完全氨氧化菌的分子生态学研究进展

硝化作用是氮素循环的核心环节,一直是土壤生物化学研究的热点之一。2015年,完全氨氧化菌(Comammox)的发现颠覆了两步硝化的传统观点,丰富了土壤氮素循环的理论体系。完全氨氧化菌能够独立执行整个硝化过程,具有将氨直接氧化成硝酸盐的能力。本文从完全氨氧化菌的定量检测方法、系统发育及组学分析入手对其分子生态学的国内外研究进展进行了系统综述,着重阐述了完全氨氧化菌在土壤中的多样性和分布规律。未来的研究可以针对以下内容开展:1)探索完全氨氧化菌的分子标志物,设计特异性引物,使其具有更高的分子覆盖度,从而完善完全氨氧化菌多样性的研究;2)优化完全氨氧化菌分离培养技术,富集分离得到更多完全氨氧化菌富集物或纯培养,完善完全氨氧化菌生理生化特性的研究;3)对完全氨氧化菌的功能和活性进行原位表征,并解析其对土壤硝化过程的贡献,阐明完全氨氧化菌的生态学特征,为促进土壤氮素良性循环和生态环境保护提供科学依据。     

响铃草总黄酮清除自由基及抑制亚硝化作用的研究

优选响铃草总黄酮的最佳提取工艺,并考察其清除自由基及对亚硝化反应的抑制能力。通过正交试验设计对乙醇提取响铃草总黄酮的工艺进行优化;采用紫外分光光度法测定响铃草总黄酮对自由基的清除作用和对亚硝酸钠的清除率以及对亚硝胺合成的阻断率。结果表明,最佳提取工艺条件为:乙醇浓度65%,料液比1∶30,提取温度75℃,提取时间3 h,在此最佳工艺条件下,黄酮得率为1.72%;响铃草总黄酮对羟自由基和超氧阴离子自由基有一定的清除作用;并且能够有效的清除亚硝酸钠和阻断亚硝胺的合成。     

中国陆地生态系统土壤氮矿化速率和硝化速率及影响因素——基于文献数据的统计分析

~(15)N同位素稀释技术是测量土壤氮总矿化速率(N_(min))和总硝化速率(N_(nit))的有效方法。为了解中国陆地生态系统土壤N_(min)和N_(nit)的空间格局及影响因素,本文基于采用~(15)N同位素稀释技术研究氮总转化速率(室内培养)的121篇文献,收集中国陆地生态系统(林地、草地、农田)N_(min)和N_(nit)数据进行分析。结果表明:1)全国土壤N_(min)和N_(nit)分别为6.03 mg N kg~(-1)d~(-1)和7.45 mg N kg~(-1)d~(-1)。北方土壤N_(min)(8.39 mg N kg~(-1)d~(-1))显著高于南方土壤(4.66 mg N kg~(-1)d~(-1));N_(nit)(8.40 mg N kg~(-1)d~(-1))高于南方土壤(6.96 mg N kg~(-1)d~(-1)),但差异性不显著(P0.05)。2)不同生态系统土壤N_(min)和N_(nit)的大小关系为:草地农田林地;农田草地林地。草地土壤N_(min)与林地、农田差异显著,显著高于林地(P=0.002)、农田(P=0.005);农田土壤N_(nit)与林地差异显著(P0.001),与草地差异不显著(P0.05)。3)北方土壤N_(min)和N_(nit)主要影响因素均为pH,与pH显著正相关;南方土壤N_(min)主要影响因素是总氮(Total Nitrogen, TN),与TN显著正相关;N_(nit)主要影响因素是铵态氮(Ammonium nitrogen, NH~+_4-N),与NH~+_4-N显著负相关。4)林地生态系统N_(min)和N_(nit)主要影响因素分别为TN和NH~+_4-N,N_(min)与TN显著正相关;N_(nit)与NH~+_4-N显著负相关;草地N_(min)和N_(nit)主要影响因素分别为土壤碳氮比(C/N)和总碳(Total Carbon, TC),N_(min)与土壤C/N显著负相关,N_(nit)与TC显著正相关;农田N_(min)和N_(nit)主要影响因素均为土壤C/N,与土壤C/N显著负相关。     

科尔沁沙地典型人工固沙植物群落土壤硝化活性

远取26年生的小叶锦码儿、山竹岩黄蓍、差巴嘎蒿、小黄柳和樟子松5种典型人工固沙群落及不同生长年限的小叶锦鸡儿群落为研究对象,对群落土壤养分、酶活性和硝化活性进行了对比研究.结果表明:26年生的小叶锦鸡儿群落土壤有机质、全氮、铵态氮和硝态氮含量均明显高于其他4种植物群落;小叶锦鸡儿群落土壤脲酶、蛋白酶活性和硝化活性最高,小黄柳群落土壤硝酸还原酶活性最高.土壤脲酶和蛋白酶分别与有机质呈显著正相关.随着生长年限的增加,小叶锦鸡儿群落土壤养分、酶活性和硝化活性逐渐升高,其中有机质、脲酶和蛋白酶活性与生长年限之间均存在显著正相关关系.     

滨海盐渍农田土壤硝化势特征及其影响因素

明确滨海盐渍农田土壤的硝化能力,探究土壤环境中影响硝化过程的主要因子,对调控农田土壤硝化作用和提高氮肥利用率具有重要意义。通过野外调查和室内分析相结合的方法,研究了滨海淤泥质滩涂盐渍区域(东营市和东台市)农田土壤硝化势和土壤物理、化学、生物学性质,运用多元逐步回归分析和结构方程模型(SEM)建立了土壤性质与土壤硝化势的相关关系。结果表明:滨海盐渍农田土壤除pH值较稳定外,其他土壤性质和土壤硝化势变化差异较大。土壤硝化势范围为0.04～10.42 mg·kg^-1·d^-1,随土壤盐渍化程度增加而降低。相关分析表明,土壤硝化势与土壤有机质、阳离子交换量和Cl^-的相关性最强,相关系数分别为0.409、0.397和-0.337;而多元逐步回归分析表明,Na⁺、粉粒、阳离子交换量、CO₃^2-+HCO₃^-为土壤硝化势的主要影响因子。SEM分析结果表明,Na⁺、粉粒、阳离子交换量、CO₃^2-+HCO₃^-为影响土壤硝化势的直接因子,有机质、黏粒、Cl^-、SO₄^2-为影响土壤硝化势的间接因子。总之,土壤Na⁺和阳离子交换量是影响硝化作用的两个主要因素,在该区域调控土壤NaCl含量和阳离子交换量为调节土壤硝化过程的有效手段。     

响应面法优化赤红球菌HDRR2Y发酵培养参数

通过响应面法对硝化菌——赤红球菌（Rhodococcus ruber）HDRR2Y的发酵培养参数进行优化,以提高其活菌数。首先通过单因素实验筛选出赤红球菌HDRR2Y的最优碳、氮源,并采用Plackett-Burman实验得到影响活菌数的显著因素,然后进行响应面实验,经最陡爬坡及回归分析得出最佳培养参数,最后以摇瓶实验检验其合理性。结果显示,赤红球菌HDRR2Y的最优碳、氮源分别为乙酸钠和酵母膏+蛋白胨+氯化铵（1：1：1,质量比）,显著影响活菌数的因素有碳、氮源及温度,经回归分析得到的最优培养参数为乙酸钠5.48 g/L、酵母膏+蛋白胨+氯化铵4.96 g/L、温度29.24 ℃、pH 7.0、转速200 r/min、MgSO₄ 0.2 g/L, KH₂PO₄ 0.5 g/L, NaCl 9 g/L, CaCl₂ 0.5 g/L, MnSO₄ 0.025 g/L, FeSO₄ 0.05 g/L, C₅H₉NO₄ 0.002 g/L、接种活菌数1×10⁴ cfu/mL、装液量40%(体积分数)、培养时间36 h。优化后的实际活菌数为1.54×10⁹ cfu/mL,远高于优化前的活菌数（1.8×10⁸ cfu/mL）(P<0.01)。因此,采用响应面法优化赤红球菌HDRR2Y的发酵培养参数能大幅提高其发酵活菌数,为硝化菌剂的工业化生产提供数据参考。     

海藻糖强化高盐胁迫下异养硝化-好氧反硝化菌群的代谢机制

异养硝化-好氧反硝化(heterotrophic nitrification-aerobic denitrification,HN-AD)菌是一类可在高盐环境脱氮的好氧微生物,但其工程应用效果不理想。海藻糖作为相容性溶质,通过参与调节细胞渗透压帮助微生物抵抗高盐胁迫,对提升高盐环境菌群的脱氮效率起重要作用。本研究通过启动膜曝气生物膜反应器(membrane aerobic biofilm reactor,MABR)富集HN-AD菌,设计添加150μmol/L海藻糖的C₁₅₀实验组和未添加海藻糖的C₀对照组,开展了外源性海藻糖对高盐胁迫下HN-AD菌群代谢的强化机制研究。反应器运行性能及群落结构分析结果显示,C₁₅₀组相较C₀组,NH₄⁺-N、总氮(total nitrogen,TN)和化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除率分别提高29.7%、28.0%和29.1%;以不动杆菌属(Acinetobacter)和假黄褐藻属(Pseudofulvimonas)为优势菌属的耐盐型HN-AD菌群总相对丰度在C₁₅₀组达到66.8%、较C₀组提高了18.2%,添加海藻糖促进高盐环境中耐性型HN-AD菌群富集并强化系统脱氮性能。代谢组学深度分析表明,外源性海藻糖加强脯氨酸合成,提高微生物对高盐胁迫的抵抗能力;通过调节细胞增殖信号通路(cGMP-PKG、PI3K-Akt)、磷脂代谢通路及氨酰基-tRNA合成通路的活性,促使甘油磷脂代谢物磷酸乙醇胺及嘌呤和嘧啶丰度上调,提升细菌聚集能力和细胞增殖,助推微生物在高盐环境生长;同时,添加海藻糖还加快三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA cycle),为HN-AD菌群的碳、氮代谢提供更多电子供体与能量,进而优化系统脱氮性能。本研究结果为HN-AD菌在高盐高氮废水处理中的运用提供理论指导。     

从典型硝化细菌到全程氨氧化微生物：发现及研究进展

生物硝化过程在全球氮循环中起关键性作用,被认为由氨氮氧化成亚硝酸盐和亚硝酸盐氧化成硝酸盐两个步骤组成,分别由氨氧化微生物(Ammonia oxidizing microorganisms,AOM)和硝化细菌(Nitrite oxidizing bacteria,NOB)催化完成。AOM包括氨氧化细菌(Ammonia oxidizing bacteria,AOB)和氨氧化古菌(Ammonia oxidizing archaea,AOA),AOB与AOA分布广泛,两者的相对丰度和氨氮浓度密切相关。2015年底,3个硝化螺菌属(Nitrospira)谱系Ⅱ的NOB被证实含有AOM的特征功能酶,包括氨单加氧酶(AMO)和羟胺脱氢酶(HAO),并证明NOB同时具有氨氧化和亚硝酸盐氧化的能力,命名为全程氨氧化微生物(Complete ammonia oxidizer,Comammox)。根据AMO的α亚基基因amoA的相似性将Comammox分为两大分支clade A和clade B。它们广泛分布于自然环境和人工系统,包括土壤(稻田、森林)、淡水(湿地、河流、湖泊沉积物、蓄水层)、污水处理厂和自来水厂等。本文综述了Comammox的发现及其最新的研究进展,并展望了Comammox作为氮循环关键功能菌群的研究方向和应用前景。     

以聚羟基丁酸戊酸共聚酯为碳源去除循环水养殖系统的硝酸盐及生物膜中微生物群落动态

【目的】利用聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)作为固体碳源和生物膜载体,去除循环水养殖系统的硝酸盐,并研究固体碳源反硝化反应器不同运行阶段生物膜中微生物群落结构的动态变化。【方法】采用PCR-DGGE技术对反硝化反应器中微生物群落结构的动态变化进行了分析,采用传统纯培养方法分离反应器中降解PHBV的细菌。【结果】连接固相反硝化反应器能使循环水养殖系统中积累的硝酸盐显著降低,并维持在较低水平(小于10 mg/L),而常规循环水养殖系统中硝酸盐浓度持续增加。系统发育树聚类分析结果表明,反硝化反应器生物膜细菌归属于变形菌门(β-proteobacteria、γ-proteobacteria和δ-proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)。反应器运行初期(40 d)的优势种群主要为Acidovorax和Bacillus;运行后期(150 d)的优势种群依次为Clostridium、Desulfitobacterium、Dechloromonas、Pseudoxanthomonas和Flavobacterium。从反应器中分离到的PHBV降解菌株分别归属于Acidovorax、Methylibium、Pseudoxanthomonas和Dechloromonas。【结论】利用PHBV为碳源能有效去除循环水养殖系统的硝酸盐。明确了反硝化反应器在运行过程中,碳源表面生物膜的优势菌群及其动态变化。     

难降解污染物喹啉微生物降解的国内研究进展

喹啉是一种难降解污染物,近年来,随着工业废水的增加对环境的负面影响已日益受到重视。从20世纪末开始,我国科研工作者对微生物降解喹啉开展了一系列研究,分离获得一批可在有氧条件下分解喹啉的细菌和真菌菌株,并进行了一些基础与应用研究。但国内外对喹啉在缺氧/无氧条件下分解的研究相对较少。本文对国内喹啉降解领域的工作进行了回顾与展望。