高通量测序技术在环境微生物领域的应用与进展

环境微生物在维持环境生态系统平衡、消除次生环境污染等领域起着重要作用,其中群落结构及多样性研究和分析是揭示其代谢规律和生态响应的重要手段。近几年高通量测序技术的出现和日趋成熟,为该领域研究的深入开展提供了契机。据此,概述了高通量测序技术的发展史,并比较了不同测序平台的特点。结合最新进展和课题组实验研究,阐述了高通量测序技术在典型环境介质中的应用,包括:大气(空气)中环境微生物的污染治理和对空气质量的评估;天然水体中环境微生物的物质循环和次生水体的污染治理与环境修复;土壤环境微生物多样性变化、功能菌株构建筛选等方面的研究进展。最后展望了高通量测序技术在环境微生物领域的未来研究方向,指出了目前所存在的问题。

同步异养硝化好氧反硝化细菌Acinetobacter sp.TAC-1的氮代谢途径研究

为阐明分离自重庆某生猪养殖企业畜禽粪污沼液的一株高效同步异养硝化好氧反硝化(simultaneous heterotrophic nitrification and aerobic denitrification,SND)脱氮菌株Acinetobacter sp.TAC-1的氮代谢途径,分别考察TAC-1菌株DNA水平上的氮代谢基因序列特征和mRNA水平上氮代谢基因差异表达。首先,通过T-A克隆和Sanger测序定性分析TAC-1菌株的SND氮代谢基因,确认DNA水平上TAC-1菌株存在SND过程硝酸盐还原酶调控基因narG,亚硝酸还原酶调控基因nirK及nirS,并发现羟胺氧化过程在TAC-1菌株中可能为新的脱氮途径。其次,结合不同氮源(NH_(4)^(+)-N,NO_(3)^(-)-N及NO_(2)^(-)-N)培养条件下TAC-1菌株不同生长阶段的氮代谢特性、产物分析和过程中的narG、nirK及nirS在mRNA水平上的差异表达分析证实了TAC-1菌株的SND氮代谢途径,反硝化过程中nirK和nirS负责NO_(2)^(-)-N的解毒,硝酸盐还原是由narG型硝酸盐还原酶介导的。因此,该研究从氮代谢基因及其差异表达视角深化了对SND细菌氮代谢机制的认识,为SND细菌的改造和同步硝化反硝化脱氮工艺的开发提供理论依据。

双塞头固定化细胞反应器降解TCE

为探究固定化细胞对三氯乙烯(TCE)的生物降解特性及机理,以优选的活性炭纤维为固定化材料,构建双塞头固定化细胞反应器;利用填埋场覆盖层富集筛选的高效混合菌SWA1为生物介质开展细胞固定化及TCE生物降解研究;运用扫描电镜,荧光定量PCR和高通量测序技术分别考察TCE降解前后固定化微生物微观结构、关键酶表达丰度和混合菌群落结构变化.结果显示:(1)该固定化细胞反应器对微生物具有良好的固定化效果,且微生物可维持较高活性(甲烷氧化速率为0.6μmol g^(-1) d^(-1));(2)在TCE初始浓度为18 mg/L时,反应1 d降解率为94.1%,降解过程中有8.7μmol有机氯转化为氯离子;(3)反应器中TCE降解关键酶为甲烷单加氧酶和苯酚羟化酶,TCE降解后优势菌属为Anaerolineaceae_unclassified(0.6%-19.9%)和甲基孢囊菌属Methylocystis(0-15.8%).该双塞头固定化细胞反应器能高效去除氯代烃类污染物,可为含氯有机废水高效生物治理的工程应用提供参考.

典型功能层带-填埋场覆盖层中四氯化碳代谢机制及功能微生态响应

垃圾填埋场是四氯化碳(carbon tetrachloride, CT)污染的重要来源,明晰覆盖层功能层带中CT的转化机制对其污染控制尤为重要。本研究通过构建模拟覆盖层系统,开展了CT沿程生物降解及微生态研究。覆盖层理化特性分析表明,长期生物氧化使覆盖层形成了稳定存在的厌氧层(>45 cm)、缺氧层(15–45 cm)和好氧层(0–15 cm)功能层带,各特征层带氧化还原电位、微生物群落结构差异显著,为CT降解提供了生物资源和有利条件。降解结果显示,CT在厌氧层和缺氧层脱氯产生氯仿(chloroform,CF)和二氯甲烷(dichloromethane,DCM)及氯离子(Cl–),副产物在30 cm处浓度最大,好氧层中CF和DCM迅速发生好氧降解;CT降解速率为13.2–103.6μg/(m2·d),随填埋气通量增大而增大。多样性测序结果表明,不同层带功能菌属差异显著,中慢生根瘤菌(Mesorhizobium)为好氧层CT潜在降解菌属,硫杆菌(Thiobacillus)和间孢囊菌(Intrasporangium)为厌氧层和缺氧层潜在功能菌属;覆盖土中6种脱氯菌属和18种甲烷氧化菌分别负责CT厌氧转化和CF与DCM的好氧降解,缺氧层可同时发生厌氧脱氯和好氧转化过程。降解机理分析可知,通过调控手段实现包气带的厌氧层-缺氧层-好氧层稳定存在对全氯代烃的无害化去除十分重要,增大缺氧层范围可强化全氯代烃去除。研究结果为填埋场中氯代污染物的去除提供了理论指导。