亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化过程与应用研究进展

亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)是指以亚硝酸盐为电子受体将甲烷厌氧氧化为二氧化碳的微生物生化反应过程。此反应是偶联碳氮循环的关键环节,是微生物碳氮循环的新内容,它的发现对于全球的碳氮物质循环具有重要贡献。基于此,文章概述了N-DAMO过程的生化反应机理;总结了N-DAMO菌富集培养过程中的活性影响因素:NO2^--N浓度为2.40 mmol·L^-1时N-DAMO菌的反硝化活性最大,CH4分压为49 kPa可基本满足N-DAMO菌对CH4的需求量,N-DAMO菌最适pH值为7.6左右,最适温度为35℃左右,N-DAMO菌能够适应一定含量的盐度;浅析了N-DAMO过程在海洋、淡水及其湿地等不同生境中的分布特点;在此基础上,探讨了Anammox与N-DAMO的耦合反应机理在污水处理脱氮工艺中的应用,该工艺能够节约大量物质能源、减少经济成本和提高脱氮效率,具有巨大的潜在应用前景。

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物生态学研究进展

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)是指以亚硝酸盐为电子受体将甲烷氧化为二氧化碳的微生物生理过程。虽然目前人们对于N-DAMO的研究主要集中于人工环境,但不断有证据表明N-DAMO菌广泛分布于不同类型生境(如河流、湖泊、湿地和海洋等)中,且在部分生境中已被证实N-DAMO反应的发生。这表明N-DAMO是一种被忽视的甲烷汇,其在全球温室气体减排中可能起着重要作用。本文介绍了N-DAMO菌的分类和生化反应机理,总结了N-DAMO菌在不同自然生态系统中的分布特征与作用强度,浅析了影响N-DAMO菌在自然生态系统中分布和发挥作用的主要环境因子,并探讨了N-DAMO反应作为一种被忽视的甲烷汇在控制温室气体排放中的贡献。

稻田亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化对大气CO_(2)浓度缓增的响应

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,n-damo)是控制稻田甲烷排放的一种新途径,但有关其对大气CO_(2)升高的响应尚不清楚。依托开顶式气室组成的CO_(2)浓度自动调控平台,设置环境CO_(2)浓度处理(CK)和CO_(2)缓增处理(EC:每年增加40μL·L^(–1),至采样时CO_(2)浓度为CK+160μL·L^(–1))。采用稳定性同位素示踪、定量PCR和高通量测序等手段,分析不同CO_(2)处理下水稻关键生育期(分蘖期、拔节期和开花期)稻田n-damo活性及其功能微生物Candidatus Methylomirabilis oxyfera(M.oxyfera)-like细菌的丰度、多样性和群落组成。结果发现,供试土壤中n-damo活性为0.31~5.09 nmol CO_(2)g^(–1)·d^(–1),M.oxyfera-like细菌丰度为7.51×10^(6)~5.49×10^(7)copies·g^(–1)。CO_(2)缓增一定程度上刺激了土壤中n-damo活性以及M.oxyfera-like细菌丰度,且在拔节期达到显著性水平:活性和丰度分别增加了137.9%和96.0%。同时还使M.oxyfera-like细菌的群落组成发生显著改变,并影响其多样性。EC处理下土壤可溶性有机碳含量和无机氮含量的改变很可能是导致n-damo活性及M.oxyfera-like细菌群落结构发生变化的重要原因。综上,稻田n-damo过程对大气CO_(2)浓度缓增具有正响应。

自然环境中亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化过程的研究进展

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化(Nitrite-dependent anaerobic methane oxidation N-DAMO)是以亚硝酸盐为电子受体,将甲烷氧化为二氧化碳的微生物反应过程。N-DAMO反应作为温室气体甲烷消耗的关键途径之一,在甲烷减排,缓解温室效应方面起着至关重要的作用。基于此,文章概述了N-DAMO菌的分类和作用机理;浅析了N-DAMO菌在多种自然生境中的分布特征,N-DAMO菌不仅广泛分布于普通的自然环境中(如稻田、湿地、海洋、湖泊等),也存在于某些特殊生境中(如潮间带、盐湖、高原、沙漠湖泊等);总结了N-DAMO菌群富集培养过程中的影响因素,包括温度、甲烷浓度、基质浓度等,并且排泥可以有效提高反应器脱氮速率,增加N-DAMO菌的相对丰度,同时促进功能微生物的生长。

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化及其菌群的研究进展

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation, N-DAMO)是耦联氮循环和碳循环的关键环节。研究发现N-DAMO反应广泛分布于多种类型的自然生态系统中,这表明N-DAMO反应是被忽视的甲烷汇,其可能在全球温室气体减排中起着非常重要的作用。本文介绍了M. oxyfera菌的特性和反应机理,总结了影响M. oxyfera菌在自然生境中分布的环境因子和M. oxyfera菌在不同自然生态系统中的分布特征,并初步探讨了N-DAMO反应在减少温室气体排放中的贡献。

海洋沉积物中金属依赖型甲烷厌氧氧化作用研究进展及展望

海洋沉积物中大部分甲烷会通过甲烷厌氧氧化作用(anaerobic oxidation of methane, AOM)而被消耗。早期研究表明,AOM可与硫酸盐、硝酸盐和亚硝酸盐的还原作用相耦合,从而有效减少甲烷向大气的排放。最近,金属依赖型AOM(metal-AOM,活性金属氧化物还原反应驱动的AOM)被证实存在于自然界沉积物和富集培养的样品中。但是,目前仍未从自然海洋环境中分离获得能够介导metal-AOM的微生物。对海洋沉积物中metal-AOM的研究大多聚焦于热液或冷泉等海洋特殊生境,一系列研究表明地质流体在这些海底化能自养生态系统的维持和演化方面起到了重要作用,并深刻影响全球地球化学循环,因此,该科学问题研究吸引了越来越多的注意力。本文讨论了可能参与海洋沉积物中metal-AOM的微生物类群及其地球化学证据,并在前人工作基础上,以冲绳海槽冷泉-热液共生区为例,提出一种新的metal-AOM作用机制。认为在全球冷泉-热液系统相互作用地区的调查有助于更好地探讨metal-AOM的发生机制及微生物在深海生境中分布的连通性问题。

金属依赖型厌氧甲烷氧化研究进展

甲烷(CH_(4))是一种温室气体,其温室效应是二氧化碳的26倍。减少甲烷排放,可以缓解温室效应,有助于保护大气环境。微生物介导的甲烷厌氧氧化是调节甲烷向大气排放的关键过程。金属氧化物或金属离子可以作为甲烷厌氧氧化的电子受体,且金属依赖的甲烷厌氧氧化是减小全球甲烷排放的一个重要途径。虽然研究表明金属依赖型厌氧甲烷营养古菌可以促进这一过程,但其菌种、代谢途径及胞外电子传递途径尚缺乏深入研究。文章从金属依赖型厌氧甲烷氧化菌、金属依赖型厌氧甲烷氧化机制及金属依赖型厌氧甲烷氧化菌胞外电子传递机制等方面对金属依赖型厌氧甲烷氧化研究现状进行了概述,分析了金属依赖型厌氧甲烷氧化研究存在的问题,并讨论了其今后的研究方向,为金属依赖型厌氧甲烷氧化研究提供参考。

甲烷厌氧氧化及其微生物特性研究进展

甲烷是一种温室气体,其引起的温室效应是CO2的20倍。微生物通过甲烷厌氧氧化(AOM)可以减少自然环境中该温室气体的排放,对缓解全球温室效应具有重大作用。根据耦联反应的不同,可将AOM分为3类,包括硫酸盐还原型、反硝化型以及铁锰依赖型。系统地介绍了AOM的类型及参与的微生物的特性,并对未来更多的AOM微生物的发现以及机理的研究提出展望,以期为甲烷排放控制和管理提供依据。

静压快速启动亚硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化反应

在序批式反应器(SBR)中接种污水厂厌氧池污泥和深层水稻土的1∶1混合污泥,在阶段性提升基质NO_2^--N浓度的条件下,考察静压条件对亚硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)反应快速启动过程的影响,并对N-DAMO反应的主导微生物的丰度变化进行分析.结果表明运行120 d后,常压(R1)和0.3 MPa静压(R2)条件下,都观测到了明显的N-DAMO现象,并且R2的NO_2^--N去除速率达到了36.90 mg·(L·d)^(-1),较R1提高了24%;其4 h内平均脱氮速率(以NO_2^--N计)达到0.10 mmol·(L·h)^(-1),比R1提高了186%.R2中富集得到的污泥粒径约为R1的2倍,比表面积更大,优化了污泥中甲烷的传质情况,有助于N-DAMO反应的进行,且R2污泥的N-DAMO比活性(以N/VSS计)达到了0.29 mg·(g·h)^(-1),是R1的2倍.此外,静压有助于N-DAMO功能微生物Candidatus Methylomirabilish oxyfera(M.oxyfera)的生长,实验结束时R2中M.oxyfera细菌16S rRNA基因的丰度比接种初期提高了22倍,是同阶段R1中的10倍.可见,提高静压能够有效促进N-DAMO反应的启动.

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化过程影响因素研究

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化(Nitrite-dependent denitrifying anaerobic methane oxidation,n-damo)是指微生物在厌氧条件下利用甲烷还原亚硝酸盐的过程,该过程的研究可为污水脱氮减排提供技术支持.采用n-damo富集培养物(荧光原位杂交实验结果表明n-damo功能菌丰度可达73%)为研究对象,着重探讨温度(25,35,45℃)、p H值(5.5~9.5)、甲烷分压(0~98 k Pa)和亚硝酸盐初始浓度(0~6.0 mmol·L-1)对n-damo反硝化速率的影响,以获得最优条件,为n-damo过程在污水处理中的应用提供理论依据.结果表明,在本实验条件下n-damo过程进行的最适温度为35℃,最适p H值为7.5,最适甲烷分压为49 k Pa,最适亚硝酸盐初始浓度为2.4~3.42 mmol·L^(-1).

亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化过程强化新视角:排泥及其微生物机制研究

亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化(Nitrite-dependent anaerobic methane oxidation, n-DAMO)是微生物在厌氧条件下利用甲烷还原亚硝酸盐的过程.本研究通过排泥的策略对n-DAMO过程进行强化,并比较分析了反应器中微生物的群落结构及功能微生物数量.结果发现,与对照组相比,排泥后实验组反应器的脱氮速率从17.00 mg·L^-1·d^-1提高到73.10 mg·L^-1·d^-1.排泥后反应器中n-DAMO细菌的相对丰度从38.3%上升到67.7%,功能微生物的基因拷贝数由1.404×10^8 copies·g^-1增长到4.854×10^8 copies·g^-1,污泥比活性提高了2.95倍.与之相反,初始反应器中其余优势微生物UnclassifiedGCA004、UnclassifiedRhodocyclaceae、UnclassifiedFimbriimonadaceae与Methylosinu相对丰度分别下降为原来的27.66%、32.65%、4.35%、20.27%.结果表明,排泥可以有效地强化n-DAMO过程,同时促进功能微生物的生长,主要原因在于排泥排出了非目标微生物,使得目标微生物大量生长.本研究为强化n-DAMO过程及加快n-DAMO微生物的富集提供了一条新思路,并为进一步推动n-DAMO过程的工程应用提供了理论基础.

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化及其功能微生物研究进展

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化(Nitrite-Dependent Anaerobic Methane Oxidation,N-DAMO)是耦合氮循环和碳循环的关键环节,主要是由亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化菌(Candidatus Methylomirabilis oxyfera)介导完成,对于研究全球氮和碳元素的生物地球化学循环具有重要意义。本文首先总结了国内外N-DAMO的影响因素和在不同自然生态系统中的分布,然后阐述了N-DAMO菌的生理生化特性及其富集培养优化实验和检测技术,最后探讨了N-DAMO技术的应用现状。本综述不仅有助于揭示全球碳氮循环的耦合作用机制,也为N-DAMO反应耦合其他厌氧生物处理过程应用到污水的除碳脱氮上提供了理论依据。

自然生境中亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化细菌研究进展

随着功能微生物介导的亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)过程被发现,人们对自然界的碳氮循环有了全新的认识,该过程成为自然生态系统中温室气体甲烷的汇,同时还是氮污染的消减途径。本文系统介绍了N-DAMO过程反应机理以及参与该过程的亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化细菌(Candidatus Methylomirabilis oxyfera)的生理生化特征,并对研究该功能菌的分子微生物方法进行了汇总。通过对不同自然生境中该细菌的研究报道进行总结分析,揭示各生境中年均降水量、年均温度、所处不同自然区等大尺度宏观环境因子及碳源、氮源、pH和氧气含量等生存因子对其群落结构的潜在影响,最后在展望中提出此功能菌在未来可深入研究的方向,期望能厘清厌氧甲烷氧化过程及其功能菌在碳、氮循环中的生态学功能。

氮依赖型甲烷厌氧氧化菌的整合

氮依赖型甲烷厌氧氧化菌(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation bacteria,n-damo细菌,属于NC10门)是最近10年来微生物生态学领域的研究热点。然而,对该类群基于现有数据的生态分布、群落结构和系统进化的整合分析还未见报道。【目的】为了更好地将近年来针对该类群的研究做一次全面梳理,本文通过整合前人已有发表数据和结合自身实验数据两方面进行。【方法】一方面,利用NCBI数据库(数据搜集到2016年11月)中所有n-damo细菌序列对其进行生物信息学分析;另一方面,对大九湖泥炭地表层泥炭利用16S rRNA二代测序技术对该类群进行检测,并同前人数据进行对比。【结果】n-damo细菌主要在沉积物、湿地和水稻土检出;基于pmo A基因的n-damo细菌的平均检出率是基于16S rRNA基因检出率的7倍,但是这两类基因分子标记物所得到的多样性指数保持相对稳定(1.4-3.4);贫氮的大九湖泥炭其NC10的丰度仅为0.067%。【结论】n-damo类群种群相对稳定,暗示其行使的生态功能相对单一;贫氮的大九湖泥炭其极低的NC10丰度暗示氮对NC10是限制因子;具有真正氮依赖型甲烷厌氧氧化细菌的Group A可能只占很少的一部分(小于20%),暗示出该类群真正的生态潜能需要进一步评估。本次整合分析为更好的理解n-damo细菌的生活环境、评估不同基因分子标记物下n-damo细菌的检出率、不同亚类群比如Group A和Group B等的丰度和真正的潜在生态功能提供参考。

n-damo细菌在不同生态环境中的遗传多样性和潜在功能研究

反硝化厌氧甲烷氧化(DAMO)是自然环境中减少甲烷排放的关键过程。近年来研究发现,亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化(n-damo)细菌在湖泊、河流、稻田和生物反应器等环境中表现出不同的分布特征和群落格局。然而,以往的环境调研主要集中在单一生态环境或样本类型,使得n-damo细菌在全球生态格局中的总体作用和分布特征仍然存在一定的未知。此外,在描述不同生态环境中n-damo细菌多样性时,16S rRNA和pmoA基因之间的具体区别或偏好性尚不清楚。因此,为了填补这一研究空白,基于n-damo细菌的两个关键基因,即16S rRNA和pmo A,通过生物信息学分析来评估不同生态系统中n-damo细菌的多样性特征。研究发现,16Sr RNA和pmoA基因所揭示的n-damo细菌遗传多样性和潜在功能存在差异。保守性更高的16S r RNA基因在湿地环境中多样性最高,而在人工富集环境中多样性最低。pmo A基因则在淡水环境中表现出最高的多样性,但也同样在人工富集环境中表现出最低的多样性。热图和韦恩图显示,淡水环境和湿地环境中n-damo细菌的相似性最高,但人工富集和咸水环境下的n-damo细菌与其他环境差异显著。此外,系统发育分析显示,16S rRNA与pmoA基因具有不同的同源模式,16S r RNA因其保守性而具有较高的同源性,而pmo A基因则表现出更多的簇族分化。这些结果为了解DAMO微生物对不同生态系统中甲烷减排和碳氮生物地球化学循环的贡献提供了重要见解。此外,未来n-damo细菌的环境调研工作应同时分析16S rRNA和pmo A基因,从而对n-damo细菌的分布和功能进行更加科学地综合评价。

淡水和海洋沉积物中N-DAMO古菌对聚氯乙烯微塑料的响应研究

硝酸盐型厌氧甲烷氧化(Nitrate-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)对自然环境中的甲烷减排起着重要作用。近年来,由于人类活动的影响,自然环境中的微塑料含量逐渐增加。然而,微塑料对N-DAMO古菌的生态分布及功能的影响尚不清楚,微塑料在甲烷减排中的作用有待探究。本研究以淡水和海洋沉积物为对象,利用同位素示踪技术和分子生物学手段研究了不同聚氯乙烯微塑料浓度处理下沉积物中N-DAMO古菌的活性,丰度及多样性。结果表明:聚氯乙烯微塑料在短期内显著提高淡水和海洋沉积物N-DAMO古菌活性。聚氯乙烯微塑料对海洋沉积物中的N-DAMO古菌活性刺激更强。加入微塑料后,淡水和海洋沉积物的N-DAMO古菌多样性均发生改变,海洋沉积物中的N-DAMO古菌群落结构更容易受到微塑料影响。

微生物厌氧甲烷氧化反硝化研究进展

厌氧甲烷氧化反硝化过程(Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)以甲烷为电子供体进行反硝化作用,在实现废水脱氮处理的同时,可有效削减温室气体甲烷的排放,从而减缓全球温室效应。相关机制研究集中在逆向产甲烷途径耦合反硝化和亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,n-damo)两个方面。鉴于厌氧甲烷氧化反硝化过程对全球碳氮物质循环的重要意义,本文对近年来厌氧甲烷氧化反硝化过程的研究进展进行了概述,着重阐述了有关厌氧甲烷氧化反硝化微生物富集培养物,特别是含Candidatus Methylomirabilis oxyfera(M.oxyfera)富集培养物的微生物特性、甲烷氧化反硝化的机理以及影响因子。在此基础上,探讨了厌氧甲烷氧化反硝化过程未来的研究方向和工业化应用前景。

厌氧氨氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌在岸边带土壤中的分布规律

厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation,anammox）和反硝化厌氧甲烷氧化（nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,n-damo）的发现打破了人们长久以来对生物氮、碳循环的传统认识.厌氧氨氧化细菌（anammox bacteria）和反硝化厌氧甲烷氧化细菌（n-damo bacteria）在水生态系统均有分布,并且在全球氮、碳循环中发挥重要作用.但它们在岸边带土壤中的存在和分布还不甚清楚.因此,本文对湖泊岸边带土壤中厌氧氨氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌的存在和分布进行了研究.基于厌氧氨氧化细菌hzs B基因（联氨合成酶关键基因）和M.oxyfera-like细菌16S rRNA基因的序列分析,分别证明了厌氧氨氧化细菌和M.oxyfera-like细菌在白洋淀湖泊岸边带深层土壤中的共同存在.厌氧氨氧化细菌hzs B基因定量PCR结果显示,其主要分布在地下水位附近及以下部分（40~100 cm）,而在表层（0~40 cm）土壤中未被检测到.M.oxyfera-like细菌16S rRNA基因定量PCR结果显示,不同深度的土壤均有M.oxyfera-like细菌分布,并且其丰度随着土壤深度的增加而递增.这些结果说明厌氧氨氧化细菌和M.oxyfera-like细菌在湖泊岸边带深层土壤中共同存在,并且有不同的分布规律.

酸性稻田土n-damo细菌的多样性和丰度

亚硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化(n-damo)细菌是新近发现的一类具有特殊功能的微生物,在废水深度脱氮领域具有潜在应用前景。研究利用n-damo菌16S rRNA和pmoA基因的专一性引物,通过系统发育分析和定量PCR技术,检测酸性稻田土中该类群的多样性和丰度。结果显示,在弱酸性中等养分水平的稻田土中,n-damo菌聚为3~4个OTUs类群;系统发育分析表明,酸性稻田土中存在新型未知n-damo类群;n-damo细菌丰度较高,16S rRNA基因拷贝数可达1.25~2.31×10^8拷贝每克干重,pmoA基因拷贝数为8.66×10^6~2.54×10^7拷贝每克干重。研究为后续富集培养嗜酸型n-damo菌提供可靠菌源。

N⁃DAMO菌群的富集及其生长代谢影响因子

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化(N⁃DAMO)是某些微生物在厌氧条件下以甲烷为电子供体和唯一碳源还原亚硝酸盐(NO-2)为氮气(N2)的过程,为解决废水生物脱氮碳源不足问题提供了新思路.然而,N⁃DAMO菌群生长缓慢,对环境要求严苛,富集培养难度大,工程应用困难.本文以湿地土壤为菌源,通过强化富集获得一个N⁃DAMO菌群,并研究了主要环境因子和生长因子对其生长代谢的影响.结果表明,该N⁃DAMO菌群的NO-2还原速率可达0.27 mmol·g^-1·d^-1,其最佳培养条件为35℃、pH 7.5、NO-2浓度为2.0 mmol·L^-1和甲烷分压为(P(CH4))98 kPa等.少量添加维生素液、血红素和甜菜碱等生长因子,均能刺激菌群的代谢活性,使其NO-2还原速率分别提高1.32、1.22和1.96倍.本研究有助于进一步了解N⁃DAMO菌群的生理生态特性,为其工程应用提供参考.