基于甲烷氧化菌的脱氮技术研究进展

甲烷氧化菌利用甲烷作为唯一碳源和能源,在氧化甲烷的过程中能有效地实现脱氮,该过程分为好氧甲烷氧化耦合反硝化(aerobic methane oxidation coupled to denitrification,AME-D)和厌氧甲烷氧化耦合反硝化(anaerobic methane oxidation coupled to denitrification,ANME-D),在碳循环和氮循环的研究中具有重要意义。本文通过总结近年来有关甲烷氧化菌的分类与分布,阐述AME-D和ANME-D的基本原理、影响因素和应用情况,提出相应的研究方向,以期为甲烷氧化菌在污水脱氮中的应用提供参考。     

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转传统认识的新现象,为水处理工作设计处理工艺提供了新的理论思路,现就这一领域的研究进展作一综述。     

微生物厌氧甲烷氧化反硝化研究进展

厌氧甲烷氧化反硝化过程(Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)以甲烷为电子供体进行反硝化作用,在实现废水脱氮处理的同时,可有效削减温室气体甲烷的排放,从而减缓全球温室效应。相关机制研究集中在逆向产甲烷途径耦合反硝化和亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,n-damo)两个方面。鉴于厌氧甲烷氧化反硝化过程对全球碳氮物质循环的重要意义,本文对近年来厌氧甲烷氧化反硝化过程的研究进展进行了概述,着重阐述了有关厌氧甲烷氧化反硝化微生物富集培养物,特别是含Candidatus Methylomirabilis oxyfera(M.oxyfera)富集培养物的微生物特性、甲烷氧化反硝化的机理以及影响因子。在此基础上,探讨了厌氧甲烷氧化反硝化过程未来的研究方向和工业化应用前景。     

微生物甲烷氧化反硝化耦合反应研究进展

甲烷氧化反硝化耦合过程是连接碳循环和氮循环的重要桥梁.该过程的深入研究有助于完善人们对全球碳氮生物化学循环的认识.甲烷作为反硝化外加气体碳源,既能调控大气甲烷平衡,有效减缓由甲烷引起的温室效应,又能降低反硝化工艺中因投入外加碳源带来的成本.因此近年来甲烷氧化反硝化耦合反应及其机理研究倍受关注.本文主要讨论了好氧和厌氧两种类型的甲烷氧化反硝化过程,重点对其微生物耦合反应机理及其影响因素进行了综述,同时指出了其工程化应用存在的问题,并对其应用前景提出展望.
     

微生物介导的甲烷厌氧氧化过程及其影响因子研究进展

温室气体甲烷减排是全球变化领域的研究热点,甲烷厌氧氧化(anaerobic methane oxidation,AOM)过程是一个以前被忽视的甲烷汇,在调控全球甲烷收支平衡及减缓温室效应等方面扮演着十分重要的角色。AOM微生物以甲烷为唯一电子供体,与硫酸盐(SO42-)、亚硝酸盐(NO2-)/硝酸盐(NO3-)、金属离子(Fe3+、Mn4+、Cr6+)等结合完成氧化还原过程,该过程是耦合碳、氮、硫循环的关键环节。本文系统整理分析了不同AOM类型、发生机理、相关功能微生物类群(ANME-1、ANME-2、ANME-3、NC10、MBG-D)及影响AOM过程的关键调控因子的最新研究进展。结果发现,目前80%以上研究都集中在对最常见电子受体类型(SO42-/NO3-/NO2-/Fe3+/Mn4+)的AOM相关过程,而忽视了潜在的新型电子受体(AQDS/HAs O42-/Cr6+/ClO4-等)的耦合作用过程和相对应的微生物类型及作用机理。对未来AOM研究方向提出展望,以期为研究甲烷厌氧氧化菌在不同生态系统中的生态分布及减缓全球温室气体排放提供新的思路。     

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。     

厌氧氨氧化生物脱氮技术的研究进展

厌氧氨氧化是指在厌氧条件下,厌氧氨氧化混合菌直接以NH4 为电子供体,以NO3-或NO2-为电子受体,将NH4^ 、NO3-或NO2-转变成N2的过程。厌氧氨氧化作为一种新型的污水处理工艺具有较高的理论意义和良好的应用前景。本文主要阐述了厌氧氨氧化生物脱氮技术原理、厌氧氨氧化的可能途径、方法及其应用现状,并且讨论了厌氧氨氧化反应的微生物学机理和厌氧氨氧化工艺的开发,提出了今后研究的主要方向。     

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。     

厌氧氨氧化菌驱动脱氮途径的研究进展

厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonia-oxidizing bacteria, AnAOB)的代谢多样性,使得该菌群能够在海洋、湿地和陆地等不同的自然生态系统中广泛分布,甚至在一些极热和极寒环境中也检测到了该菌群的存在。本文回顾并总结了厌氧氨氧化菌在不同生态系统中的发现、分布及脱氮贡献等方面的研究,分析了厌氧氨氧化菌分布的主要环境影响因素。该综述将帮助我们更好地理解全球氮循环中厌氧氨氧化菌的实际角色和功能,并基于厌氧氨氧化(anaerobicammoniaoxidation,anammox)过程,探究能与其进行协作的新型生物脱氮工艺,以期为这些工艺的研发和推广提供生态学基础和新的思考,从而实现脱氮工艺的技术变革。     

厌氧氨氧化组合脱氮工艺研究进展

厌氧氨氧化工艺是一项高效、低耗的生物脱氮工艺,但受限于底物类型、硝氮积累等问题,其在主流应用中仍然面临一些挑战。近些年来,针对上述问题,厌氧氨氧化组合工艺得到了广泛关注。通过对近年来所开发的厌氧氨氧化组合工艺,从工艺原理、优缺点、影响因素、工艺拓展性及其在推广应用中存在的关键瓶颈等角度进行探讨,并结合课题组相关工作,展望了厌氧氨氧化组合工艺在城市生活污水处理中的发展前景。     

Enhancing mainstream nitrogen removal by employing nitrate/nitrite-dependent anaerobic methane oxidation processes

Due to serious eutrophication in water bodies, nitrogen removal has become a critical stage for wastewater treatment plants (WWTPs) over past decades. Conventional biological nitrogen removal processes are based on nitrification and denitrification (N/DN), and are suffering from several major drawbacks, including substantial aeration consumption, high fugitive greenhouse gas emissions, a requirement for external carbon sources, excessive sludge production and low energy recovery efficiency, and thus unable to satisfy the escalating public needs. Recently, the discovery of anaerobic ammonium oxidation (anammox) bacteria has promoted an update of conventional N/DN-based processes to autotrophic nitrogen removal. However, the application of anammox to treat domestic wastewater has been hindered mainly by unsatisfactory effluent quality with nitrogen removal efficiency below 80%. The discovery of nitrate/nitrite-dependent anaerobic methane oxidation (n-DAMO) during the last decade has provided new opportunities to remove this barrier and to achieve a robust system with high-level nitrogen removal from municipal wastewater, by utilizing methane as an alternative carbon source. In the present review, opportunities and challenges for nitrate/nitrite-dependent anaerobic methane oxidation are discussed. Particularly, the prospective technologies driven by the cooperation of anammox and n-DAMO microorganisms are put forward based on previous experimental and modeling studies. Finally, a novel WWTP system acting as an energy exporter is delineated.     

氮依赖型甲烷厌氧氧化菌的整合

氮依赖型甲烷厌氧氧化菌(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation bacteria,n-damo细菌,属于NC10门)是最近10年来微生物生态学领域的研究热点。然而,对该类群基于现有数据的生态分布、群落结构和系统进化的整合分析还未见报道。【目的】为了更好地将近年来针对该类群的研究做一次全面梳理,本文通过整合前人已有发表数据和结合自身实验数据两方面进行。【方法】一方面,利用NCBI数据库(数据搜集到2016年11月)中所有n-damo细菌序列对其进行生物信息学分析;另一方面,对大九湖泥炭地表层泥炭利用16S rRNA二代测序技术对该类群进行检测,并同前人数据进行对比。【结果】n-damo细菌主要在沉积物、湿地和水稻土检出;基于pmo A基因的n-damo细菌的平均检出率是基于16S rRNA基因检出率的7倍,但是这两类基因分子标记物所得到的多样性指数保持相对稳定(1.4-3.4);贫氮的大九湖泥炭其NC10的丰度仅为0.067%。【结论】n-damo类群种群相对稳定,暗示其行使的生态功能相对单一;贫氮的大九湖泥炭其极低的NC10丰度暗示氮对NC10是限制因子;具有真正氮依赖型甲烷厌氧氧化细菌的Group A可能只占很少的一部分(小于20%),暗示出该类群真正的生态潜能需要进一步评估。本次整合分析为更好的理解n-damo细菌的生活环境、评估不同基因分子标记物下n-damo细菌的检出率、不同亚类群比如Group A和Group B等的丰度和真正的潜在生态功能提供参考。     

水生生态系统中金属依赖型甲烷厌氧氧化过程的研究进展

甲烷是一种比CO_2更活跃的温室气体,微生物驱动的甲烷厌氧氧化(anaerobicoxidationof methane,AOM)过程对于降低全球甲烷的排放有着重要意义。参与AOM反应的最终电子受体主要分为三类,即硫酸盐、亚硝酸盐/硝酸盐以及以Fe(III)、Mn(IV)等为代表的金属离子。可溶性金属物质和不溶性金属矿物都可以被用作AOM的电子受体,这大大提高了参与金属依赖型甲烷厌氧氧化(metal-dependent anaerobic oxidation of methane,Metal-AOM)微生物的生态价值。目前研究聚焦在功能菌群、生态分布等方面。部分甲烷厌氧氧化古菌(anaerobic methanotrophic archaea,ANME)具有直接或间接参与Metal-AOM过程的能力。但由于功能菌群纯化富集和分离具有一定难度,有关其生理生化和生态学等特征的研究受到限制。同时,随着Metal-AOM被发现存在于不同水生生境中,其在污染治理领域的应用也被广泛讨论,但是河口生境尚缺乏深入研究。本文从Metal-AOM的发现入手,阐述了参与该过程的主要微生物及其在水域环境下的生态分布,并介绍了Metal-AOM的反应机制和在实际应用中的机遇与挑战。最后,根据现有研究结果,提出对功能菌群、机制及环保应用的研究展望,包括微生物分离纯化和影响因素、菌群代谢活性和作用机制的解析以及新型生产工艺的设计和发展应用,以期为今后的环境污染治理和工业应用提供借鉴意义。     

自然生境中亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化细菌研究进展

随着功能微生物介导的亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)过程被发现,人们对自然界的碳氮循环有了全新的认识,该过程成为自然生态系统中温室气体甲烷的汇,同时还是氮污染的消减途径。本文系统介绍了N-DAMO过程反应机理以及参与该过程的亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化细菌(Candidatus Methylomirabilis oxyfera)的生理生化特征,并对研究该功能菌的分子微生物方法进行了汇总。通过对不同自然生境中该细菌的研究报道进行总结分析,揭示各生境中年均降水量、年均温度、所处不同自然区等大尺度宏观环境因子及碳源、氮源、pH和氧气含量等生存因子对其群落结构的潜在影响,最后在展望中提出此功能菌在未来可深入研究的方向,期望能厘清厌氧甲烷氧化过程及其功能菌在碳、氮循环中的生态学功能。     

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。     

Anaerobic methane oxidation potential and bacteria in freshwater lakes: Seasonal changes and the influence of trophic status

Nitrite-dependent anaerobic methane oxidation (n-damo), mainly carried out by n-damo bacteria, is an important pathway for mitigating methane emission from freshwater lakes. Although n-damo bacteria have been detected in a variety of freshwater lakes, their potential and distribution, and associated environmental factors, remain unclear. Therefore, the current study investigated the potential and distribution of anaerobic methanotrophs in sediments from Erhai Lake and Dianchi Lake, two adjacent freshwater lakes in the Yunnan Plateau with different trophic status. Both lakes showed active anaerobic methane oxidation potential and harbored a high density of n-damo bacteria. Based on the n-damo pmoA gene, sediment n-damo bacterial communities mainly consisted of Candidatus Methylomirabils oxyfera and Candidatus Methylomirabils sinica, as well as novel n-damo organisms. Sediment anaerobic methane oxidation potential and the n-damo bacterial community showed notable differences among seasons and between lakes. The environmental variables associated with lake trophic status (e.g. total nitrogen, ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, and total organic carbon) might have significant impacts on the anaerobic methane oxidation potential, as well as the abundance and community structure of n-damo bacteria. Therefore, trophic status could determine the n-damo process in freshwater lake sediment.     

甲烷氧化过程中铜的作用研究进展

甲烷生物氧化在全球甲烷平衡和温室效应控制中扮演着重要的角色,而铜是甲烷生物氧化过程中的重要影响因子.一方面,铜是调控不同类型甲烷单加氧酶表达的主要影响因子,是组成颗粒性甲烷单加氧酶的必需金属元素;另一方面,在自然环境体系中,铜含量及其形态的变化对甲烷氧化菌的分布、代谢甲烷和非甲烷类有机化合物的能力以及甲烷氧化菌的特异性铜捕获系统也会产生较大影响.准确把握铜在甲烷生物氧化过程中发挥的作用将有助于全面了解甲烷生物氧化过程,进而更好地指导甲烷氧化微生物在温室气体减排及非甲烷有机物污染修复中的应用.本文主要从铜的角度,概述了铜对甲烷氧化菌的分布和活性的影响,介绍了铜在调控甲烷单加氧酶的表达和活性以及调节甲烷氧化菌铜捕获系统方面的作用,并展望了其研究方向.     

Integrated anaerobic/aerobic biological treatment for intensive swine production

Manure processing could help farmers to effectively manage nitrogen (N) surplus load. Many pig farms have to treat wastewater. Piggery wastewater treatment is a complex challenge, due to the high COD and N concentrations and low C/N ratio. Anaerobic digestion (AD) could be a convenient pre-treatment, particularly from the energetic view point and farm income, but this causes further reduction of C/N ratio and makes denitrification difficult. N removal can only be obtained integrating anaerobic/aerobic treatment by taking into account the best use of electron donors. Experiences gained in Italy during development of integrated biological treatment approaches for swine manure, from bench to full scale, are reported in this paper. Solid/liquid separation as pre-treatment of raw manure is an efficient strategy to facilitate liquid fraction treatment without significantly lowering C/N ratio. In Italy, two full scale SBRs showed excellent efficiency and reliability. Current renewable energy policy and incentives makes economically attractive the application of AD to the separated solid fraction using high solid anaerobic digester (HSAD) technology. Economic evaluation showed that energy production can reduce costs up to 60%, making sustainable the overall treatment.     

利用硝酸盐和亚硝酸盐同步富集厌氧甲烷氧化微生物的比较实验

【背景】反硝化厌氧甲烷氧化(Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)是以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体以甲烷为电子供体的厌氧氧化过程,对认识全球碳氮循环、削减温室气体排放和开发废水脱氮新技术等方面具有重要意义。【目的】认识以硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体的DAMO微生物富集过程和结果的差异性。【方法】在序批式反应器(Sequencing batch reaetor,SBR)内接种混合物,分别以硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体连续培养800 d,定期检测反应器基质浓度变化、计算转化速率;利用16S rRNA基因系统发育分析研究功能微生物的多样性,利用实时荧光定量PCR技术定量测定功能微生物。【结果】以亚硝酸盐为电子受体的1、3号反应器富集到了DAMO细菌,未检测到DAMO古菌;以硝酸盐为电子受体的2号反应器富集到了DAMO细菌和古菌的混合物;3个反应器的脱氮速率经过初始低速期、快速提升期,最终达到稳定,但2号快速提升期开始时间比1、3号晚了80 d左右,达到稳定的时间更长,稳定最大速率为1、3号的44.7%、40.3%。【结论】硝酸盐和亚硝酸盐对富集产物有决定性影响;以硝酸盐为电子受体富集得到的DAMO古菌和细菌协同体系可以长期稳定共存,DAMO古菌可能是协同体系中脱氮速率的限制性因素。