厌氧氨氧化菌的研究进展

厌氧氨氧化技术是一种新型生物脱氮技术,在废水处理中具有广泛的应用前途,对全球海洋的氮循环起着重要作用。由于反应中不需另加有机物、不消耗氧气、不会产生二次污染等优点,厌氧氨氧化技术受到格外关注。通常认为,厌氧氨氧化的机理在于厌氧氨氧化菌使氨和亚硝酸反应生成氮气。通过16SrRNA分子生物学方法已鉴定出该菌群属于分枝很深的浮霉菌,由于至今未能成功分离到纯的菌株,未正式命名,对其微生态环境以及生理生化特征也未能取得一致的意见。本文综述了国内外对厌氧氨氧化微生物的作用、分布、种类、生理生化特征等研究进展,认为厌氧氨氧化菌的分离纯化、生物特性、小生境等是今后的主要研究方向。     

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。     

脱氮微生物及脱氮工艺研究进展

脱氮是大部分污水处理系统中不可缺少的一环。由于具有经济高效、工艺简单和无二次污染等显著优势,生物脱氮工艺在最近数十年中备受关注。根据脱氮微生物的生理特性和脱氮机制不同,文中分类综述了近年来生物脱氮工艺的研究进展,重点对比分析了硝化菌、反硝化菌和厌氧氨氧化菌以及以这些菌为基础的不同生物脱氮工艺的优缺点,为复杂污水环境的脱氮工艺选择提供参考。基于微生物脱氮机制,通过合成生物学技术开发高效脱氮菌株,结合不同工艺优点并应用自动化模拟最佳条件,从而建立经济高效的脱氮工艺将是未来发展的重要方向。     

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。     

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。     

硝酸盐型厌氧铁氧化菌的种类、分布和特性

硝酸盐型厌氧铁氧化(NAFO)是指微生物在厌氧条件下利用硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体,将低价铁(二价铁或零价铁)氧化为高价铁(三价铁)的过程。具有NAFO代谢能力的微生物称为硝酸盐型厌氧铁氧化菌(NAFOM)。NAFO是微生物领域的重大发现,也是环境领域开发新型脱氮技术和地学领域研究铁、氮循环的理论依据。整理文献报道的NAFOM资料,分析NAFOM系统发育性状,探讨典型NAFOM的生态分布及其营养、代谢特性,以期为NAFOM菌种资源的开发、地球铁素和氮素循环的研究、NAFO过程的优化提供借鉴。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

河流沉积物氮循环主要微生物的生态特征

微生物驱动的氮循环过程是全球生物地球化学循环的重要组成部分,由于人类活动的影响,氮循环负荷加剧,氮素的生态平衡和微生物的功能特征也相应地受到干扰。河流生态系统是陆地与海洋联系的纽带,因人类活动过量活性氮的输入导致水体富营养化,明显影响着河流的生态功能以及河口沿岸海洋生态系统的平衡。富含微生物的沉积物对氮素的转化和去除起着至关重要的作用。本文主要介绍河流沉积物氮循环主要功能微生物,包括氨氧化细菌、氨氧化古菌、亚硝酸盐氧化菌、反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌的群落特征和生态功能,总结氮相关营养盐、溶氧和季节变化等环境因子,以及河道控制管理措施和污水处理厂扰动等条件下氮循环过程主要功能类群的生态特征和响应关系。指出还需深入全面地研究河流沉积物生态系统氮循环过程的驱动机制和微生物的贡献效率,加强城市河流沉积物微生物功能作用的研究及河道生物修复技术的开发。     

从典型硝化细菌到全程氨氧化微生物：发现及研究进展

生物硝化过程在全球氮循环中起关键性作用,被认为由氨氮氧化成亚硝酸盐和亚硝酸盐氧化成硝酸盐两个步骤组成,分别由氨氧化微生物(Ammonia oxidizing microorganisms,AOM)和硝化细菌(Nitrite oxidizing bacteria,NOB)催化完成。AOM包括氨氧化细菌(Ammonia oxidizing bacteria,AOB)和氨氧化古菌(Ammonia oxidizing archaea,AOA),AOB与AOA分布广泛,两者的相对丰度和氨氮浓度密切相关。2015年底,3个硝化螺菌属(Nitrospira)谱系Ⅱ的NOB被证实含有AOM的特征功能酶,包括氨单加氧酶(AMO)和羟胺脱氢酶(HAO),并证明NOB同时具有氨氧化和亚硝酸盐氧化的能力,命名为全程氨氧化微生物(Complete ammonia oxidizer,Comammox)。根据AMO的α亚基基因amoA的相似性将Comammox分为两大分支clade A和clade B。它们广泛分布于自然环境和人工系统,包括土壤(稻田、森林)、淡水(湿地、河流、湖泊沉积物、蓄水层)、污水处理厂和自来水厂等。本文综述了Comammox的发现及其最新的研究进展,并展望了Comammox作为氮循环关键功能菌群的研究方向和应用前景。     

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。     

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。     

反硝化聚磷菌及其脱氮除磷机理研究进展

水体富营养化是当前水环境保护工作的重点关注问题,微生物修复富营养化水体具有高效、低耗且不产生二次污染等特点,已经成为富营养化水体生态修复的一种重要方式。近年来,对反硝化聚磷菌的研究及其在污水处理工艺中的应用越来越广泛。不同于传统的反硝化细菌联合聚磷菌去除氮磷工艺,反硝化聚磷菌在交替厌氧、缺氧/好氧条件下能同时进行脱氮除磷而被广泛关注与研究。值得注意的是,近几年报道的部分微生物仅在好氧条件下就可进行同时脱氮除磷,但是其脱氮除磷机理仍未理清。基于此,文中总结了目前发现的反硝化聚磷菌和同时硝化反硝化聚磷微生物的种类及特点,并对其脱氮与除磷的关系及其机理进行了系统性分析,对目前反硝化除磷存在的问题进行了梳理,最后对今后的研究方向进行了展望,以期为完善反硝化聚磷菌的脱氮除磷机理及工艺改进提供参考。     

粉粒氨氮和水分影响浮霉菌门群落的空间分化

【背景】来自浮霉菌门(Planctomycetes)的厌氧氨氧化菌是高氨污染系统安全脱氮的生态友好型微生物,但关于特定生态梯度下Planctomycetes群落结构功能的空间分化以及驱动分化的主要环境因子等问题尚未引起关注。【目的】阐明Planctomycetes群落结构空间分化及影响其分化的主要环境因子。【方法】运用16S rRNA基因高通量测序手段检测温带半干旱区河流系统砂质及粉质沉积物、粉砂质及粉质土壤Planctomycetes群落结构的空间分布变化,统计学方法分析粉粒等理化因子对Planctomycetes群落结构功能分化的影响。【结果】OM190_ub_oo. o1种群主要分布在寡营养的砂质沉积物中,仅由砂粒正向驱动;OM190_ooo. o2和SM1A02. ub5种群主要分布在中营养的粉砂质土壤中,由水分和pH等正向驱动;AKYG587.ub3、Pla4_lineage_oo...     

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化及其功能微生物研究进展

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化（nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO）是耦合氮循环和碳循环的关键环节,主要是由亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化菌（Candidatus Methylomirabilis oxyfera）介导完成,对于研究全球氮和碳元素的生物地球化学循环具有重要意义。本文首先总结了国内外N-DAMO的影响因素和在不同自然生态系统中的分布;然后阐述了N-DAMO菌的生理生化特性及其富集培养优化实验和检测技术,最后探讨了N-DAMO技术的应用现状。本综述不仅有助于揭示全球碳氮循环的耦合作用机制,也为N-DAMO反应耦合其他厌氧生物处理过程应用到污水的除碳脱氮上提供了理论依据。     

Fully coupled activated sludge model (FCASM): Model development

A sub-microscopic mechanism model named Fully Coupled Activated Sludge Model (FCASM) about biological nutrient removal in the wastewater treatment process was developed in the present study. The functional organisms existing simultaneously in the activated sludge system were separated into eight groups, including aerobic heterotrophic organisms, nitrite reducing organisms, nitrate reducing organisms, ammonium oxidizing autotrophs, nitrite oxidizing autotrophs, non-denitrifying phosphorus-accumulating organisms (PAOs), denitrifying phosphorus-accumulating bacteria (DPB), and glycogen-accumulating organisms (GAOs). In FCASM, the interaction relationships of the eight functional microorganisms were taken fully into account. FCASM could model biological nitrogen removal via nitrite by splitting nitrification process and denitrification process into two-step reactions, and the autotrophs and denitrifying organisms were divided into two groups, respectively. What’s important, FCASM included the anaerobic maintenance processes of sequential utilization of polyphosphate followed by glycogen for PAOs and DPB and glycolysis of the intracellular stored glycogen for GAOs.     

The microbial nitrogen cycle

This special issue highlights several recent discoveries in the microbial nitrogen cycle including the diversity of nitrogen-fixing bacteria in special habitats, distribution and contribution of aerobic ammonium oxidation by bacteria and crenarchaea in various aquatic and terrestrial ecosystems, regulation of metabolism in nitrifying bacteria, the molecular diversity of denitrifying microorganisms and their enzymes, the functional diversity of freshwater and marine anammox bacteria, the physiology of nitrite-dependent anaerobic methane oxidation and the degradation of recalcitrant organic nitrogen compounds. Simultaneously the articles in this issue show that many questions still need to be addressed, and that the microbes involved in catalyzing the nitrogen conversions still harbour many secrets that need to be disclosed to fully understand the biogeochemical nitrogen cycle, and make future predictions and global modelling possible.