好氧反硝化生物脱氮技术的研究进展

好氧反硝化生物脱氮技术自提出以来,凭借能实现同步硝化反硝化、节省基建投资及运行费用等诸多优点,受到国内外环境领域学者的广泛关注。本文首先总结了近年来好氧反硝化菌种的筛选分离情况,以及环境因子对好氧反硝化菌脱氮效能的影响,包括溶解氧(dissolved oxygen,DO)、碳氮比(C/N)、温度等。然后深入探讨了好氧反硝化生物脱氮技术的原理,好氧反硝化过程中的关键功能基因及酶,同时介绍了分子生物技术在好氧反硝化研究过程中的应用,以及好氧反硝化生物脱氮技术在实际应用方面的研究现状。最后,基于目前的研究瓶颈问题,对未来好氧反硝化生物脱氮技术的研究方向提出了科学展望。     

异养硝化细菌的生物脱氮

正氮类污染物是造成水体污染和富营养化的主要原因,水体中氮的去除对于清洁水体有着重要的意义~([1-2])。因此,高效与便捷地去除污水中的氮是污水处理中的关键问题,而生物脱氮又被认为是目前废水脱氮中最经济有效的方法之一~([3])。最初研究者们认为只有自养硝化细菌才能进行高效的硝化作用,近年来研究表明,异养硝化微生物同样在生物硝化过程中起着不可忽视的作用~([4])。异养硝化微生物相比传统的自养微生物在废水生物脱氮中占有明显优势,具有良好的应用前景。     

好氧甲烷氧化耦合反硝化极限脱氮系统的效能及应用

【目的】探究甲烷浓度、温度和氮浓度对好氧甲烷氧化耦合反硝化(AME-D)极限脱氮系统的影响,分析该系统微生物群落结构,并对贵阳某污水处理厂尾水进行应用研究。【方法】采用阶段性实验研究甲烷浓度、温度和氮浓度对系统脱氮效能的影响,通过16SrRNA基因测序技术分析系统中微生物群落结构,利用共焦显微拉曼光谱仪分析实际废水水质变化特征。【结果】甲烷进气比为3%、温度为30°C、氮浓度为20 mg/L时脱氮效果最好,系统的总氮、氨氮和硝酸盐氮平均去除率分别为93.66%、96.13%和92.25%;系统中的主要甲烷氧化菌分别为Methylosarcina(1.84%)、Methylovulum(0.01%)和Crenothrix(0.14%),以及兼性甲烷氧化菌属Methylocystis(1.9%),主要的亚硝化菌为Nitrosomonas(0.008%),硝化菌为Nitrospira (0.42%),反硝化菌为Hyphomicrobium (1.19%)和Pseudomonas (0.61%);采用该系统处理贵阳某污水处理厂尾水时,出水总氮平均浓度达到0.96mg/L,能达到极限脱氮的目的,拉曼光谱分析显示系统对硝酸盐氮和亚硝酸盐氮有较高的去除,甲烷被氧化形成的中间产物可能为醇类或醛类物质,为反硝化菌提供所需碳源。【结论】AME-D极限脱氮由多种微生物协同实现,其功能微生物为甲烷氧化菌、亚硝化菌、硝化菌和反硝化菌,应用研究显示该系统在城镇污水处理系统中具有较大的应用潜力。     

短程硝化活性污泥微生物群落结构及羟胺代谢对短程硝化的影响

活性污泥法随着技术的成熟,已应用在高氨氮污水/废水处理中,通过不断发展衍生出的很多新型工艺也成为研究热点,短程硝化反应作为代表已逐渐体现出优越性。短程硝化能达到高效净化污水的目的,其反应中的代谢产物羟胺也和微生物类群及反应产物之间有着至关重要的影响。反应器中活性污泥的微生物群落结构和动态密切相关,探究微生物群落结构能帮助生物强化、优化参数,提高脱氮效率。本文主要总结了近年来有关短程硝化/半短程硝化活性污泥微生物群落组成与结构及其与反应器处理效率之间的关系,以及羟胺代谢对短程硝化的影响等方面的研究进展,这些研究加深了对微生物群落结构和污水处理工艺之间的认识,但充分发掘生物信息、提高工艺效能之路仍然充满挑战,还需利用氮平衡方法、Real-time PCR法等多种生物技术手段对短程硝化进行全方位研究,为实践提供坚实的理论基础。     

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。     

细菌密度感应系统的信号干扰及其应用

密度感应系统(quorum sensing,Qs)是细菌的一种群体行为调控机制,它控制着细菌的多种生命活动．在医学、工业和农业上都有重要意义。微生物QS信号分子和信号传导机制的发现有利于研究设计出各种信号干扰方法来阻断QS信号传导从而应用于微生物感染的防治。章综述了近年来有关QS信号干扰及其应用方面的研究进展。     

细菌群体感应及其在食品变质中的作用

食品相关细菌引起的生物被膜形成和食品变质是食品工业中的重大问题。研究表明细菌群体感应(Quorum sensing,QS)与被膜形成、食品腐败变质密切相关。重点对细菌产生的各种QS信号分子及其在被膜形成的作用和被膜在食品工业中的重要性做了介绍。QS信号分子与食品变质密切相关,故对QS抑制剂作为新型食品防腐剂以延长储存期限及加强食品安全的前景进行了概述。     

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。     

生物强化技术在废水脱氮中的应用

废水脱氮,主要是将污水中过量的营养物质转化为N2和N2O等排放到大气中。从市政和工业污水中脱氮最普遍,有效的方法是生物法,包括传统自养硝化-缺氧反硝化,异养硝化-好氧反硝化,短程硝化和厌氧氨氧化相结合等。目前,氮污染是个很严重的问题。从脱氮方式来说,有传统自养硝化-缺氧反硝化脱氮,异养硝化-好氧反硝化脱氮、厌氧氨氧化脱氮等。本文综述了这几种脱氮方式的生物强化技术的研究进展与实际应用,并对其发展方向进行了展望。     

反硝化聚磷菌的脱氮除磷机制及其在废水处理中的应用

摘要:水体富营养化是当前水污染治理的重点关注对象,利用微生物脱氮除磷开展富营养化水体治理是一种重要的技术。基于反硝化细菌和聚磷菌的脱氮除磷功能,兼具反硝化和聚磷功能的微生物研究及其在污水工艺中的应用越来越广泛。在厌氧和好氧/缺氧环境中,反硝化聚磷菌的脱氮除磷机制有很大差别,且在化学和酶学方面都有所体现。其中,质子驱动力/电子受体理论能够很好地解释反硝化聚磷的化学过程,而反硝化酶系和多聚磷酸盐激酶是酶学过程的主要参与者。当前研究已明确在不同氧含量环境中氮素对磷去除的影响机制,但是否存在磷对除氮作用的影响仍有待进一步研究。在此基础上,本文以氮-磷的偶联过程为切入点,分别从反硝化聚磷的化学过程和酶学机制方面进行简要综述。此外,介绍了反硝化聚磷菌在实验室以及工厂化污水处理中的应用近况,并提出了今后的研究重点与方向,以期为反硝化聚磷菌在环境修复中的进一步开发应用提供理论依据。     

细菌群体感应信号分子的光电检测技术

群体感应（quorum sensing，QS）是一种依赖菌群密度的细菌交流系统。在探究细菌群体感应系统的调控机制中，对QS信号分子的鉴别和检测是不可或缺的环节，其对生命科学、药学等领域涉及细菌等微生物的相互作用、高效检测和作用机制解析等具有重要的参考意义。本文在总结不同类型细菌QS信号分子来源和结构的基础上，对QS信号分子的光电检测方法和技术进行了综述，重点对光电传感检测的敏感介质、传感界面、传感机制及测试效果进行探讨，同时关注了将微流控芯片分析技术应用于细菌QS信号分子原位监测的相关研究进展。     

微生物群体感应抑制剂及其在海洋生态中的应用

微生物具有结构多样性和功能多样性,其生态行为受多种信号因子的调节,其一便是群体感应信号(Quorum sensing,QS)。QS可作为菌群的通讯语言调节多种生物学功能,包括微生物被膜(Biofilm)的形成、毒力因子的表达、抗生素的分泌以及活性物质的生成等。相比之下,群体感应抑制剂(Quorum sensing inhibitor,QSI)的作用与QS相反,它能阻断QS信号的合成或传递、降低细菌致病性、干扰Biofilm的生成、阻断QS级联效应,因而被广泛应用于医药、农业和环境等领域。本文聚焦QSI,对其来源、特性、作用机制的最新进展进行总结,并对其在海洋生态领域上的应用进行综述,以期为QSI物质的开发和海洋生态资源的有效利用提供新思路。     

AHL类似物作为细菌群体感应系统促进剂的研究进展

应用N-酰基高丝氨酸内酯（N-acyl-L-homoserine lactones，AHL）介导的群体感应（quorum sensing，QS）系统调控生物膜形成和次级代谢物合成具有巨大的商业价值，但自然界中许多微生物能够产生群体淬灭（Quorum Quenching，QQ）酶，QQ酶能够降解天然AHL信号分子，使外源天然 AHL 信号分子的半衰期缩短，限制了天然AHL 信号分子的应用范围。化学合成的AHL类似物作为QS促进剂，通过与天然信号分子类似的结合方式形成转录二聚体，激活下游基因表达，但与天然AHL信号分子相比，化学合成的QS促进剂具有活性高、半衰期长等优点。本文综述了化学合成AHL类似物的设计思路、种类、作用机制及其在提高次级代谢物产量和生物浸矿方面的应用，并讨论了QS促进剂今后主要的研究方向，以期为QS促进剂的合成设计和实际应用提供参考。     

Microbial metabolism of quorum-sensing molecules acyl-homoserine lactones, γ-heptalactone and other lactones

The cell-to-cell communication of microorganisms is known to be via exertion of certain chemical compounds (signal molecules) and is referred to as quorum sensing (QS). QS phenomenon is widespread in microbial communities. Several Gram-positive and Gram-negative bacteria and fungi use lactone-containing compounds (e.g. acyl-homoserine lactones (AHLs), γ-heptalactone, butyrolactone-I) as signalling molecules. The ability of microorganisms to metabolise these compounds and the mechanisms they employ for this purpose are not clearly understood. Many studies, however, have focused on identifying AHL and other lactone-degrading enzymes produced by bacteria and fungi. Various strains that are able to utilise these signalling molecules as carbon and energy sources have also been isolated. In addition, several reports have provided evidence on the involvement of lactones and lactone-degrading enzymes in numerous biological functions. These studies, although focused on processes other than metabolism of lactone signalling molecules, still provide insights into further understanding of the mechanisms employed by various microorganisms to metabolise the QS compounds. In this review, we consider conceivable microbial strategies to metabolise AHL and other lactone-containing signalling molecules such as γ-heptalactones.     

硝化细菌群的富集及其去除城镇寡营养河道中氨氮污染的应用

[背景]随着工农业的发展,污水排放导致的氨氮超标逐渐成为水体污染的重要因素,脱氮已成为人们研究的重点.目前脱氮方法主要集中于硝化细菌的硝化作用,其将氨氮转化为硝酸盐氮,从而减少水体中氨氮的污染.由于工业废水和农业污水中的有机物含量较高,而且异养硝化细菌具有生长较快等优势,因此对异养菌的研究多于自养菌.然而现有的异养硝化...     

碳源与氮源限制下细菌代谢调节研究进展

营养限制是微生物最常面临的环境胁迫之一。除了在营养物质匮乏的海洋、冰川、沙漠、深层地表等自然环境中,越来越多的人工环境也出现了营养限制的特征,例如各类微污染水体、提标改造的废水生物处理系统等。基质浓度极大地影响着包括细菌在内的许多微生物的生长、代谢及群落结构,最终导致其功能的改变。为了在营养限制条件下维持生存,微生物首先需感知营养供给的减少,其后通过基因、蛋白质、信号分子、代谢产物等对各代谢过程进行全局调控,最后改变基质亲和力、生长速率、运动能力、形态等以适应营养不足。胞内各种信号物质及其触发的响应是微生物应对营养胁迫的关键。本文分别梳理了以细菌为代表的微生物应对碳源、氮源限制时的关键信号物质、受体蛋白/调控过程及响应结果,并分析了碳氮限制响应过程中的相互作用,以期为极端环境微生物的认识、营养限制条件下微生物的应用,尤其是低浓度污染物生物处理、生物监测等领域提供理论基础。     

新型脱氮微生物与水体脱氮新工艺研究进展

氨氮是河流等淡水资源有机污染的主要污染指标之一。生物脱氮具有低成本、高效、无二次污染和易操作等优点,极具发展前景。重点概述了水体净化系统中新型脱氮微生物的种类及研究进展,介绍了厌氧氨氧化、短程硝化-反硝化和分段进水生物脱氮等高效节能新工艺的工艺原理。     

产Ⅱ类细菌素乳酸菌群体感应及其应用

群体感应(quorum sensing,QS)是微生物通过感知与细胞密度相关的信号分子的浓度来调控基因表达的一种行为。许多产Ⅱ类细菌素乳酸菌通过自诱导肽介导的QS系统调控其细菌素的合成。本文综述了乳酸菌Ⅱ类细菌素合成的QS调控现象、调控机制、QS系统组分以及QS的应用。产Ⅱ类细菌素乳酸菌QS的研究,必将为揭示发酵调控机理、调控发酵过程提供新的研究平台,为食品级基因表达系统的开发提供新的选择。     

细菌群体感应的蛋白质组学研究进展

细菌群体感应是指细菌能合成、释放和感应一些类激素小分子信号,从而调控群体行为并对其作出应答反应。介导细菌群体感应的信号分子有多种,它们参与调节细菌许多重要生物学功能。目前对此研究的主要手段是基因组学和转录组学。然而近年来,基因组测序技术的不断发展为另一种新兴方法——以比较和功能性为基础的蛋白质组学法奠定了基础。所不同的是,传统方法只能局限性研究某些基因或蛋白,而蛋白质组学法能检测出生物体基因表达的全部蛋白,它也因此逐渐受到人们的广泛关注。主要从研究较多的三类信号分子方面描述如何利用蛋白盾组举法解析细菌交流的“语言”。