基于代谢组的厌氧氨氧化菌群对温度的响应机制

【背景】在环境工程领域中,大多数耐冷菌从活性污泥中分离得到。了解活性污泥菌群对低温的响应有助于耐冷菌的驯化培养。【目的】以厌氧氨氧化污泥菌群作为研究对象,研究温度对厌氧氨氧化菌群代谢通路与代谢产物的影响,以期初步阐释厌氧氨氧化菌群低温响应机理。【方法】在25°C与35°C条件下驯化培养厌氧氨氧化污泥,研究温度对反应器脱氮效能、菌群活性与生长以及群落结构的影响,通过代谢组学比较两个温度下厌氧氨氧化菌群代谢物丰度以及代谢通路活性。【结果】虽然低温导致厌氧氨氧化菌群CO_2固定、TCA循环与丙酮酸代谢的下调,进而导致氮去除活性以及增长速率显著下降,但菌群RNA合成水平、腐胺与信号分子合成上调,从而通过转录调控、调控膜脂组成与改变膜结构的方式,调控菌群代谢以适应低温环境。【结论】从分子机理的角度探究了厌氧氨氧化污泥菌群适应低温环境的生理机制,首次阐释了腐胺与信号分子在污泥菌群适应低温过程中的重要作用。     

厌氧氨氧化菌群体感应系统研究

厌氧氨氧化(Anammox)是以铵为电子供体将亚硝酸盐转化为氮气的生物过程。厌氧氨氧化菌(AAOB)生理代谢和细胞结构均十分特殊,且在氮素循环中起着十分重要的作用。厌氧氨氧化已成为环境学、微生物学、海洋学等领域的研究热点。但是,至今人们未能对厌氧氨氧化菌进行纯培养,这严重限制了对厌氧氨氧化菌的深入研究。群体感应是一种普遍存在于微生物细胞之间的通讯机制,它具有根据菌群密度和周围环境变化调节基因表达,以控制细菌群体行为的功能。厌氧氨氧化菌活性的细胞密度效应和生物团聚行为与细菌中普遍存在的群体感应现象相符。探讨了厌氧氨氧化菌群体感应系统存在的可能性、工作机制及其生态学意义,以期为厌氧氨氧化菌的分离培养、团聚体培育等提供理论指导。     

厌氧氨氧化菌的物种多样性与生态分布

厌氧氨氧化是微生物和环境领域的重大发现,厌氧氨氧化可同时去除氨氮和亚硝氮,在环境工程上具有重大开发价值.由于厌氧氨氧化菌生长极慢,倍增时间长达11 d以上,严重制约了该反应的开发进程,因此,对厌氧氨氧化菌的研究具有重要意义.厌氧氨氧化菌种类丰富,除了人们最早认识的浮霉状菌外,还有硝化细菌和反硝化细菌,这些菌群生态分布广泛,为开辟新的厌氧氨氧化菌种资源创造了条件.硝化细菌和反硝化细菌兼有厌氧氨氧化能力,其代谢多样性为加速厌氧氨氧化反应器的启动提供了依据.厌氧消化污泥可呈现硫酸盐型厌氧氨氧化活性,可为新型生物脱氮工艺的研发奠定基础.探明厌氧氨氧化菌种资源及其生态分布,将有利于厌氧氨氧化的开发应用.     

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。     

白洋淀富营养化湖泊湿地厌氧氨氧化菌的分布及对氮循环的影响

随着生物反应器和海洋生态系统中厌氧氨氧化反应的发现,自然生态系统的氮循环过程被重新认识,但是目前厌氧氨氧化过程是否也存在于富营养化湖泊湿地并发挥着重要作用,还未见报道。结合15N同位素示踪与分子生物学技术研究了白洋淀湖泊湿地沉积物中厌氧氨氧化菌的分布、菌群结构特性、生物多样性及其活性。结果表明,在藻类影响导致的高氨氮沉积物中,厌氧氨氧化菌具有广泛存在性。通过构建16S rRNA克隆文库发现,沉积物中厌氧氨氧化菌的生物多样性相对较低,在2%差异度的条件下,30个克隆序列只分为5个操作分类单元(OTUs),代表序列与Genebank数据库中已探明的厌氧氨氧化菌Candidatus Brocadia fulgida和Candidatus Brocadia anammoxidans同源性最高,分别可达97%和96%。同位素示踪结果表明,白洋淀湖泊湿地沉积物中厌氧氨氧化活性为0.19—7.78 nmol N g-1h-1,空间差异较大,产生的氮气占此沉积物总氮气生成量的0.64%—20.65%,体现了湿地的异质性。通过得出的厌氧氨氧化反应速率推算每年由厌氧氨氧化反应损失的氮量为1.8—78gN m-2a-1,对白洋淀氮循环起到非常重要的作用。富营养化湖泊湿地沉积物中厌氧氨氧化反应的发现为研究厌氧氨氧化对氮循环的重要影响提供了新证据。     

厌氧氨氧化菌的研究进展

厌氧氨氧化技术是一种新型生物脱氮技术,在废水处理中具有广泛的应用前途,对全球海洋的氮循环起着重要作用。由于反应中不需另加有机物、不消耗氧气、不会产生二次污染等优点,厌氧氨氧化技术受到格外关注。通常认为,厌氧氨氧化的机理在于厌氧氨氧化菌使氨和亚硝酸反应生成氮气。通过16SrRNA分子生物学方法已鉴定出该菌群属于分枝很深的浮霉菌,由于至今未能成功分离到纯的菌株,未正式命名,对其微生态环境以及生理生化特征也未能取得一致的意见。本文综述了国内外对厌氧氨氧化微生物的作用、分布、种类、生理生化特征等研究进展,认为厌氧氨氧化菌的分离纯化、生物特性、小生境等是今后的主要研究方向。     

流加菌种对厌氧氨氧化工艺的影响

厌氧氨氧化工艺具有很高的容积氮去除速率,现已成功应用于污泥压滤液等含氨废水的脱氮处理,容积氮去除速率高达9.5 kg/(m3·d)。但由于厌氧氨氧化菌为自养型细菌,生长缓慢,对环境条件敏感,致使厌氧氨氧化工艺启动时间过长,运行容易失稳,并且不适合处理有机含氨废水和毒性含氨废水,极大地限制了该工艺的进一步推广应用。为了克服厌氧氨氧化工艺实际应用中存在的问题,结合发酵工业中常用的菌种流加技术,提出了一种新型的菌种流加式厌氧氨氧化工艺,研究了该新型工艺在厌氧氨氧化工艺的启动过程、稳定运行以及处理有机含氨废水和毒性含氨废水等方面的应用情况。结果表明,通过向反应器内补加优质厌氧氨氧化菌种,可提高厌氧氨氧化菌数量及其在菌群中的比例,强化厌氧氨氧化功能。据此研发的菌种流加式厌氧氨氧化工艺不仅可以实现快速启动,而且可以稳定运行,并突破了有机物和毒物所致的运行障碍,拓展了厌氧氨氧化工艺的应用范围。     

厌氧氨氧化反应器的启动研究

目的：对UASB-生物膜反应器进行厌氧氨氧化反应的启动研究。方法：以自配含氨氮和亚硝氮的废水为进水,以氧化沟工艺城市污水处理厂回流污泥为接种污泥。结果：反应器内部菌群进行了竞争,在运行至第66d时氨氮、亚硝酸盐氮的去除率分别达到了60.4%、58.7%,同时有硝酸盐氮生成,表明厌氧氨氧化反应已经成为反应器内的主导反应。结论：厌氧氨氧化反应器实现了快速启动。     

厌氧氨氧化颗粒污泥聚集机制研究进展

厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,anammox)工艺被认为是当前污水生物脱氮领域最经济的处理工艺,有利于实现污水处理厂的能源自给。厌氧氨氧化菌是该工艺的核心功能微生物。以厌氧氨氧化菌为主导微生物形成的厌氧氨氧化颗粒污泥具有沉速大、污泥持留能力强及对不利环境抵抗能力强等突出优势,是实现厌氧氨氧化工艺最有前景的污泥形态。本论文围绕厌氧氨氧化颗粒,介绍了厌氧氨氧化菌的特性、种类及代谢途径,综述了厌氧氨氧化颗粒污泥的形成假说及与厌氧氨氧化颗粒污泥聚集密切相关的胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)和群体感应研究现状,并对今后厌氧氨氧化颗粒的研究进行了展望,以期为后续厌氧氨氧化颗粒的研究及厌氧氨氧化颗粒工艺的优化提供参考。     

红壤地下水厌氧氨氧化菌分布特征及环境响应

【目的】进一步了解红壤区地下水中厌氧氨氧化菌群落结构分布规律及其生态功能差异化机制。【方法】以酸性红壤地下水为研究对象,结合理化指标和微生物高通量测序技术,研究吉安市地下水中微生物群落结构和厌氧氨氧化菌的分布规律及其影响因子。【结果】11个地下水研究点中,氮含量超标点位有3个,超标率达27.3%;仅有2个站点的水质符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2022)要求,超标率达81.8%。地下水中厌氧氨氧化菌广泛存在,11个样品的厌氧氨氧化细菌hzsB基因拷贝数在3.67×10⁴-6.62×10⁸ copies/g,与其他生态系统相比,红壤地下水厌氧氨氧化菌功能基因拷贝数更高,说明地下水环境特性更适合厌氧氨氧化细菌生长代谢。每个点位均检测出厌氧氨氧化菌的4个属：CandidatusBrocadia为优势菌属,平均丰度值为62.47%,Candidatus Scalindua平均丰度值为17.44%,Candidatus Jettenia平均丰度值为14.41%,Candidatus Kuenenia平均丰度值为5.67%。相关性分析表明,厌氧氨氧化菌基因丰度与氨氮、锰、氯化物相关性显著,可见地下水中氨氮、锰、氯化物含量的升高可能会增强厌氧氨氧化菌的活性及丰度。【结论】本研究结果突出了厌氧氨氧化菌对红壤地下水元素地球化学生物循环的重要价值,可为我国红壤区地下水污染的生物防治技术的研究提供基础资料。     

厌氧氨氧化体的组成、结构与功能

厌氧氨氧化(Anammox)是微生物和环境领域的研究热点之一。厌氧氨氧化菌(AnAOB)是Anammox的功能载体。不同于大部分原核微生物,AnAOB具有独特的细胞器——厌氧氨氧化体,它是进行Anammox代谢的场所。研究厌氧氨氧化体有助于探明厌氧氨氧化菌的代谢特性。本文综述了厌氧氨氧化体的组成、结构与功能,以期为从事Anammox研究的同行提供参考。     

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。     

厌氧氨氧化颗粒污泥研究进展

厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation,Anammox)工艺是一种新的生物脱氮技术。一经问世即得到人们青睐,现已成为废水脱氮的升级技术。厌氧氨氧化菌(Anaerobicammoniumoxidation bacteria,AnAOB)是Anammox工艺的功能之源。以颗粒污泥形态存在的AnAOB是Anammox颗粒污泥床脱氮系统的重要支柱。由于AnAOB生长缓慢且对环境条件变化敏感,Anammox脱氮系统不仅启动缓慢,而且运行极易失稳甚至崩溃。值得庆幸的是,AnAOB可自主选择、组合和固定功能菌群落而形成Anammox颗粒污泥,并通过其优良的重力沉降性能和高效的基质转化性能保障Anammox脱氮系统的持续工作。本文综述了AnAOB的种类和特性及Anammox颗粒污泥的组成、结构和功能,以期为Anammox工艺的优化和拓展提供参考。     

厌氧氨氧化菌火山口结构

厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, anammox)是微生物学、地质学和环境学领域的重要反应,厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonium-oxidizing bacteria, AnAOB)是厌氧氨氧化的驱动器,探明AnAOB的生物学性状对厌氧氨氧化的应用具有重要意义。火山口结构是AnAOB的标志性微观结构,也是AnAOB的重要识别特征。由于迄今没有获得AnAOB纯培养物,相关研究进展缓慢。本文对AnAOB及其所归属的浮霉状菌的火山口结构研究进展作了综述,探讨了火山口结构的形态特征、生理功能和生态意义,得出以下结论:(1) AnAOB的火山口结构均匀分布在细胞表面,其直径约5 nm;(2) AnAOB的火山口结构推测向外可连通细胞外膜和内膜,向内可与厌氧氨氧化体膜相连,对于物质转运及转化具有重要意义;(3)火山口结构具有遗传稳定性,其形成可能与鞭毛脱落相关;(4) AnAOB的火山口结构可能通过促进细胞物质交流、信息通讯等在维持其生态位稳定方面起作用。     

Influence of Plants and Organic Matter on the Nitrogen Removal in Laboratory‐Scale Model Subsurface Flow Constructed Wetlands Inoculated with Anaerobic Ammonium Oxidizing Bacteria

Anaerobic oxidation of ammonium has become an alternative for the treatment of wastewater with high ammonium loads, and it was also suggested to be involved in the nitrogen removal process in constructed wetlands. Nonetheless, its role has not been well evaluated as yet. In this paper, results of a lab‐scale study are presented focusing on the evaluation of the role of Anammox bacteria, plants, applied ammonia, nitrite nitrogen loads, and the presence of organic matter in nitrogen transformation processes in subsurface‐flow constructed wetlands. The inoculation of the experimental model wetlands with active Anammox biomass increased the total nitrogen and ammonium removal rates to values up to 5.7 g N/m² d, which is almost 10 times higher than those values reported for subsurface flow constructed wetlands. Although the presence of plants caused a higher removal rate, the role of the plants became less important with high nitrite influent concentration. Because the unplanted experimental system without the addition of any organic carbon source showed also high nitrogen removal rates, it can be concluded that beside the potential for “conventional” denitrification in the planted systems the main mechanism for explaining the high nitrogen removal rates obtained during the experiments was the anaerobic ammonia oxidation. The assay of the formation of hydrazine from hydroxylamine and the findings of the molecular biology tests fitted with the positive results for potential Anammox activity obtained in the bottle test. The addition of organic carbon, specifically acetate, apparently had no great influence on Anammox activity, which is in agreement with the findings reported by other authors. Nevertheless, the addition influenced the redox potential. Some questions are still left open, which are mainly associated with the scaling up of these results and the inoculation of Anammox biomass in full‐scale systems.     

厌氧氨氧化细菌的研究进展

厌氧氨氧化是指微生物在无氧条件下,以NO_2~–为电子受体,将NH_4~+氧化成N_2的过程,该过程主要由浮霉菌门下的厌氧氨氧化细菌参与。厌氧氨氧化细菌广泛存在于海洋生态系统、淡水生态系统、陆地生态系统及其他一些特殊生境中,其在废水生物脱氮和地球氮循环中扮演着重要角色。本文从厌氧氨氧化细菌的发现历程、种类、特性、代谢途径、分布、检测方法及应用上进行了较为全面的总结;最后对厌氧氨氧化细菌研究前沿问题和未来发展方向进行了探讨与展望。     

Treatment of landfill leachate using UASB-MBR-SHARON–Anammox configuration

Leachate treatment is a challenging issue due to its high pollutant loads. There are several studies on feasible treatment methods of leachate. In the scope of this study, high organic content of young leachate was eliminated using an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) and a membrane bioreactor (MBR) in sequence and effluent of the system was given to single reactor for high activity ammonia removal over nitrite (SHARON) and anaerobic ammonia oxidation (Anammox) reactors to remove nitrogen content. All reactors were set up at lab scale in order to evaluate the usage of these processes in sequencing order for leachate treatment. COD and TKN removal efficiencies were over 90 % in the combined processes which were operated during the study. The biodegradable portion of organic matter was removed with an efficiency of 99 %. BOD₅ concentration decreased to 50 mg/L by UASB and MBR in sequence even the influent BOD₅ concentration was over 8,000 mg/L. Although high nitrogen concentrations were observed in raw leachate, successful removal of nitrogen was accomplished by consecutive operations of SHARON and Anammox reactors. The results of this study demonstrated that with an efficient pretreatment of leachate, the combination of SHARON–Anammox processes is an effective method for the treatment of high nitrogen content in leachate.     

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.     

厌氧氨氧化菌的中心代谢研究进展

摘要: 厌氧氨氧化是以NH +4为电子供体,以NO－2为电子受体产生N2的生物反应。厌氧氨氧化菌是厌氧氨氧化过程的执行者,在废水生物脱氮和地球氮素循环中扮演着重要角色。研究厌氧氨氧化菌的代谢特性,将有助于理解厌氧氨氧化过程,开发厌氧氨氧化工艺。厌氧氨氧化菌是化能自养型细菌,以CO2或HCO－3为碳源,并通过偶联NH+4氧化和NO －2还原的生物反应获得能量。在NH+4/NO－2的生物氧化还原反应过程中,检出了中间产物N2H4,但未检出其他中间产物(如NH2OH、NO)。此外,由基因组信息推断,厌氧氨氧化菌