厌氧氨氧化菌特性及其在生物脱氮中的应用

在无分子氧环境中,同时存在NH4^＋和NO2^-时,NH4^＋作为反硝化的无机电子供体,NO2^-作为电子受体,生成氮气,这一过程称为厌氧氨氧化。目前已经发现了3种厌氧氨氧化菌（Brocadia anammoxidans,Kuenenia stuttgartiensis,Scalindua sorokinii）;对厌氧氨氧化菌的细胞色素、营养物质、抑制物、结构特征和生化反应机理的研究表明,厌氧氨氧化菌具有多种代谢能力。基于部分硝化至亚硝酸盐,然后与氨一起厌氧氨氧化,以及厌氧氨氧化菌与好氧氨氧化菌或甲烷菌的协同耦合作用,提出了几种生物脱氮的新工艺（ANAMMOX、SHARON—ANAMMOX、CANON和甲烷化与厌氧氨氧化耦合工艺）。     

铁矿物强化厌氧氨氧化效能及其微生物机制研究进展

自然界中的氮循环与铁循环相互交联,参与氮循环的厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation,anammox）菌的生长代谢及活性发挥也与铁元素紧密关联。自然界广泛存在的铁矿物因具有运行成本低廉、稳定性好、二次污染小等优势,在污水处理领域得到广泛应用。在厌氧氨氧化脱氮系统中引入适量铁矿物,不仅有助于促进anammox菌和铁还原菌的富集,提高功能基因丰度和相关酶活性,还可能通过影响污泥浓度、血红素c含量、胞外聚合物含量和颗粒化程度,改善污泥性能和提高厌氧氨氧化系统的稳定性。同时,铁矿物具有促进体系多种氮素转化途径（如anammox、铁自养反硝化、铁氨氧化、异化硝酸盐还原成铵和反硝化）相耦合的潜能,可以提高anammox污水处理系统的总氮去除率。本文基于铁矿物在促进污水生物脱氮方面的良好性能及其在anammox系统中的变化,从脱氮效能、污泥特性、微生物特征及酶活性等方面,系统综述了铁矿物对厌氧氨氧化系统的强化作用机制,并从anammox菌对铁矿物的利用及铁元素的摄取角度展望了后续的研究方向,以期为铁矿物强化厌氧氨氧化系统的实际应用提供理论和技术指导。     

污水脱氮功能微生物的组学研究进展

生物脱氮是污水处理厂的核心,掌握生物脱氮过程相关微生物代谢特性,对于探索微生物资源和提高污水处理厂脱氮性能具有重要意义。近年来,分子生物学方法不断发展和改进,已被广泛应用于揭示脱氮微生物群落多样性、组成结构和潜在功能等方面,大幅提升了研究者们对污水生物脱氮系统中微生物,尤其是不可培养微生物的代谢机理、抑制调控原理及新型生物脱氮工艺途径的认识。本文对流行的分子生物学方法（16S rRNA基因测序、实时荧光定量PCR技术、宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学和代谢组学）进行了介绍,综述了其在硝化细菌、反硝化细菌、完全氨氧化细菌、厌氧氨氧化细菌、厌氧铁氨氧化细菌、硫酸盐型厌氧氨氧化细菌及亚硝酸盐/硝酸盐型厌氧甲烷氧化微生物等方面的研究进展,阐明了这些氮素转化微生物在氮循环过程的代谢途径和酶促反应,并从标准测定方法构建、不同方法的联用及跨学科结合和检测方法的简易化这3个方面展望了分子生物学方法的技术突破及其在污水生物处理系统中的应用前景。本综述从系统角度全面认识脱氮微生物群落及其结构,为未来污水处理生物脱氮微生物的研究提供了新方向。     

滇池沉积物中厌氧氨氧化细菌分布的时空差异

正厌氧氨氧化作用(Anaerobic Ammonia Oxidation,Anammox)是细菌在厌氧条件下,以NO_2~-为电子受体,以铵离子为电子供体的氧化还原反应[1]。厌氧氨氧化细菌的生长极为缓慢,只能在高菌体浓度时才显示其氨氧化活性,且对氧的存在十分敏感,所以传统的微生物纯化、分离和培养的方法并不适用于厌氧氨氧化细菌。由于微生物可培养技术的局限性,因此实时荧光定量PCR技术成为定量描述难培养微生物分布和丰度的有力手段[2]。宋亚娜等[3]。利用荧光定量PCR方法对土壤中厌氧氨氧化细菌进行了检测,但对于高原湖泊底泥中厌氧氨氧化细     

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。     

厌氧氨氧化在污水处理中的研究进展

厌氧氨氧化(ANAMMOX)是指厌氧氨氧化细菌在厌氧条件下以亚硝酸盐为电子受体将氨氮氧化为氮气的过程。由于在节能降耗和环境友好上的独特优点,基于厌氧氨氧化原理的脱氮技术被公认是目前最具应用前景的生物脱氮技术,因此自发现以来一直是国内外研究的热点。综述近年有关厌氧氨氧化细菌、厌氧氨氧化机理、反应的影响因素及其在污水处理应用方面的研究进展,并展望厌氧氨氧化在污水处理领域的发展方向。     

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。     

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.     

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。     

微生物介导铁还原耦合氨氧化过程的研究进展

铁的氧化还原过程可以显著影响环境中次生矿物的形成、养分转化和污染物的归趋。作为厌氧环境中新发现的铁循环过程,铁氨氧化过程对自然和农田生态系统中氨氧化的贡献可达10%以上,对环境保护和农业生产具有深远的意义。文章主要从发展历程、相关微生物、反应机制、影响因素和环境意义等方面综述了铁氨氧化过程。在此过程中,Acidimicrobiaceaesp.A6和异化铁还原菌(DIRB)是驱动铁氨氧化过程的关键微生物,环境pH、Fe(Ⅲ)的浓度和种类、碳源和Mn(Ⅳ)氧化物是重要环境影响因子。铁氨氧化过程可能由微生物独立驱动完成,也可能由微生物-化学耦合作用驱动完成。从环境意义看,铁氨氧化过程对减少温室气体排放、固定重金属等方面具有积极影响,但也会导致氮素流失等负面环境效应。后续的研究可以从纯化微生物、拓展研究方法等方面着手,进一步提升铁氨氧化过程的研究广度和深度。     

植物铁吸收、转运和调控的分子机制研究进展

铁是植物正常生命活动所必需的微量矿质元素,铁离子的吸收、转运和利用是一个复杂的过程,很多基因参与了这一过程。本文对近10年来发现和分离的参与植物铁吸收、转运及调控的基因研究进展进行了综述。根据最近的研究结果,提出了植物控制铁吸收的分子调控模式(机理I)。     

微生物嗜铁素介导的铁摄取

嗜铁素是好氧菌和兼性厌氧菌的一种产物,它是微生物在低铁条件下产生的小分子的、特异性的Fe^3＋螯合因子。大多数的好氧和兼性厌氧微生物至少合成一种嗜铁素,由嗜铁素介导的铁摄取可能是细菌最普遍的一种获取铁元素的方式。     

厌氧氨氧化污泥中效应菌的分子生物学研究

对具有厌氧氨氧化作用的细菌进行更深入的分析和了解有助于该新型生物脱氮过程在实践中的应用,采用分子生物学方法从已培养的具有厌氧氨氧化活性的污泥中提取细菌总DNA,经纯化、特异引物PCR扩增、克隆、测序等过程,得到厌氧氨氧化菌部分16S rDNA序列(长度为836bp),少部分克隆具有1～2个碱基的突变。此外,进化分析结果显示培养获得的细菌与已发现的Candidatus Brocadia anammoxidans、Anaerobic ammoniumoxidizing Planctomycete、Uncultured anoxic sludge bacterium KU1细菌在进化上关系较近,但比对分析结果表明所研究的细菌与上述细菌的DNA序列相似度不高,这表明自然环境中还存在一种以前未被发现的可进行厌氧氨氧化的细菌。     

Structural biology of bacterial iron uptake

To fulfill their nutritional requirement for iron, bacteria utilize various iron sources which include the host proteins transferrin and lactoferrin, heme, and low molecular weight iron chelators termed siderophores. The iron sources are transported into the Gram-negative bacterial cell via specific uptake pathways which include an outer membrane receptor, a periplasmic binding protein (PBP), and an inner membrane ATP-binding cassette (ABC) transporter. Over the past two decades, structures for the proteins involved in bacterial iron uptake have not only been solved, but their functions have begun to be understood at the molecular level. However, the elucidation of the three dimensional structures of all components of the iron uptake pathways is currently limited. Despite the low sequence homology between different bacterial species, the available three-dimensional structures of homologous proteins are strikingly similar. Examination of the current three-dimensional structures of the outer membrane receptors, PBPs, and ABC transporters provides an overview of the structural biology of iron uptake in bacteria.     

Iron and heme utilization in Porphyromonas gingivalis

Porphyromonas gingivalis is a Gram-negative anaerobic bacterium associated with the initiation and progression of adult periodontal disease. Iron is utilized by this pathogen in the form of heme and has been shown to play an essential role in its growth and virulence. Recently, considerable attention has been given to the characterization of various secreted and surface-associated proteins of P. gingivalis and their contribution to virulence. In particular, the properties of proteins involved in the uptake of iron and heme have been extensively studied. Unlike other Gram-negative bacteria, P. gingivalis does not produce siderophores. Instead it employs specific outer membrane receptors, proteases (particularly gingipains), and lipoproteins to acquire iron/heme. In this review, we will focus on the diverse mechanisms of iron and heme acquisition in P. gingivalis. Specific proteins involved in iron and heme capture will be described. In addition, we will discuss new genes for iron/heme utilization identified by nucleotide sequencing of the P. gingivalis W83 genome. Putative iron- and heme-responsive gene regulation in P. gingivalis will be discussed. We will also examine the significance of heme/hemoglobin acquisition for the virulence of this pathogen.