能够产生温室气体-N2O,所以硝化和反硝化作用的研究备受关注.乙炔抑制法能同时测定硝化和反硝化作用,在硝化和反硝化作用中有着重要的应用.该文主要论述了乙炔抑制法的研究进展;以及对应用乙炔气体时存在的一些问题进行了综述.