海洋氮循环中细菌的厌氧氨氧化

细菌厌氧氨氧化过程是在一类特殊细菌的厌氧氨氧化体内完成的以氨作为电子供体硝酸盐作为电子受体的一种新型脱氮反应.厌氧氨氧化菌的发现,改变人们对传统氮的生物地球化学循环的认识:反硝化细菌并不是大气中氮气产生的唯一生物类群.而且越来越多的证据表明,细菌厌氧氨氧化与全球的氮物质循环密切相关,估计海洋细菌的厌氧氨氧化过程占到全球海洋氮气产生的一半左右.由于氮与碳的循环密切相关,因此可以推测,细菌的厌氧氨氧化会影响大气中的二氧化碳浓度,从而对全球气候变化产生重要影响.另外,由于细菌厌氧氨氧化菌实现了氨氮的短程转化,缩短了氮素的转化过程,因此为开发更节约能源、更符合可持续发展要求的废水脱氮新技术提供了生物学基础.     

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。     

氨氧化古菌及其在氮循环中的重要作用

氨氧化作用作为硝化过程的第一步,是氮素生物地球化学循环的关键步骤.长期以来,变形菌纲卢和',亚群中的氨氧化细菌一直被认为是氨氧化作用的主要承担者.然而,近年来研究发现氨氧化古菌广泛存在于各种生态系统中,并且在数量上占明显优势,在氮素生物地球化学循环中起着非常重要的作用.本文概述了氨氧化古菌的形态、生理生态特性及其系统发育特征,对比分析了氨氧化古菌和氨氧化细菌的氨单加氧酶及其编码基因的异同,综述了氨氧化古菌在水生和陆地等生态系统氮素循环中的作用,同时就氨氧化古菌在应用生态和环境保护领域今后的研究重点进行了展望.     

高含氮稻田深层土壤的氨氧化古菌和厌氧氨氧化菌共存及对氮循环影响

随着海洋生态系统中的厌氧氨氧化反应和氨氧化古菌的发现,自然生态系统的氮循环过程被重新认识,但是目前尚无在陆地深层的相关报道。结合同位素示踪与分子生物学技术探索了稻田深层土壤中anammox与AOA的存在及特性。结果表明,在沼渣处理废水浇灌的高含氮稻田深层土壤中,anammox与AOA共存。通过构建克隆文库发现,此土壤中厌氧氨氧化菌的生物多样性相对较低,35个克隆序列只分为4个独立操作单元(OTU),代表序列与Genebank数据库中已探明的厌氧氨氧化菌Candidatus 'Kuenenia stuttgartiensis’的同源性超过95%;对氨氧化古菌的分析发现,20个克隆子共得到5个OTU,其与基因库中土壤/沉积物进化分支关系最近,序列的同源性部分超过98%。同位素示踪的初步结果表明,anammox产生的氮气占此土壤总氮气生成量的24.1%-29.8%。AOA与anammox的共存为anammox反应的广泛存在与发生提供了新思路。     

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。     

海洋厌氧氨氧化细菌分子生态学研究进展

厌氧氨氧化细菌是能在厌氧的条件下将氨氧化为氮气的一类细菌,这类细菌执行着以前未被人们所认知的一个独特的过程--氧氨氧化过程,据估计厌氧氨氧化过程对于海洋氮气的形成有30%～50%的贡献率;海洋厌氧氨氧化细菌能与氨氧化细菌及氨氧化古菌存在潜在的耦合作用,对于海洋氮循环复杂机制的阐述有着非常重要的意义;同时海洋厌氧氨氧化细菌独特的细胞和基因组结构,也成为了解海洋细菌进化重要的模式微生物之一.本文综述了近年来国内外厌氧氨氧化细菌分子生态学方面的进展,并结合作者的工作对未来的研究进行展望.     

河口生态系统氨氧化菌生态学研究进展

由amoA基因编码的氨单加氧酶(AMO)所调控的氨氧化作用,是硝化作用的限速步骤和中心环节,而含有amoA基因的氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)多样性与环境因子关系密切,对缓解河口生态系统因人类活动造成的富营养化等环境问题具有特别重要的意义。水、陆和海交汇形成高度变异的具环境因子梯度的河口生态系统,是研究AOA和AOB生态学的天然实验室。河口AOA与AOB的群落组成、丰富度特征和生物有效性,与河口主要环境因子盐度、富营养化程度、植被、温度、碳、氮、硫、铁等,尤其是对盐度和富营养化有着较为强烈的响应。AOA和AOB多样性变化规律及其与河口特有的环境因子之间的相关性,应当是今后我国河口氨氧化菌研究的方向和重点。包括:(1)建立有效的氨氧化菌活性评价方法;(2)研究AOA的同化作用方式;(3)依据氨氧化菌分类和组成对河口环境变化的适应进化机制,建议可作为指示河口环境质量变化的生物标记;(4)将传统的分离培养方法与现代分子生物学研究方法相结合,筛选我国河口高效的氨氧化菌,并将其应用于生产。     

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。     

氨氧化古菌及其对氮循环贡献的研究进展

硝化作用先将氨氮氧化为亚硝酸盐氮并进一步氧化为硝酸盐氮,这一过程是氮进行全球生物化学循环的重要环节。随着氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)基因组序列中氨单加氧酶编码基因(amoA)的发现以及AOA在实验室条件下的成功培养(包括分离纯化和富集培养),基于分子生物学的研究表明AOA在各种环境广泛存在,且多数生境中它的数量远远超过氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)。AOA相对于AOB在氮循环中的贡献也引起了多方面的论证和争论。本文就氨氧化古菌的生态分布、系统进化、生境存在丰度及参与硝化作用等进行综述,指出不同生境AOA的活性及其对氮循环的重要性仍需做进一步的研究。     

酸性土壤氨氧化微生物及其影响因素研究进展

自然条件变化和人类活动不仅加剧了土壤酸化,扩大了酸性土壤面积,而且严重影响了土壤氮循环。氨氧化过程作为硝化作用的限速步骤,是全球氮循环的核心环节,受到国内外研究者的广泛关注。探究酸性土壤氨氧化作用及其功能微生物对完善氮循环机制和促进土壤养分循环具有重要意义。本文主要综述了土壤中氨氧化代谢途径,对比了氨氧化细菌(ammoniaoxidizing bacteria, AOB)、氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)和全程硝化菌(complete ammoniaoxidizers,Comammox)对酸性土壤氨氧化作用的相对贡献,分析了微生物内源功能差异及pH、底物浓度等外部环境因素对氨氧化微生物丰度、活性和群落结构的影响,最后对氨氧化微生物研究进行了展望,以期为酸性土壤氨氧化作用研究和微生物修复技术应用与实践提供科学参考。     

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。     

长期施肥对土壤氨氧化微生物的影响

长期施肥可改变土壤碳氮等养分供应,进而影响微生物数量与群落组成。本研究基于棕壤长期定位实验站,分析不同施肥方式下(不施肥,CK;低量无机氮肥,N₂;高量无机氮肥,N₄;有机无机氮肥配施,M₂N₂)土壤氨氧化古菌(AOA)和细菌(AOB)的变化,为土壤氮素转化的微生物学机制和培肥土壤提供依据。结果表明:不同施肥方式下,土壤AOA与AOB的数量比值为2.28～61.95。与CK相比,施肥后土壤AOA数量降低了1.6%～13.6%。N₄处理AOB数量随土壤深度增加呈先降低后升高的趋势,其他处理则相反。土壤AOB群落Shannon多样性指数、均匀度指数和Simpson指数均高于AOA。M₂N₂处理0～20 cm土层土壤AOB多样性增加,但AOA多样性降低。土壤AOB主要因土壤深度发生聚类,AOB和AOA均未因施肥方式发生聚类。综上,长期施肥改变了土壤AOA和AOB的构成状况,AOA对环境变化较为敏感,AOB较为丰富和稳定。     

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。     

Environmental factors shaping the ecological niches of ammonia-oxidizing archaea

For more than 100 years it was believed that bacteria were the only group responsible for the oxidation of ammonia. However, recently, a new strain of archaea bearing a putative ammonia monooxygenase subunit A ( amoA ) gene and able to oxidize ammonia was isolated from a marine aquarium tank. Ammonia-oxidizing archaea (AOA) were subsequently discovered in many ecosystems of varied characteristics and even found as the predominant causal organisms in some environments. Here, we summarize the current knowledge on the environmental conditions related to the presence of AOA and discuss the possible site-related properties. Considering these data, we deduct the possible niches of AOA based on pH, sulfide and phosphate levels. It is proposed that the AOA might be important actors within the nitrogen cycle in low-nutrient, low-pH, and sulfide-containing environments.     

Contemporary and pre-industrial global reactive nitrogen budgets

Increases and expansion of anthropogenic emissions of both oxidized nitrogen compounds, NO_x, and a reduced nitrogen compound, NH₃, have driven an increase in nitrogen deposition. We estimate global NO_x and NH₃ emissions and use a model of the global troposphere, MOGUNTIA, to examine the pre-industrial and contemporary quantities and spatial patterns of wet and dry NO_y and NH_x deposition. Pre-industrial wet plus dry NO_x and NH_x deposition was greatest for tropical ecosystems, related to soil emissions, biomass burning and lightning emissions. Contemporary NO_y+NH_x wet and dry deposition onto Northern Hemisphere (NH) temperate ecosystems averages more than four times that of preindustrial N deposition and far exceeds contemporary tropical N deposition. All temperate and tropical biomes receive more N via deposition today than pre-industrially. Comparison of contemporary wet deposition model estimates to measurements of wet deposition reveal that modeled and measured wet deposition for both NO ₃ ^– and NH ₄ ⁺ were quite similar over the U.S. Over Western Europe, the model tended to underestimate wet deposition of NO ₃ ^– and NH ₄ ⁺ but bulk deposition measurements were comparable to modeled total deposition. For the U.S. and Western Europe, we also estimated N emission and deposition budgets. In the U.S., estimated emissions exceed interpolated total deposition by 3-6 Tg N, suggesting that substantial N is transported offshore and/or the remote and rural location of the sites may fail to capture the deposition of urban emissions. In Europe, by contrast, interpolated total N deposition balances estimated emissions within the uncertainty of each.Abbreviations EMEP European Monitoring and Evaluation Program - GEIA Global Emissions Inventory Activity - NADP/NTN National Atmospheric Deposition Program/National Trends Network in the US - NH Northern Hemisphere - NH_x=NH₃+NH ₊ ⁴ NO_x=NO+NO₂ NO_y total odd nitrogen=NO_x+HNO₃+HONO+HO₂NO₂+NO₃+radical (NO₃ ^.)+Peroxyacetyl nitrates+N₂O₅+organic nitrates - SH Southern Hemisphere - Gg 10⁹ g - Tg 10¹² g