铬还原菌的分离筛选及其在微生物燃料电池生物阴极中的应用

【目的】水溶性的Cr(Ⅵ)对环境及人类造成的危害是社会亟待解决的问题。Cr(Ⅵ)还原菌株的分离筛选、还原特性的分析和在微生物燃料电池中的应用为六价铬污染水体的微生物修复提供科学依据和新的方法。【方法】从黄河兰州段排污口采集样本,用平板法分离筛选获得具有Cr(Ⅵ)还原能力的菌株,并将Cr(Ⅵ)还原能力最强的LZU-26菌株应用到微生物燃料电池中,检测其产电能力和Cr(Ⅵ)还原特性。【结果】共分离得到21株具有Cr(Ⅵ)还原能力的菌株,其中LZU-26菌株Cr(Ⅵ)还原能力最强,属于Cellulosimicrobium cellilans。0.4 mmol/L初始Cr(Ⅵ)在LZU-26的作用下24 h铬还原率可达到95.89%,在48 h后达99.97%。将LZU-26运用在微生物燃料电池生物阴极,所获得的最大电压和最大功率密度分别为68 mV和6.8 W/cm~2。生物阴极Cr(Ⅵ)还原率(68.9%)也远高于化学阴极(14.7%)和对照组(2.7%)。【结论】利用Cr(Ⅵ)还原菌作为微生物燃料电池生物阴极处理含铬废水,将会是一种高效、节能和环境友好的方法。     

微生物燃料电池在毒性物质检测中的应用

微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)利用微生物整体作为催化剂催化底物将化学能直接转化为电能,是一种极具应用前景的生物电化学技术。微生物在阳极氧化还原有机物产生电子并传递给阳极,电子通过外电路传递至阴极后将电子释放给阴极中的氧化剂,从而产生电流。当有毒物质进入MFC,微生物活性降低,电子传递量变少,电流降低,而电流的产生与微生物活性呈线性关系,据此可检测样品的毒性。本文主要介绍了微生物燃料电池在毒性物质抗生素、重金属离子、有机污染物、酸等方面的研究,并分析了微生物燃料电池存在的问题及未来研究方向,以期不久的将来微生物燃料电池能付之使用。     

微生物电极的研制及其阴、阳极反应的研究

本文描述了一个用于微生物浓度快速测定的燃料电池型的微生物电极的构造及其基本工作原理。分别用恒电流阴极极化法和旋转圆盘电极恒电位阳极极化法研究了微生物电极的阴极反应和阳极反应,用分光光度法研究了微生物对染料(硫堇)的还原动力学。结果表明;以K₃Fe(CN)₆-K₄ Fe(CN)₆,的饱和溶滚为阴极液,在微生物电极的正常工作电流下,阴极电位基本上不发生极化,阳极反应受扩散控制,微生物对染料(硫堇)的还原动力学符合米氏型方程 溶解氧,微生物的浓度以及微生物对染料的还原能力对染料的还原动力学具有较大的影响。     

微生物腐蚀及腐蚀机理研究进展

在不同的环境中,不同种类的微生物能在材料上附着繁殖,其生命活动会引起或加剧材料的腐蚀。根据种类及功能的不同,腐蚀微生物可以分为硫酸盐还原菌、硫氧化菌、产酸菌、铁氧化细菌、铁还原细菌、硝酸盐还原菌以及产粘液细菌等。微生物腐蚀几乎能使所有现用的材料受到严重影响,破坏材料的结构与性能,在建筑、运输管道、工业环境(石油化工等)以及海洋环境中造成巨大的安全隐患和财产损失。本文概述了目前发现的腐蚀相关微生物的类群和特性,以及相对应的微生物腐蚀机理,为防护和控制材料的微生物腐蚀提供理论指导。     

深海热液生物共附生可培养硫氧化细菌的多样性及硫氧化特性

[背景]深海热液环境中存在大量H2S及含硫化合物,许多微生物与大型生物形成了紧密的共生体系,例如硫氧化细菌,它们利用其独特的代谢体系协助宿主更好地适应极端环境,但目前尚未对热液底栖生物共附生的硫氧化细菌进行培养鉴定和功能分析.[目的]了解深海热液生物共附生硫氧化细菌的种群特征和功能特征,筛选出深海热液生物共附生微生物中...     

偶氮染料的微生物脱色研究进展

微生物法是染料废水治理的重要方法。本文综述了特异性酶作用下好氧细菌和真菌对偶氮染料的脱色以及厌氧条件下氧化还原介质作为电子穿梭体时偶氮染料的非特异性还原过程。指出厌氧偶氮还原是偶氮染料还原的主要形式, 电子供体不同脱色效率不同。对目前生物法去除偶氮染料存在的问题进行了分析, 提出了相应的对策措施。     

生物地球化学锰循环中的微生物胞外电子传递机制

微生物是生物地球化学元素循环的重要驱动者,在锰等变价金属元素的氧化还原过程中起着至关重要的作用。近年来,Mn(Ⅲ)的发现以及在一些环境中的广泛存在,丰富了人们对Mn(Ⅲ)以及自然界锰循环过程的认识。研究发现,锰的生物地球化学循环,尤其是锰还原过程,与微生物胞外电子传递紧密相关,且目前已知的5种胞外电子传递机制均与锰还原有关联。因此,本文综述了锰的生物地球化学循环及其意义,并从微生物胞外电子传递的机制、微生物介导锰氧化、微生物介导锰还原等3个方面来介绍参与锰循环的微生物多样性;以及微生物地球化学锰循环的环境意义。对微生物参与锰循环过程的研究不仅可以进一步丰富相关理论,同时也能推动生物除锰、污染物原位修复及生物冶金等应用领域的发展。     

微生物降解多氯联苯的研究进展

多氯联苯是一种持续性有机污染物,在自然环境中很难降解。在目前研究的降解方法中,微生物降解最具潜力。本文对多氯联苯微生物降解的研究进展进行了综述,包括厌氧还原脱氯,好氧氧化以及生物表面活性剂的作用,介绍了几种降解方法耦合应用的现状和前景,指出了应用中存在的问题和今后的发展方向。     

参与金属腐蚀的微生物及其控制

参与金属腐蚀的微生物及其控制王公德（山东省潍坊市第一职业中专２６１０２１）微生物对金属的腐蚀,早在本世纪初就已被人们所发现。到了３０年代,荷兰学者克尔提出硫酸盐还原菌参与金属腐蚀中阴极去极化理论后才开始受到重视。每年因微生物腐蚀造成的损失,占金属腐蚀...     

红树林沉积物中微生物驱动硫循环研究进展

红树林滨海湿地是在周期性咸水、淡水作用下形成的特殊生态系统,其沉积物中有机质含量丰富,微生物驱动的营养物质循环活跃。由于红树林沉积物中硫酸盐含量高、硫化物种类多,因此红树林是研究硫元素生物地球化学循环过程和机制的理想系统。本文综述了红树林生态系统中主要的硫元素循环过程,重点总结了硫氧化和硫酸盐还原过程及其功能微生物,分析了影响硫氧化和硫酸盐还原的主要环境因素,并对红树林沉积物中微生物驱动硫循环的重点研究方向进行了展望。鉴于微生物驱动的硫循环过程耦合碳、氮和金属元素循环,本文可为深入探究微生物驱动的生物地球化学元素循环耦合机制提供参考。     

微生物燃料电池利用乳酸产电性能与微生物群落分布特征

【目的】为探讨以乳酸为基质的微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)产电性能以及微生物群落在阳极膜、悬浮液、阳极沉淀污泥中的分布特征,【方法】试验建立了双室MFC,以乳酸为阳极主要碳源,研究了反应器的启动过程及产电效能,同时以电镜和PCR-变性梯度凝胶电泳(Denaturing gradient gelelectrophoresis,DGGE)技术解析了微生物群落的空间分布特征。【结果】结果表明,反应器启动第7天时外电压达到0.56 V,当外阻为80Ω时,电流密度为415 mA/m2,MFC的功率密度达到最大值82 mW/m2。电镜观察发现大量杆菌附着在阳极表面,结合较为紧密;DGGE图谱显示阳极膜表面微生物与种泥最为相似,与阳极悬浮液、底部沉淀污泥中的主要菌群一致,条带序列与睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni)和布氏弓形菌(Arcobacter butzleri)等最为相似。【结论】本研究表明以乳酸为基质MFC可产生较高的功率密度,阳极附着的优势菌与接种污泥来源密切相关。     

微生物电解池阳极生物膜功能菌群构建及群落特征分析

【目的】微生物电解电池(MEC)是近几年快速发展的利用电极呼吸微生物快速降解有机质,通过较小的辅助外加电压直接生成氢气的新工艺。MEC能够有效地富集高效率电子传递功能菌群,是未来工艺放大和快速启动的关键。【方法】采用不同驯化方法构建MEC电极微生物菌群,通过单链构象多肽性技术(Single-strand conformation poly-morphism,SSCP)快速检测分析启动后电子传递功能菌群特征。【结果】阳极生物膜接种MEC可以实现2 d的快速启动,库仑效率达到20%以上,7 d获得稳定产氢,氢气转化率达到30%,能量回收效率达到90%以上。通过SSCP群落分析发现,采用微生物燃料电池阳极生物膜构建的MEC主要电子传递功能相关的菌群包括Pseudomonas sp.、Flavobacterium sp.、Ochrobactrum sp.,而直接由产氢MEC阳极生物膜新启动的MEC功能菌群组成丰度更大,包括电子传递效能更高的Desulfovibrio、Pseudomonas和Shewanella成为主要优势电子传递菌群。通过稳定产氢运行,MEC阳极生物膜优势菌群中存在的较大比例的厌氧菌与电子传递辅助菌对体系的快速稳定运行十分重要。【结论】与MFC阳极生物膜相比,MEC生物膜作为启动菌源能够获得多样性更丰富的电极功能菌群,其库仑效率和产氢效率更具优势。     

Analysis of the microbial community of the biocathode of a hydrogen-producing microbial electrolysis cell

The microbial electrolysis cell (MEC) is a promising system for hydrogen production. Still, expensive catalysts such as platinum are needed for efficient hydrogen evolution at the cathode. Recently, the possibility to use a biocathode as an alternative for platinum was shown. The microorganisms involved in hydrogen evolution in such systems are not yet identified. We analyzed the microbial community of a mixed culture biocathode that was enriched in an MEC bioanode. This biocathode produced 1.1 A m⁻² and 0.63 m³ H₂ m⁻³ cathode liquid volume per day. The bacterial population consisted of 46% Proteobacteria, 25% Firmicutes, 17% Bacteroidetes, and 12% related to other phyla. The dominant ribotype belonged to the species Desulfovibrio vulgaris. The second major ribotype cluster constituted a novel taxonomic group at the genus level, clustering within uncultured Firmicutes. The third cluster belonged to uncultured Bacteroidetes and grouped in a taxonomic group from which only clones were described before; most of these clones originated from soil samples. The identified novel taxonomic groups developed under environmentally unusual conditions, and this may point to properties that have not been considered before. A pure culture of Desulfovibrio strain G11 inoculated in a cathode of an MEC led to a current development from 0.17 to 0.76 A m⁻² in 9 days, and hydrogen gas formation was observed. On the basis of the known characteristics of Desulfovibrio spp., including its ability to produce hydrogen, we propose a mechanism for hydrogen evolution through Desulfovibrio spp. in a biocathode system.     

生物膜法强化净化氨氮污染水体及其微生物群落解析

【目的】比较不同营养条件及挂膜方式下生物膜法对氨氮污染水体的净化效果及其功能微生物群落结构。【方法】设置空白(Blank)、自然成膜(Raw)、预附脱氮菌强化挂膜(PCC)3组生物膜反应器,利用末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)技术和非度量多维标度(NMDS)分析方法对生物膜反应器转化氨氮过程中微生物群落结构及其演替过程进行动态解析。【结果】在C/N=1:1时,除PCC在起始阶段短暂具有较高的氨氮脱除效率外,Blank、Raw和PCC最终均表现出较低的氨氮转化效率(10%-20%)。改变C/N=2:1后,Raw和PCC对人工合成污水中NH4+-N的转化率均提高至95%以上,而且Raw与PCC的群落结构在C/N=2:1时具有较高的相似性,优势菌群主要为γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)、放线菌纲(Actinobacteria)和硝化螺菌纲(Nitrospira)。【结论】C/N是影响生物膜反应器氨氮去除效果及驱动生物膜反应器中细菌群落结构发生改变的重要因子。     

降解水稻秸秆的复合菌系及其微生物群落结构演替北大核心CSCD

【目的】比较和分析从堆肥中富集的水稻秸秆降解菌系F1和F2的纤维素分解能力、微生物群落结构及其在秸秆降解过程中的演替,从而探究微生物群落结构与秸秆降解效率的相关性。【方法】采用DNS(3,5-二硝基水杨酸,3,5-dinitrosalicylic acid)定糖法测定发酵液中的外切纤维素酶活;采用范氏(Van Soest)洗涤纤维分析法测定发酵前与发酵后的秸秆纤维素、半纤维素、木质素的含量,并计算降解率;采用16S r RNA基因序列分析和实时荧光定量PCR(Quantitative real-time PCR,Q-PCR)对秸秆降解过程中的微生物物种组成及特定的功能微生物进行定性和定量分析。【结果】复合菌系F1的水稻秸秆总降解率、纤维素降解率、半纤维素降解率显著高于复合菌系F2;2种复合菌系的外切纤维素酶活性与cel48基因的拷贝数变化趋势一致;复合菌系F1的物种较丰富,优势物种是好氧细菌,复合菌系F2的物种组成较单一,培养后期具有较高比例的厌氧纤维素分解菌;培养前4天,复合菌系F1和F2的优势物种均为Unclassified Bacillales和Bacillus;第4天之后,不同复合菌系的优势物种及丰度出现差异,F1的优势物种主要属于Bacteroidetes,F2的优势物种主要属于Firmicutes;虽然Petrimonas和Pusillimonas是培养后期的共有优势物种,但是Petrimonas在复合菌系F2中的相对丰度(38.30%)显著高于F1(9.47%),且培养第8天的F2中的Clostridiales OPB54增加至14.85%。【结论】cel48基因拷贝数变化与秸秆纤维素的降解效率、外切纤维素酶活性变化具有一定的相关性,cel48基因可作为潜在的生物分子标记监测秸秆纤维素的降解过程;微生物群落结构对秸秆纤维素的降解效率具有显著影响,Unclassified Bacillales,Bacillus,Petrimonas,Pusillimonas是复合菌系F1和F2降解秸秆纤维素过程中的重要物种。     

基于多Agent仿真解析处理剩余污泥的微生物电解池种群互作关系

【背景】微生物电化学系统耦合了电化学反应和厌氧消化过程,在处理剩余污泥同时实现能源回收,成为具有应用前景的技术之一。揭示电活性生物膜和活性污泥种群互作机制,有助于进一步调控和强化系统性能。高通量核酸测序技术研究微生物群落具有投入大、耗时长和不可预测的缺点,开展微生物群落动态仿真可以更有效地预测群落结构与功能。【目的】研究厌氧消化和生物电化学系统的微生物种间热力学与动力学的演化规律。在考虑电子供体、电子受体、温度、pH值等生态条件下,分析底物的电子流向及微生物群落结构的动态变化。【方法】通过对剩余污泥处理的微生物电解池(Microbial electrolytic cell,MEC)建立一个多Agent仿真(Multi-agent-based simulation,MAS)模型,评估MEC对底物氧化电子转移的能量效率和传质效率,模拟微生物群落结构实时变化,同时耦合动力学和热力学分析;揭示影响MES运行的电子流向决定性因素及相应的微生物种群,为复杂污染物生物处理系统中种间互作和动力学研究提供基础依据。【结果】通过MAS模拟,确定MEC污泥处理工艺的最佳能量传递效率与传质效率为η=0.2,ε=0.5,MAS结合热力学与动力学参数模拟微生物的群落动态与实验组有较高的吻合性。在长期的运行中,微生物电化学系统中丙酮酸没有积累。【结论】证实了MAS结合热力学与动力学参数可以预测微生物的群落动态,并进行实时监测。研究表明多Agent仿真为微生物群落结构动态变化提供了一种新的研究方法,该方法与高通量核酸测序技术进行校验和联用,为人工和自然生态系统中微生物种群预测与评估研究提供一个新的手段。     

rRNA-targeted寡核苷酸探针识别活性污泥微生物群落结构与功能研究进展

活性污泥中微生物群落内部关系非常复杂 ,及时对活性污泥中优势菌群和群落内部关系进行监测是污水处理中采取正确措施的关键。历史研究表明传统培养方法经常导致活性污泥优势菌群检测的失败 ,而r RNA- targeted寡核苷酸探针作为一种快速原位监测活性污泥微生物群落结构和功能的新工具被引入 ,使我们对参与污水净化的微生物群落结构和优势菌群能有较全面的了解。就该方法在识别除磷污泥、脱氮污泥、污泥泡沫和膨胀污泥中微生物群落结构和功能的典型应用进行综述 ,分析了该方法存在的优点和缺点 ,并对目前已建立且应用于活性污泥微生物检测的 r RNA- targeted寡核苷酸探针进行了详细总结     

模拟增温对青海湖鸟岛土壤微生物的影响

【背景】土壤微生物对其生存的微环境变化极为敏感,鸟岛作为湖滨湿地,对气候变化具有敏感性,但目前关于青海湖鸟岛的土壤微生物鲜有研究。【目的】探究气候变暖后青海湖鸟岛土壤微生物群落特征的变化。【方法】利用开顶箱模拟增温,通过高通量测序方法了解温度升高后土壤细菌及真菌的群落结构以及多样性的变化情况。【结果】温度的升高并未改变青海湖鸟岛土壤微生物的优势菌群,细菌优势菌群为变形菌门和酸杆菌门;真菌优势菌门为子囊菌门,优势菌纲为座囊菌纲。但增温改变了土壤微生物的群落结构,显著升高了拟杆菌门、蓝细菌门、Patescibacteria及球囊菌纲的相对丰度,显著降低了锤舌菌纲的相对丰度。土壤微生物群落的多样性指数也发生了变化,温度上升后微生物的ACE指数及Chao1指数均降低,细菌的Simpson指数及真菌的Shannon指数降低。【结论】青海湖鸟岛土壤微生物对温度升高的响应明显,增温改变了土壤细菌拟杆菌门、蓝细菌门、Patescibacteria的相对丰度及真菌的球囊菌纲、锤舌菌纲的相对丰度,降低了土壤微生物的多样性。     

Anammox反应器启动前后微生物群落结构差异性

接种A^2/O回流污泥启动Anammox-UASB反应器,研究了上升流速对系统脱氮性能影响,利用高通量测序对反应器中微生物群落结构变化进行了研究。结果表明,历时35 d成功启动Anammox反应器。上升流速升高可以明显促进脱氮效果,在最佳上升流速为1.14 m/h时TN去除率达84.74%,去除速率高达0.766 gTN/(L·d)。高通量分析表明,Anammox污泥群落Alpha多样性较接种污泥明显减少,Anammox污泥中的Anammox菌主要为Candidatus Jettenia和Candidatus Brocadia两个属,同时检测到大量的其他脱氮微生物菌属,系统中这些脱氮微生物的大量增值使系统脱氮能力逐步提高。     

枯草芽胞杆菌菌肥对有机冬瓜根区土壤微生态的影响

【背景】微生物肥料已广泛应用于我国有机作物的种植,其对有机种植土壤微生态的影响尚需科学评测。【目的】高通量测序技术可用于精确分析土壤微生物群落,从细菌、真菌群落结构和多样性的角度阐释枯草芽胞杆菌菌肥对有机农田根区土壤微生物群落的影响。【方法】在有机农田轮作种植条件下,施用枯草芽胞杆菌菌肥后提取冬瓜根区土壤基因组DNA,通过PCR扩增建立文库,利用IlluminaMiSeq高通量测序技术,并结合相关生物信息学方法分析土壤细菌16SrRNA基因V3-V4区和真菌ITS1区的多样性指数及群落结构;测定根区土壤化学性质及酶活性,分析有机冬瓜果实品质,并作相关分析。【结果】从6个有机冬瓜根区土壤样本中获得14199个细菌操作分类单元(OTU)和3378个真菌OTU,细菌和真菌文库测序覆盖率分别在98%、99%以上。枯草芽胞杆菌菌肥会在一定程度上提高土壤细菌种群多样性而降低真菌种群多样性,丰富了细菌群落结构,但显著降低了真菌群落丰富度(P0.05);并减少了根区土壤特有细菌和真菌物种。变形菌门、厚壁菌门和放线菌门是优势细菌,子囊菌门是优势真菌;枯草芽胞杆菌菌肥会提高绿弯菌门和子囊菌门的相对丰度,比例分别为46.23%、10.01%;降低变形菌门和担子菌门的相对丰度,比例分别为11.14%、74.72%。枯草芽胞杆菌菌肥显著降低了土壤pH,显著提高了有机冬瓜果实总氨基酸、可溶性固形物等营养成分含量(P0.05)。【结论】施用枯草芽胞杆菌菌肥改变有机冬瓜根区土壤细菌和真菌的丰富度和多样性,降低了土壤pH,提高了有机冬瓜果实品质。