硝酸盐呼吸和厌氧氨氧化的机制及其应用研究进展

硝酸盐呼吸过程广泛存在于厌氧及兼性厌氧菌中.当硝酸盐存在时,微生物在微氧或缺氧条件下,以硝酸盐作为电子受体,与电子传递呼吸链过程相耦合,产生能量并用于维持细胞的基本生命活动.硝酸盐的呼吸过程对污水处理、土壤氮保持、微生物氮循环具有重要作用,研究硝酸盐呼吸对环境保护具有重要意义.该文对反硝化作用、硝酸盐异化还原为铵这两种...     

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.     

真菌异化硝酸盐还原机理的研究进展

真菌异化硝酸盐还原途径的发现打破了反硝化仅存在于原核细胞这一传统观念。真菌异化硝酸盐还原途径是在环境中氧供给受限的情况下发生的, 包括反硝化和氨的发酵。硝酸盐能诱导产生反硝化作用的酶, 其中, 硝酸盐还原酶与亚硝酸还原酶位于线粒体中, 它们所催化的酶促反应能偶联呼吸链ATP合成酶合成ATP, 同时产生NO。与参与反硝化作用前两个酶不同, 真菌NO还原酶能以NADH为直接电子供体将NO还原为N2O, 在NAD+的再生和自由基NO的脱毒中起着重要作用。氨发酵则将硝酸盐还原成NH4+, 同时偶联乙酸的生成和底物水平磷酸化。此文从参与该过程的关键酶、关键酶的表达调节、真菌与细菌异化硝酸盐还原的比较等角度综述了真菌异化硝酸盐还原的最新研究进展。     

一株耐盐的卓贝儿氏菌(Zobellella sp.)的分离鉴定及其硝酸盐还原能力

【背景】好氧反硝化是指在有氧条件下进行反硝化作用,使得硝化和反硝化过程能够在同一反应器中同时发生,是废水脱氮最具竞争力的技术。红树林湿地中蕴藏着丰富的微生物资源,分布着大量好氧反硝化微生物。【目的】了解耐盐微生物的脱氮机制,为含盐废水生物脱氮的工程实践提供理论依据,对一株分离于红树林湿地中的耐盐好氧细菌A63的硝酸盐异化还原能力进行分析。【方法】利用形态学特征及16S rRNA基因序列测定分析,对其种属进行了鉴定,采用单因子实验测定该菌在不同环境因子下的硝酸盐还原能力,并对其反硝化脱氮条件进行了优化。【结果】初步判定该菌株为卓贝儿氏菌(Zobellellasp.),其能在盐度0%-10%、pH5.0-10.0、温度20-40°C范围内进行反硝化脱氮和硝酸盐异化还原为氨(dissimilatorynitratereductiontoammonium,DNRA)作用。菌株A63最适生长碳源为柠檬酸钠(1.2 g/L),适宜脱氮盐度为3%、pH 7.0-7.5、温度30-35°C,且C/N为10。在最适脱氮条件下,该菌株12h内能将培养基中208.8mg/L硝态氮降至0,且仅有少量铵态氮生成...     

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。     

海洋氮循环过程及基于基因组代谢网络模型的预测

海洋氮循环在地球元素循环中充当着必不可少的角色。海洋氮循环是由一系列氧化还原反应构成的生物化学过程。固氮作用和氮同化作用为生态系统提供了生物可用氮(铵盐)。硝化作用可进一步将铵盐氧化为硝酸盐,硝酸盐又可以通过反硝化作用转化为氮气。整个氮循环实现了海洋中不同含氮无机盐间的转换。微生物是海洋氮循环的重要驱动者,海洋氮循环的研究可以帮助理解海洋生物与地球环境相互作用及协同演化的机制,从而更好地保护地球生态环境。随着氮循环关键微生物基因组尺度代谢网络模型的发表,研究者可以利用代谢网络模型来研究不同氮循环过程的效率、环境因子对氮循环过程的影响以及解析氮循环及生物网络的内在机理等,从而帮助人们更深入地研究海洋氮转化机制。本文主要综述了海洋氮循环过程中各个转化过程的主要微生物,以及基因组尺度代谢网络模型在分析氮循环中的应用。     

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。     

海洋最小含氧带氮流失过程与机制

对全球大洋氮循环的研究发现,大洋输入和输出的氮存在严重的不平衡,所固定的氮中有相当一部分被还原为N₂或N₂O从大洋中流失,而海洋最小含氧带(OMZ)被认为是发生氮流失的最主要区域,通过反硝化作用和厌氧氨氧化作用,固定氮在OMZ海区内损失量可达40～450 Tg·a^-1.对不同海区OMZ内固定氮损失的两种主要作用总结发现,异养反硝化作用在热带太平洋东部、阿拉伯海的OMZ内以及海洋沉积物内占有显著优势,在智利、秘鲁沿岸海域及阿拉伯海域也已发现自养反硝化作用的存在;而在黑海、非洲西南部的本格拉上升流、智利北部沿岸等地,厌氧氨氧化作用强烈,且其在陆架区的作用强度和面积要大于大洋区.OMZ氮的流失除受氮流失过程自身影响外,固氮作用、硝化作用、硝酸盐异化还原作用等都可能对OMZ海区内氮收支不平衡造成影响.其中固氮作用的影响最不能忽视,其在全球OMZ内固定的氮的总量可达15～40 Tg·a^-1,是对OMZ氮流失量的重要补充.区分反硝化作用和厌氧氨氧化作用对OMZ氮流失的相对贡献,明确氮流失的另一产物N₂O的形成机制和定量评估方法是当前OMZ氮流失研究中存在的最主要问题.本文针对存在问题提出了相应的研究设想,以期为海洋最小含氧带的研究提供参考.     

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。     

设施菜田与棚外粮田土壤菌群和反硝化气体产生的比较分析

【目的】对比设施菜田与棚外粮田土壤菌群以及N2O产生模式的差异。【方法】采用变性梯度凝胶电泳(DGGE)和反硝化功能基因(nirS,nosZ)方法分别比较两种土壤细菌群落以及功能基因类群丰度的差异,利用自动连续在线培养监测体系(Robot系统)测定两种土壤在好氧、厌氧阶段N2O等反硝化相关气态产物产生模式,分析N2O/(N2+N2O+NO)产物比。【结果】设施菜田与棚外粮田具有不同的土壤细菌群落结构,并且土壤细菌总量得到了显著的提升,然而两种反硝化功能基因(nirS,nosZ)丰度并没有显著变化。与设施菜田相比,棚外粮田有相对低的N2O积累量以及产物比,并且在厌氧初期气体产生模式有所不同。培养后铵态氮和亚硝态氮含量上升。【结论】设施菜田长期有别于棚外粮田的管理方式造成了土壤细菌群落的显著改变,增大了活跃微生物总量,造成土壤酸化,并导致N2O在气态产物中的比例升高。设施菜田土壤微生物进行了与棚外粮田不同的硝酸盐呼吸过程,异化硝酸盐还原成铵(DNRA)过程有可能贡献了两种土壤的部分厌氧N2O产生量。     

细菌硝酸盐异化还原成铵过程及其在河口生态系统中的潜在地位与影响

细菌硝酸盐异化还原成铵(DNRA)过程能够将河口沉积物中的硝氮转化为氨氮,是河口生态系统中潜在的重要氮循环过程之一。本文介绍DNRA机理与分类,综述河口生态系统中DNRA的地位与影响,并总结河口生态系统中几种重要生态因子对DNRA过程的调控与影响。目前DNRA的机理还有待完善。深入研究各类河口生态系统中环境因子对DNRA的调控与影响机制,并研发新的研究方法,将为我国河口地区的水资源保护和生态治理提供科学依据。     

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。     

A meta‐analysis of soil salinization effects on nitrogen pools,cycles and fluxes in coastal ecosystems

Salinity intrusion caused by land subsidence resulting from increasing groundwater abstraction, decreasing river sediment loads and increasing sea level because of climate change has caused widespread soil salinization in coastal ecosystems. Soil salinization may greatly alter nitrogen (N) cycling in coastal ecosystems. However, a comprehensive understanding of the effects of soil salinization on ecosystem N pools, cycling processes and fluxes is not available for coastal ecosystems. Therefore, we compiled data from 551 observations from 21 peer‐reviewed papers and conducted a meta‐analysis of experimental soil salinization effects on 19 variables related to N pools, cycling processes and fluxes in coastal ecosystems. Our results showed that the effects of soil salinization varied across different ecosystem types and salinity levels. Soil salinization increased plant N content (18%), soil NH₄⁺ (12%) and soil total N (210%), although it decreased soil NO₃^? (2%) and soil microbial biomass N (74%). Increasing soil salinity stimulated soil N₂O fluxes as well as hydrological NH₄⁺ and NO₂^? fluxes more than threefold, although it decreased the hydrological dissolved organic nitrogen (DON) flux (59%). Soil salinization also increased the net N mineralization by 70%, although salinization effects were not observed on the net nitrification, denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium in this meta‐analysis. Overall, this meta‐analysis improves our understanding of the responses of ecosystem N cycling to soil salinization, identifies knowledge gaps and highlights the urgent need for studies on the effects of soil salinization on coastal agro‐ecosystem and microbial N immobilization. Additional increases in knowledge are critical for designing sustainable adaptation measures to the predicted intrusion of salinity intrusion so that the productivity of coastal agro‐ecosystems can be maintained or improved and the N losses and pollution of the natural environment can be minimized.     

硝态氮异化还原机制及其主导因素研究进展

硝态氮(NO_3~-)异化还原过程通常包含反硝化和异化还原为铵(DNRA)两个方面,是土壤氮素转化的重要途径,其强度大小直接影响着硝态氮的利用和环境效应(如淋溶和氮氧化物气体排放)。反硝化和DNRA过程在反应条件、产物和影响因素等方面常会呈现出协同与竞争的交互作用机制。综述了反硝化和DNRA过程的研究进展及其二者协同竞争的作用机理,并阐述了在NO_3~-、pH、有效C、氧化还原电位(Eh)等环境条件和土壤微生物对其发生强度和产物的影响,提出了今后应在产生机理、土壤环境因素、微生物学过程以及与其他氮素转化过程耦联作用等方面亟需深入研究,以期增进对氮素循环过程的认识以及为加强氮素管理利用提供依据。     

Potential rates and pathways of microbial nitrate reduction in coastal sediments

Nitrate reduction plays a key role in the biogeochemical dynamics and microbial ecology of coastal sediments. Potential rates of nitrate reduction were measured on undisturbed sediment slices from two eutrophic coastal environments using flow-through reactors (FTR). Maximum potential nitrate reduction rates ranged over an order of magnitude, with values of up to 933 nmol cm(-3) h(-1), whereas affinity constants for NO(3) (-) fell mostly between 200 and 600 microM. Homogenized sediment slurries systematically yielded higher rates of nitrate reduction than the FTR experiments. Dentrification was the major nitrate removal pathway in the sediments, although excess ammonium production indicated a contribution of dissimilatory nitrate reduction to ammonium under nitrate-limiting conditions.     

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。     

Modeling nitrogen cycling in a coastal fresh water sediment

Increased nitrogen (N) loading to coastal marine and freshwater systems is occurring worldwide as a result of human activities. Diagenetic processes in sediments can change the N availability in these systems, by supporting removal through denitrification and burial of organic N (N_org) or by enhancing N recycling. In this study, we use a reactive transport model (RTM) to examine N transformations in a coastal fresh water sediment and quantify N removal rates. We also assess the response of the sediment N cycle to environmental changes that may result from increased salinity which is planned to occur at the site as a result of an estuarine restoration project. Field results show that much of the N_org deposited on the sediment is currently remineralized to ammonium. A rapid removal of nitrate is observed in the sediment pore water, with the resulting nitrate reduction rate estimated to be 130 μmol N cm⁻² yr⁻¹. A model sensitivity study was conducted altering the distribution of nitrate reduction between dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) and denitrification. These results show a 40% decline in sediment N removal as NO ₃ ⁻ reduction shifts from denitrification to DNRA. This decreased N removal leads to a shift in sediment-water exchange flux of dissolved inorganic nitrogen (DIN) from near zero with denitrification to 133 μmol N cm⁻² yr⁻¹ if DNRA is the dominant pathway. The response to salinization includes a short-term release of adsorbed ammonium. Additional changes expected to result from the estuarine restoration include: lower NO ₃ ⁻ concentrations and greater SO ₄ ²⁻ concentrations in the bottom water, decreased nitrification rates, and increased sediment mixing. The effect of these changes on net DIN flux and N removal vary based on the distribution of DNRA versus denitrification, illustrating the need for a better understanding of factors controlling this competition.     

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。     

基于降水利用比较分析的四川省种植制度优化

比较分析四川8个农业生态区典型站点及其主要种植模式的降水盈亏产量降低率、产量降低率风险指数、降水利用效率和降水经济效率。结果表明:(1)四川省不同区域、不同种植模式、不同作物及其不同生育阶段基于降水盈亏的产量降低率多年均值差异较大。区域分布上,雅安最低,仅23％,攀西最高,达50％以上,其余地区30％-40％;种植制度上,麦-玉-苕等旱三熟低于麦-稻等水旱轮作两熟制;作物种类上,冬小麦、冬油菜、秋播马铃薯等作物普遍高于水稻、玉米、棉花、红薯和大豆作物;生育阶段上,冬小麦、冬油菜、秋播马铃薯作物开花前后普遍较高,各种作物生育末期较低。(2)基于自然降水,攀西地区遭遇旱灾的风险极大,麦-玉-苕等旱三熟的产量降低率风险指数相对较小;雅安等盆地内部多数区域由于阶段性降水过多引起湿害偏重,导致麦-稻等水旱轮作两熟制略优于旱三熟。基于降水利用效率和降水经济效率,各地比较一致,较优的种植制度首先是麦(油、薯)-稻两熟制,其次才是麦(油)-玉-苕(豆)旱三熟。(3)综合旱涝灾害风险、降水利用效率和降水经济效率,以及复杂地形等因素,有较好灌溉条件的农田应以麦(油、薯)-稻水旱轮作两熟制为主,而无水源保障的旱地则以麦(油)-玉-苕(豆)旱三熟为主。