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.     

厌氧氨氧化菌混培物生长及代谢动力学研究1

研究了厌氧氨氧化菌混培物的动力学特性。测得细胞产率系数1.573mgVS(mmol NH⁺₄)^-1;细胞衰减常数0.052mgVS(g·VS·d)^-1。厌氧氨氧化菌混培物的最大氨氧化速率1.320～2.761mmol(gVS·d)^-1,最大亚硝酸盐转化(反硝化)速率14.497mmol(gVS·d)^-1。厌氧氨氧化菌混培物利用氨的Km值1.801～4.215mmol·L^-1,利用亚硝酸盐的Km值0.468mmol·L^-1。氨自身的抑制常数38.018～98.465mmol·L^-1,实际最大氨氧化速率的氨浓度16.656mmol·L^-1。亚硝酸盐对厌氧氨氧化的抑制常数5.401～11.995mmol·L^-1。厌氧氨氧化的最适pH7.605。厌氧氨氧化的最适温度30℃。V_maxa、K_ma、K_ia和K_in的活化能依次为37.316、30.239、33.695和30473kJ·mol^-1。     

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。     

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。     

厌氧氨氧化菌混培物生长及代谢动力学研究

研究了厌氧氨氧化菌混培物的动力学特性.测得细胞产率系数1.573mgVS(mmolNH4+)-1;细胞衰减常数0.052mgVS(g@VS@d)-1.厌氧氨氧化菌混培物的最大氨氧化速率1.320～2.761mmol(gVS@d)-1,最大亚硝酸盐转化(反硝化)速率14.497mmol(gVS@d)-1.厌氧氨氧化菌混培物利用氨的Km值1.801～4.215mmol@L-1,利用亚硝酸盐的Km值0.468mmol@L-1.氨自身的抑制常数38.018～98.465mmol@L,实际最大氨氧化速率的氨浓度16.656mmol@L-1.亚硝酸盐对厌氧氨氧化的抑制常数5.401～11.995mmol@L-1.厌氧氨氧化的最适pH7.605.厌氧氨氧化的最适温度30℃.Vmaxa、Kma、Kia和Kin的活化能依次为37.316、30.239、33.695和30.473kJ@mol-1.     

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。     

生物脱氮新工艺研究进展*

废水生物脱氮已经成为水污染控制的一个重要研究方向。传统的生物脱氮采用的是硝化 反硝化工艺 ,但存在很多问题。最近的一些研究表明 :生物脱氮过程中出现了一些超出人们传统认识的新现象 ,为水处理工作者设计处理工艺提供了新的理论和思路。现就这一领域的研究进展作一综述。     

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.     

高效反硝化菌aHD7的筛分、脱氮特性及厌氧氨氧化性

从活性污泥中筛选出一株高效反硝化菌aHD7,30℃静置培养3d,脱氮率可达91.7％,且反应过程中亚硝酸盐积累量较低,3d后亚硝酸盐氮浓度基本稳定在1.8mg.L-1.显微镜观察显示,菌株为革兰氏阴性杆菌,大小为0.5 μm×(1.5～2.5) μm.通过生理生化特性及16S rDNA同源性分析,初步推断该菌株为门多萨假单胞菌(Pseudomonas mendocina).考察了碳源、C/N、氮初始浓度、pH等因素对菌株反硝化性能的影响.结果表明:对中低浓度硝酸盐(硝酸盐氮浓度≤276.95 mg.L-1),脱氮率接近100％,硝酸盐氮浓度高达553.59 mg·L-1时,脱氮率可达66.8％,且亚硝酸盐积累量甚微;最适碳源为乙醇;C/N为6～8和偏中性条件有利于反硝化反应.aHD7具有较强的厌氧氨氧化性,平均氨利用率达4.56 mg·L-1·d-1.     

不同放牧对滇西北高原泥炭沼泽土壤氨氧化微生物群落的影响

氨氧化由氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)共同执行,是土壤硝化过程的第一步和限速步骤。放牧过程中,动物啃食、排泄和践踏等行为将影响土壤氨氧化微生物群落,但目前关于不同类型放牧对湿地氨氧化微生物群落结构及其多样性的影响尚不清楚。利用Illumina Mise高通量测序技术,对比研究牦牛放牧和藏香猪放养两种放牧类型对泥炭沼泽土壤氨氧化微生物群落结构及其多样性的影响。结果表明,牦牛放牧显著增加土壤容重,显著降低土壤pH、TN、TOC、NH⁺₄-N和NO^-₃-N含量;藏香猪放养显著增加土壤NO^-₃-N含量和硝化潜势(PNR)。牦牛放牧显著降低土壤AOA的丰富度和AOB的α多样性,藏香猪放养降低土壤AOA的α多样性和AOB的丰富度。放牧显著降低泉古菌门(Crenarchaeota)的相对丰度。AOA的α多样性与土壤NO^-₃-N含量和PNR呈显著负相关。AOB的α多样性与pH、TOC、TN和NH⁺     

科尔沁沙地四种固沙植物群落土壤微生物生物量及酶活性的季节动态

为探讨科尔沁沙地不同人工固沙植物群落土壤微生物生物量、土壤酶活性的季节动态规律,选取25年生小叶锦鸡儿、山竹岩黄蓍、差巴嘎蒿、樟子松群落为对象,研究了固沙植物群落0～30cm土壤蛋白酶、脲酶、蔗糖酶、磷酸单酯酶、多酚氧化酶、硝酸还原酶、脱氢酶7种酶活性和微生物生物量C、N、P不同季节的变化特征。结果表明,4种人工植物群落土壤7种酶活性有明显的季节性变化,均表现为春季开始逐渐升高,到夏季植物旺盛时逐渐达到最大值,秋冬季达到最低值。微生物生物量C、N的动态变化与土壤酶活性的变化规律相同,而土壤微生物量P的季节变化则表现为春季>夏季>秋季,这些变化在0～10cm土层更为显著。7种土壤酶活性和微生物生物量最高值均出现在土壤表层(0～10cm),随着土层的加深生物活性逐渐降低。小叶锦鸡儿群落土壤微生物生物量和7种酶活性均高于其他3种植物群落。     

秸秆颗粒还田对黑土土壤酶活性及细菌群落的影响

为探讨不同玉米秸秆颗粒还田量对黑土生物学特性及细菌群落的影响,在内蒙古兴安盟扎赉特旗农业科技示范园试验地设置秸秆0%还田,还田量0kg/hm^2(CK)、秸秆60%还田,还田量4500kg/hm^2(JG1)、秸秆70%还田,5250kg/hm^2(JG2)、秸秆80%还田,6000kg/hm^2(JG3)、秸秆90%还田,6750kg/hm^2(JG4)和秸秆100%还田,7500kg/hm^2(JG5)6个处理,通过连续2年大田试验,研究土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性、微生物生物量碳氮以及细菌群落的变化。结果表明:秸秆还田能够增加土壤蔗糖酶(3.29%—32.12%),脲酶(5.32%—52.66%),过氧化氢酶(0.60%—27.11%),碱性磷酸酶的活性(10.89%—64.20%),土壤微生物生物量碳(1.32%—7.07%)、氮(16.35%—80.46%)含量;秸秆施入土壤也提高了黑土变形菌门和厚壁菌门相对丰度,提高了土壤固氮、分解养分及抵御病害能力,并降低了放线菌门相对丰度,降低了土壤病害发生概率,还出现了具有固氮、吸磷、改良土壤特性的新细菌,可见玉米秸秆还田具有重要的生态学意义,可在一定程度上增加细菌数量和种类多样性,进而使土壤系统向稳定健康的方向发展。综合研究结果在本试验条件下,以6750kg/hm^2为较适宜的玉米秸秆颗粒还田量。     

黄土高原水蚀风蚀交错区藓结皮对土壤酶活性的影响

以黄土高原水蚀风蚀交错区黄绵土和风沙土上发育30年的典型藓结皮为对象,分6层采集0～12 cm土层土样,研究了藓结皮对不同土层4种水解酶活性的影响及其与土壤养分的关系.结果表明: 与无结皮相比,黄绵土藓结皮的脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性分别提升了2.4、7.6、20.7、2.4倍,而风沙土藓结皮的这4种水解酶活性分别提升了3.5、22.2、22.3、2.0倍;黄绵土和风沙土藓结皮的体积含水量分别降低了6.5%和0.8%,温度分别降低了0.8和2.5 ℃;黄绵土藓结皮的有机质、碱解氮和速效磷含量分别提升了2.5、2.9和3.6倍,风沙土分别提升了3.6、3.0和6.6倍.4种水解酶的活性与土壤养分含量呈显著正相关,与土壤含水量呈显著负相关;而土壤温度与脲酶活性呈显著正相关,与蛋白酶活性呈显著负相关.黄土高原水蚀风蚀交错区2种土壤藓结皮均能显著提升水解酶活性,这是藓结皮加速土壤养分周转的重要因素;通过改变土壤含水量和温度等酶促反应条件间接影响酶活性,是藓结皮促进土壤酶活性的重要途径.     

短期放牧对草甸草原土壤微生物与土壤酶活性的影响

【目的】为呼伦贝尔草甸草原生态系统的保护、恢复及重建提供微生物学基础数据。了解草原土壤微生物和酶活性对放牧强度的响应。【方法】分别采集六个不同放牧强度的土壤样品,测定土壤微生物数量、土壤微生物量和土壤酶活性,分析短时期不同放牧强度土壤微生物数量、土壤微生物量和土壤酶活性的变化特征及其相互关系。【结果】不同放牧强度下,菌群数量分布为细菌>放线菌>真菌;土壤微生物数量、微生物量均表现为放牧区高于对照区;在土壤表层(0 10 cm),土壤过氧化氢酶、转化酶和蛋白酶活性表现出随放牧强度的增加先上升后略降的趋势,且放牧区均高于对照区,与土壤表层比较,在较深层(10 cm 20 cm),土壤细菌、真菌的数量和微生物量碳、氮下降幅度随放牧强度的增大而增大。土壤微生物数量、微生物量及土壤酶活性的垂直分布为0 10 cm>10 cm 20 cm。相关分析结果表明:放牧干扰条件下,土壤微生物数量与微生物量之间均存在显著或极显著的相关性。土壤酶活性与微生物数量、微生物量密切相关,过氧化氢酶、转化酶与细菌、放线菌极显著相关(P<0.01)、与微生物量碳显著相关(P<0.05);蛋白酶与真菌及微生物量碳、氮极显著相关(P<0.01),与细菌显著相关(P<0.05)。【结论】适度放牧可使土壤微生物数量、微生物量和土壤酶活性增加。土壤微生物数量、微生物量与土壤酶活性之间具有密切关系。     

科尔沁沙质草地沙漠化过程中土壤生物活性的变化

选择相邻地段的固定沙丘、半固定沙丘和流动沙丘为对象,研究了科尔沁西部沙质草地沙漠化过程中土壤微生物量、土壤酶活性和土壤养分的变化特征以及三者之间的相关关系.结果表明:土壤养分含量、土壤酶活性和微生物量均随土壤深度的增加而逐渐降低;沙漠化过程中土壤养分严重丧失,土壤微生物量碳、氮、磷,以及土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、磷酸单酯酶、脱氢酶、多酚氧化酶和硝酸还原酶的活性均随沙漠化程度的加剧而大幅度下降;土壤生物活性对土壤沙漠化比较敏感,在固定沙丘到半固定沙丘的转化过程中土壤生物活性下降最快;土壤微生物量、土壤酶活性以及土壤养分之间均存在显著的相关关系.     

生物炭及炭基硝酸铵对土壤微生物量碳、氮及酶活性的影响

以小麦-玉米轮作交替种植下的田间试验为平台,探讨施用生物炭及3种炭基硝酸铵氮肥对土壤主要化学肥力因子、土壤微生物量碳、氮和酶活性的影响。田间试验共设6个处理,依次为:对照(施磷、钾肥,CK);生物炭(BC);硝酸铵氮肥(AN);掺混型生物炭基氮肥(CH);固-液吸附型生物炭基氮肥(XF);化学反应型生物炭基氮肥(FY)。结果表明,生物炭及3种生物炭基氮肥均显著提高土壤有机碳含量,并有效降低了有效磷和速效钾的含量。与CK处理相比较,CH、BC处理的土壤微生物量碳含量分别增加了22.10%、17.45%,而AN、XF、FY 3个处理则分别减少了9.09%、10.86%、1.46%;不同施肥处理土壤微生物量氮较CK均有增加,且BC、XF处理差异达显著水平,BC处理的增幅最大,达66.53%,XF处理的增幅次之,达到了62.78%,AN处理的增幅最小,为24.86%。与CK处理比较而言,FY、XF、CH均增加土壤蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶活性,且增加效应均依次减弱,FY、XF处理均增加碱性磷酸酶活性,而CH处理降低了碱性磷酸酶活性。FY、XF、CH较CK处理均可显著增加小麦产量,增产率分别为36.61%、22.58%、20.72%,且增产效果依次减弱。     

生物质调理剂对川西北高寒草地沙化土壤养分和微生物群落特征的影响

将农牧废弃物进行资源化处置制成生物质调理剂,用于沙化土壤改良是目前川西北沙化草地生态治理的有效途径之一.为了阐明不同原料调理剂在川西北高寒沙化草地上的实际应用效果,本研究以不施用调理剂为对照(CK),设置施用量均为12 t·hm-2的菌渣(JZ)、秸秆(JG)和生物炭(SWT)3种调理剂,分析了调理剂施用对土壤养分和微...     

三峡库区不同林龄马尾松土壤养分与酶活性的关系

基于对三峡库区不同林龄马尾松林下土壤养分和酶活性的测定及典范对应分析,探讨了不同林龄马尾松林土壤养分、酶活性特征及其相互关系.结果表明:马尾松林0 ～ 20 cm土壤有机质、总氮、铵态氮和有效磷含量均表现出成熟林＞中龄林＞近熟林;随着林龄的增加,土壤转化酶活性先降低后增加,纤维素酶、多酚氧化酶活性逐渐降低,而脲酶和过氧化物酶活性先增加后降低.经典范对应分析,不同林分中主要土壤养分对酶活性的影响顺序为总氮＞有机质＞pH＞容重＞铵态氮＞有效磷,转化酶与土壤有机质、总氮、总磷呈显著正相关,过氧化物酶与有机质、总氮、总磷、容重呈显著负相关,土壤主要养分含量高,转化酶活性较高,过氧化物酶活性相对较低.转化酶、纤维素酶和过氧化物酶是评价土壤质量及肥力较好的生物学指标.     

模拟降雨变化对古尔班通古特沙漠土壤养分及酶活性的影响

土壤酶参与土壤系统的养分循环过程,是联系植物和土壤养分的关键纽带。土壤酶活性对降水格局变化响应敏感,这种响应对于缺水且养分贫瘠的荒漠生态系统显得尤为重要。然而,早春积雪完全融化后首次降雨时间及降雨量如何影响土壤养分及土壤酶活性还鲜见相关报道。以新疆古尔班通古特沙漠为研究区,在早春积雪完全融化后,设置3个首次降雨时间(积雪完全融化后第10天、20天和30天)和3个降雨梯度(5 mm、10 mm和15 mm),于植物生长旺季采集土壤样品,研究土壤养分含量和土壤酶活性的响应特征。结果表明：积雪完全融化后不同首次降雨时间下5mm降雨处理以及积雪完全融化后第30天下各降雨量处理对土壤养分和酶活性影响不显著。积雪完全融化后第10天,随降雨量增加,土壤全碳呈显著先下降后增加趋势,全钾呈显著增加趋势,而土壤微生物量碳呈显著降低趋势;积雪完全融化后第20天,随降雨量增加,速效氮、土壤蔗糖酶活性、土壤微生物量碳氮呈先下降后增加趋势,土壤全碳和多酚氧化酶活性显著下降,土壤全钾和碱性磷酸酶活性显著增加。模拟10 mm降雨,随首次降雨时间推迟,土壤全氮、速效氮、速效磷、土壤蔗糖酶活性和土壤微生物量碳呈增加趋势;...     

免耕与留茬对土壤微生物量C、N及酶活性的影响

2005～2008年在内蒙古呼和浩特市清水河县进行定位试验,设免耕留低茬(NL)、免耕留高茬覆盖(NHS)和传统耕翻(T)3种耕作处理方式.结果表明:(1)免耕留高茬覆盖及免耕留低茬长期实施,能显著提高表层土壤有机质、全氮、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾含量,且免耕留高茬覆盖处理比传统耕翻分别提高了11%、41%、22%、15%、29%、27%、13%;在测定各个时期内,土壤各营养指标含量整体趋势为NHS＞NL＞T.(2)免耕留高茬覆盖及免耕留低茬耕作方式有利于提高土壤微生物量C、N含量,在各测定时期均以免耕留高茬覆盖处理的土壤微生物量C、N含量最高,传统耕翻最低.与传统耕翻相比,免耕留高茬覆盖处理土壤微生物量C、N含量分别平均提高了69%、43%;测定各个时期,不同处理土壤生物量C、N含量均以7月份含量最高、5月份次之、10月份最低.(3)免耕留高茬覆盖及免耕留低茬处理土壤碱性磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性和脲酶活性高于传统耕翻,整个测定期内免耕留高茬覆盖处理4种酶平均活性,分别较传统耕翻增加了57%、82%、93%和25%;春季土壤酶活性开始增强,在7月份蔗糖酶、过氧化氢酶和脲酶活性达到最大值,而碱性磷酸酶的峰值出现在6月份.土壤微生物量C、N及土壤酶活性是评价土壤质量的重要因子.