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。     

厌氧氨氧化菌的研究进展

近年来,有关厌氧氨氧化过程这一特殊的生化机制以及微生物类群的研究引起了人们的极大关注,尤其是这类微生物的生态生境可能比人们预想的范围更加广泛,因而在自然界N循环中可能具有重要意义。对这类菌结构特征、系统发育地位以及厌氧氨氧化小体和厌氧氨氧化机制的更深入认识将大大促进它们在污水处理工程中的应用。综述了近年来有关厌氧氨氧化菌的生理特性、生化机制、结构特点、生态生境以及工程应用等方面的最新进展。     

高通量测序分析多种典型生境中厌氧氨氧化细菌的多样性分布特征

【背景】厌氧氨氧化过程是氮素循环过程的重要途径之一,在氮素循环中发挥重要作用。先前的研究已经证实了厌氧氨氧化细菌存在于多种生境中,但对其多样性分布还没有系统的研究。【目的】对厌氧氨氧化细菌在不同类型生境中的多样性分布规律进行深入分析,充分展示其在不同生境中的群落结构特点,并揭示多样性分布与环境因素之间的关系。【方法】在建立厌氧氨氧化细菌16S rRNA基因序列数据库的基础上,运用高通量测序技术分析其在不同生境中的多样性分布特征。【结果】厌氧氨氧化细菌在红树林、海湾和河口生境中的多样性水平较高,而污泥和红壤的多样性水平明显较低。系统发育分析表明,这些生境中的厌氧氨氧化细菌主要由Candidatus Brocadia、Ca.Scalindua和未明确分类地位的菌属组成;从河流到红树林生态系统,随着盐度的增加,厌氧氨氧化细菌的优势种属由Ca. Brocadia转变到Ca. Scalindua,相关性分析也表明了盐度是导致不同生境中厌氧氨氧化细菌群落结构差异的主要因素。【结论】不同生境中存在不同的厌氧氨氧化细菌种群结构,环境条件的差异影响了厌氧氨氧化细菌的种群分布和系统演化。     

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。     

厌氧氨氧化菌的代谢途径及其关键酶的研究进展

作为新型生物脱氮工艺的代表,厌氧氨氧化反应的代谢功能菌——厌氧氨氧化(Anammox)菌也逐渐成为研究的热点。本文介绍了10种Anammox菌的发现过程,阐述了Anammox菌的关键酶的研究进展。通过对Candidatus"Brocadia anammoxidans"和Candidatus"Kuenenia stuttgartiensis"菌的代谢途径的分析和推理,综述了化学计量模型、生化反应模型和能量代谢模型,并提出了一种可能存在的基于关键酶的厌氧氨氧化菌微界面代谢新途径。     

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。     

厌氧氨氧化反应器启动过程的影响因素及微生物群落变化研究进展

自厌氧氨氧化反应发现以来,由于其具有低能耗、无需外加碳源等优点,已成为人们在污水生物脱氮研究与应用中的最新关注点。然而,由于极低的生长速率、极长的倍增时间以及严格的代谢条件等特点,限制了厌氧氨氧化菌的应用。综述了厌氧氨氧化菌富集培养过程中的影响因素,介绍了不同污泥来源的厌氧氨氧化优势菌属、分子鉴定方法,提供了部分用于厌氧氨氧化菌鉴定使用的引物序列和厌氧氨氧化菌最新发现的属与种。最后,对未来的研究方向提出一些建议思考,以期为厌氧氨氧化工艺在污水处理中的应用提供参考。     

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。     

基于数据库分析不同类型生境中厌氧氨氧化细菌的多样性分布特征

【目的】厌氧氨氧化过程是一种能在厌氧条件下氧化NH4+同时还原NO2–或者NO3–生成N2的过程,是氮素循环过程的重要途径之一。厌氧氨氧化过程由厌氧氨氧化细菌催化完成,目前通过分子生物学的手段已证实了厌氧氨氧化细菌存在于多种类型的生境中,本文对厌氧氨氧化细菌在不同类型生境中的多样性分布规律进行了系统分析。【方法】基于NCBI数据库中厌氧氨氧化细菌的16SrRNA基因序列,利用Mothur分析平台系统分析了厌氧氨氧化细菌在不同生境中的多样性分布规律和特征。【结果】分析表明,海洋环境中Ca. Scalindua属的厌氧氨氧化细菌占绝对主导;淡水和农业土壤中Ca. Brocadia属的厌氧氨氧化细菌占优势;工程系统中普遍存在Ca. Brocadia和Ca. Kuenenia属的厌氧氨氧化细菌;而湿地和河口环境中厌氧氨氧化细菌多样性最高,Ca. Scalindua、Ca. Brocadia和Ca. Kuenenia属的厌氧氨氧化细菌均有较高的相对丰度,显示出了陆地与海洋交汇的显著特征。【结论】本研究系统展示了不同的生境中厌氧氨氧化细菌的多样性群落结构生境分布特征,表明环境特征差异直接影响了厌氧氨氧化细菌的种群分布和系统演化。     

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。     

Effects of Environmental Factors on Anammox Bacterial Community Structure in Sediments of a Freshwater Aquaculture Farm,Yangcheng Lake

Previous studies have reported wide distribution of anaerobic ammonia oxidation (anammox) bacteria in various ecosystems. However, little is known about the distribution of anammox bacteria under varying environmental conditions in intensive aquaculture systems. In Yangcheng Lake, a famous crab farm situated in the Yangtze River Delta, sediment samples were collected in October (feeding period) and January (nonfeeding period) to analyze the distribution and diversity of anammox bacteria and their relationships with environmental factors. Based on the functional biomarker of Anammox bacteria, hzo gene, anammox bacterial clone libraries were constructed and their abundances were determined by quantitative PCR (qPCR). The Anammox bacteria were detected in the lake with the abundances ranging from 0.70 × 10⁵ to 6.05 × 10⁵ copies per gram of sediment. Sequences from eight clone libraries yielded seven unique operational taxonomic units (OTUs), distantly related to the Candidatus Jettenia genera with a similarity of about 91%. The Anammox bacterial community structures, diversities and abundances varied spatiotemporally with environmental conditions. In October, the level of the nitrogen compounds, the diversity, evenness and abundance of Anammox bacteria were higher than in January. The predominant OTU of samples changed from HZO-OTU-1 (34.25%) in January to HZO-OTU-2 (28.90%) in October. Moreover, the site (SW) nearing to sewage inlet was lack of HZO-OTU-7 in January. Canonical correspondence analysis (CCA) showed that the pore water NO₂^? concentration, ammonium to nitrogen oxides ratio (NH₄⁺/NO_x^?) and total organic carbon to total nitrogen ratio (TOC/TN) contributed most to Anammox bacterial community structures variances. Pearson correlations analysis revealed that the Anammox bacteria abundance had positive co-relationships with TN, NH₄⁺, NO₃^? concentrations, and negative correlation with TOC/TN in porewater.     

厌氧铵氧化过程中关键酶及相关分子标记在生态学研究中的应用进展

厌氧铵氧化是由微生物介导的氮素循环过程中的重要途径之一。近20年来,通过对厌氧铵氧化细菌生态学、基因组学和生理代谢特性的探索,人们对其微生物学机制已经有了较多的认识:厌氧铵氧化细菌通过亚硝酸盐还原酶将亚硝酸根离子还原为一氧化氮,进而与铵离子结合在联氨合成酶的作用下生成联氨,最后通过联氨氧化酶的催化产生终产物氮气。同时,对参与这些过程的关键酶及其功能基因的认识有助于选择新的分子标记,从而为研究厌氧铵氧化细菌的多样性和分子生态学特征提供新的工具,以弥补16S rRNA基因特异性相对较低且难以与生态功能关联等方面的不足。对目前已知的参与厌氧铵氧化过程的3种关键酶的研究历程和现状进行了评述,并总结了利用3种功能基因进行厌氧铵氧化细菌生态学研究的最新进展。     

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。     

Characterization of functional microbial community in a membrane-aerated biofilm reactor operated for completely autotrophic nitrogen removal

The 16S rDNA-based molecular technique was applied to investigate the functional microbial community of a membrane-aerated biofilm (MAB) that was used for completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON). The relationships among two kinds of key bacteria responsible for CANON: aerobic ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and Anammox bacteria, and their possible distributions in the MAB were discussed based on the microbial community analysis. FISH analysis showed the existence of two visible active layers in experimental MAB. One is the partial nitrifying layer located in the region of oxygen-rich membrane-biofilm interface, dominated by NSO190-positive AOB. The other is the Anammox active layer located in the region of anoxic liquid-biofilm interface, dominated by PLA46 and AMX820-positive Anammox microorganisms. As a result of this study, the AOB as well as Anammox bacteria were present and active in experimental MABR, and the cooperation between AOB and Anammox bacteria was considered to be responsible for CANON.     

Bacterial community structure of a lab‐scale anammox membrane bioreactor

Autotrophic nitrogen removal technologies have proliferated through the last decade. Among these, a promising one is the membrane bioreactor (MBR) Anammox, which can achieve very high solids retention time and therefore sets a proper environment for the cultivation of anammox bacteria. In this sense, the MBR Anammox is an efficient technology for the treatment of effluents with low organic carbon and high ammonium concentrations once it has been treated under partial nitrification systems. A lab‐scale MBR Anammox bioreactor has been built at the Technological University of Delft, The Netherlands and has been proven for efficient nitrogen removal and efficient cultivation of anammox bacteria. In this study, next‐generation sequencing techniques have been used for the investigation of the bacterial communities of this MBR Anammox for the first time ever. A strong domination of Candidatus Brocadia bacterium and also the presence of a myriad of other microorganisms that have adapted to this environment were detected, suggesting that the MBR Anammox bioreactor might have a more complex microbial ecosystem that it has been thought. Among these, nitrate‐reducing heterotrophs and primary producers, among others, were identified. Definition of the ecological roles of the OTUs identified through metagenomic analysis was discussed. © 2014 American Institute of Chemical Engineers Biotechnol. Prog., 31:186–193, 2015     

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.