人工电活性微生物菌群的设计与应用

包括产电菌群和噬电菌群的人工电活性微生物菌群(synthetic electroactive microbial consortia)通过菌种间的物质能量级联反应介导化学能与(光)电能间的相互转化,其可利用底物来源广泛、双向电子传递速率快、环境稳定性强,在清洁电能开发、废水处理、环境修复、生物固碳固氮以及生物燃料、无机纳米材料、高聚物等高值化学品合成等多个领域具有广泛的应用前景。针对人工电活性微生物菌群设计、构建与应用,本文总结电活性微生物菌群界面电子传递和种间电子传递机制,概括基于“劳力分工”原理设计构建人工电活性微生物菌群物质能量级联反应基本架构,总结菌群关系与菌群生态位优化等人工电活性微生物菌群工程化策略,分类列举人工电活性微生物菌群在利用廉价生物质产电、生物光伏固碳产电,光驱噬电生物菌群固氮等相关应用。最后对人工电活性微生物菌群未来研究方向进行了展望。

日粮添加蚕豆皮对湖羊空肠屏障相关基因表达、消化酶活性和微生物菌群的影响

[目的]本试验旨在研究日粮添加蚕豆皮对湖羊空肠屏障相关基因表达、消化酶活性和微生物菌群的影响。[方法]30只4月龄体重相近[(27±2.0)kg]的雄性湖羊分为2组,分别饲喂基础日粮(对照组,CON)和添加30%蚕豆皮日粮(蚕豆皮组,BBS)。预饲期10 d,正式期50 d。试验结束后采集空肠组织及食糜(n=5),通过RT-qPCR检测黏膜屏障相关基因的表达,生化试剂盒检测消化酶活性,高通量测序分析食糜微生物菌群。[结果]与对照组相比,BBS组空肠黏膜细胞连接基因Claudin-1、Occludin、MUC-2和ZO-1,促炎因子IL-6、IL-10和TNF-α mRNA水平无显著变化(P>0.05),而IL-1β mRNA水平显著降低(P<0.05)。2组空肠黏膜α-淀粉酶、胰蛋白酶和脂肪酶活性无显著变化(P>0.05)。BBS组食糜微生物Shannon、Chao1和Observed_otus指数显著降低(P<0.05);门水平上,BBS组变形菌门(Proteobacteria)相对丰度显著升高(P<0.05),厚壁菌门(Firmicutes)、髌骨细菌门(Patescibacteria)相对丰度和F/B值显著降低(P<0.05);属水平上,BBS组克里斯滕森氏菌R7菌群(Christensenellaceae_R-7_group)、未分类厚壁菌属(Firmicutes_unclassified)、糖单胞菌属(Candidatus_Saccharimonas)、糖酵解菌属(Saccharofermentans)、毛螺科NK3A20菌群(Lachnospiraceae_NK3A20_group)和聚乙酸菌属(Acetitomaculum)的相对丰度显著下降(P<0.05)。16S rDNA基因组的PICRUSt 2功能预测结果显示,空肠微生物差异菌群主要富集在三羧酸循环、脂肪酸β氧化、原儿茶酸降解和L-亮氨酸降解通路。[结论]日粮添加30%蚕豆皮可降低空肠黏膜炎症因子IL-1β mRNA表达量,改变空肠食糜微生物菌群多样性和相对丰度,调节肠道发酵环境。研究结果为蚕豆皮在养羊业发展中的应用提供参考。

低铜饲粮添加枯草芽孢杆菌对5-16周龄五龙鹅肠道发育、微生物菌群结构及血清酶活性的影响

本试验旨在研究低铜饲粮添加枯草芽孢杆菌对5~16周龄五龙鹅肠道发育、微生物菌群结构及血清酶活性的影响。试验选用29日龄五龙鹅360只,随机分为6组,每组6个重复,每个重复10只(公母各占1/2)。Ⅰ组为最适铜添加组(铜添加水平为16 mg/kg,未添加枯草芽孢杆菌);Ⅱ~Ⅵ组为枯草芽孢杆菌添加组,铜添加水平分别为0、4、8、12、16 mg/kg,枯草芽孢杆菌添加水平均为250mg/kg。试验期12周。结果表明:1)Ⅱ~Ⅵ组的空肠绒毛高度和绒腺比极显著高于Ⅰ组(P<0.01),空肠隐窝深度显著或极显著低于Ⅰ组(P<0.05或P<0.01);Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ组的空肠肠壁厚度显著高于Ⅰ组(P<0.05)。Ⅱ~Ⅵ组之间的空肠绒毛高度、肠壁厚度和绒腺比无显著差异(P>0.05);Ⅱ组的空肠隐窝深度显著低于Ⅴ和Ⅵ组(P<0.05)。2)Ⅱ~Ⅵ组的盲肠大肠杆菌数量极显著低于Ⅰ组(P<0.01),盲肠双歧杆菌和乳酸杆菌数量显著或极显著高于Ⅰ组(P<0.05或P<0.01)。Ⅱ~Ⅵ组之间的盲肠大肠杆菌、双歧杆菌和乳酸杆菌数量差异不显著(P>0.05)。3)Ⅳ组的血清谷丙转氨酶(ALT)活性显著低于Ⅰ组(P<0.05),Ⅴ组血清谷草转氨酶(AST)和乳酸脱氢酶(LDH)活性显著低于Ⅰ组(P<0.05);Ⅱ组血清ALT、AST、LDH活性与Ⅰ组差异不显著(P>0.05)。Ⅳ组血清碱性磷酸酶(AKP)活性显著高于Ⅰ组(P<0.05);Ⅱ组血清AKP活性显著低于Ⅰ组(P<0.05)。由此可见,低铜饲粮添加枯草芽孢杆菌能够促进五龙鹅肠道发育,优化微生物菌群结构;铜对鹅肠道发育及微生物菌群结构影响较小。适宜的枯草芽孢杆菌和铜添加水平能够维护机体健康,相互间具有协同作用。

五氯酚钠污染土壤的微生物活性及优势菌群研究

研究了施用五氯酚钠后土壤微生物的数量、主要生化活性以及微生物的优势菌群。结果表明, 五氯酚钠对土壤微生物活性有明显的影响, 对土壤细菌和好气性自生固氮菌有强烈的刺激效应, 而放线菌和霉菌则被严重抑制; 土壤呼吸作用强度、氨化作用强度、硝化作用强度、过氧化氢酶活性、多酚氧化酶活性增强, 而纤维素分解作用强度减弱; 芽孢杆菌B3、B4、B5菌株为污染土壤的优势细菌,青霉属为霉菌的优势属, 淡紫灰类群、粉红孢类群、白孢类群、金色类群、烬灰类群、轮生类群、青色类群从污染土壤中发生缺失。

微生物燃料电池混合菌群的产电特性与分布

将不同来源的污泥进行组合构建混合接种物的微生物燃料电池(MFC),通过比较微生物燃料电池的产电性能寻求更为优良的微生物群落,结果表明:将华南农业大学资源环境学院新肥室沼气池污泥、湖南省祁东县淹水稻田土和燕京啤酒厂废水处理二沉池污泥混合作为组合接种物的MFC性能较优,其最大输出电压0.59 V,最大功率密度10.81 W/m3。利用PCR-DGGE技术解析该电池阳极表面优势微生物的群落,分析发现阳极生物膜中占优势的菌种为Gammaproteobacteria菌纲中的Shewanella,其次为Pseudomonas aeruginosa,还存在Verrucomicrobiae和Flavobacteria菌纲的微生物。

几种酸化剂对断奶仔猪胃酸分泌、胃肠道消化酶活性和微生物菌群的影响

考虑到早期断奶仔猪的生理特点，向断奶仔猪饲粮或饮水中添加酸化剂，以弥补胃酸分泌的不足，是缓解仔猪营养性腹泻的重要手段之一。迄今为止，研究使用过的酸化剂可分为无机酸化剂、有机酸化剂和复合酸化剂3种，其中以复合酸化剂使用较为普遍。但考虑到仔猪饲粮酸化的理论依据，外源性地添加无机或有机酸化剂均为权宜之计，若能内源性地刺激仔猪胃酸分泌，则为治本之策。

现代分子生物学技术在活性污泥微生物菌群研究中的应用

活性污泥是活性污泥法处理污水系统的功能主体。人类对活性污泥微生物菌群的认识随着其研究技术的发展而不断深入。本文主要介绍了现代分子生物学技术在活性污泥微生物菌群研究中的应用,这些现代分子生物学技术包括ERIC-PCR技术、SSCP技术、实时荧光定量PCR技术、DGGE/TGGE技术、16S r RNA序列比较、T-RFLP技术、FISH技术、宏基因组学技术等。最后强调今后活性污泥菌群的研究应以新方法的建立和多种现代分子生物学技术的综合运用为主。

饲粮中添加不同组合的酸化剂对肉鸡肠道微生物菌群、肠道形态以及胃蛋白酶活性的影响

本试验旨在研究饲粮中添加不同组合的酸化剂对肉鸡肠道微生物菌群、肠道形态以及胃蛋白酶活性的影响,为酸化剂在肉鸡饲粮中的合理使用提供参考。试验采用单因素完全随机设计,选取体况良好的7日龄爱拔益加(AA)肉鸡1080只,随机分为9组,每组6个重复,每个重复20只鸡。各组分别饲喂基础饲粮(Ⅰ组,对照组)、基础饲粮+0.1%甲酸甲酸铵复合酸化剂(Ⅱ组)、基础饲粮+0.2%甲酸甲酸铵复合酸化剂(Ⅲ组)、基础饲粮+0.1%(甲酸甲酸铵+精油)复合酸化剂(Ⅳ组)、基础饲粮+0.2%(甲酸甲酸铵+精油)复合酸化剂(Ⅴ组)、基础饲粮+0.1%缓释甲酸(Ⅵ组)、基础饲粮+0.2%缓释甲酸(Ⅶ组)、基础饲粮+0.1%(缓释甲酸+精油)复合酸化剂(Ⅷ组)、基础饲粮+0.2%(缓释甲酸+精油)复合酸化剂(Ⅸ组)。试验期42 d。结果表明:1)Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ组的回肠大肠杆菌数显著低于对照组(P<0.05),Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ组的回肠乳酸杆菌数量显著高于对照组(P<0.05)。Ⅴ组的回肠微生物总数显著低于Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅷ、Ⅸ组(P<0.05)。Ⅴ组的盲肠微生物总数显著低于Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅷ组(P<0.05)。2)Ⅲ组的空肠绒毛高度显著高于对照组(P<0.05),Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的空肠隐窝深度显著低于对照组(P<0.05),Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组的空肠绒隐比显著高于对照组(P<0.05)。Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ、Ⅸ组的回肠绒毛高度显著高于对照组(P<0.05)。3)对照组的肌胃和腺胃食糜pH显著高于其他各组(P<0.05)。Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ组的腺胃食糜胃蛋白酶活性显著高于对照组(P<0.05),Ⅱ、Ⅵ、Ⅸ组的肌胃食糜胃蛋白酶活性显著高于对照组(P<0.05)。由此可见,饲粮中添加0.1%(甲酸甲酸铵+精油)复合酸化剂提高了回肠乳酸杆菌数量、空肠绒隐比和胃蛋白酶活性,降低了空肠隐窝深度、回肠大肠杆菌数量和胃食糜pH。本试验条件下,推荐在肉鸡饲粮中添加0.1%(甲酸甲酸铵+精油)复合酸化剂。

现代分子生物学技术在活性污泥微生物菌群多样性研究中的应用

以活性污泥技术为主体的好氧工艺是污水生物处理技术方面应用较为广泛的方法。随着现代分子生物学技术的不断发展,人们对活性污泥中微生物菌群多样性的认识逐渐深化,大量用传统方法未检测到,但在活性污泥中发挥关键作用的微生物逐渐引起研究学者的重视。现代分子生物学技术以FISH技术、实时荧光定量PCR技术、DGGE/TGGE技术、16S rRNA序列比较、T-RFLP技术、AFLP技术等为代表已成为研究微生物微观形态及种群结构特征的主要手段。文章就这些技术在活性污泥微生物菌群多样性研究中的应用进行了总结,为进一步研究污水处理领域活性污泥的微生物菌群多样性提供了必要的依据。

固载微生物菌群发酵槐角对染料木素含量及抗氧化活性的影响

目的研究槐角经微生物菌群酵母菌、米曲霉和黑曲霉发酵前后染料木素含量变化及其抗氧化活性。方法采用高效液相色谱法(HPLC)检测比较中药槐角3种菌群混合发酵和单独发酵后染料木素的含量,结合自由基清除活性实验(DPPH)和铁还原抗氧化能力实验(FRAP)判断发酵前后槐角的抗氧化活性,并通过对pH、发酵时间、发酵温度、碳源、氮源进行中心组合设计法和响应面法实验对结果进行进一步优化。结果HPLC分析3种菌群发酵后染料木素的含量明显提高。FRAP和DPPH实验结果显示发酵后抗氧化活性提高,发酵前后FRAP值分别为(1.96±0.21)mmol和(1.31±0.12)mmol Fe(II)/g(n=3)。在最优条件发酵,即pH 7.0,发酵时间42 h,发酵温度32℃条件下,体系中染料木素的含量达到39.92 mg/g。结论通过对槐角发酵,采用单因素优化结合响应面分析对体系条件进行优化后,可提高槐角中染料木素的含量和抗氧化活性。

用于小分子生产的人工合成微生物菌群研究进展

随着合成微生物学迅猛发展,微生物菌群的研究已从单一微生物扩展到多个微生物构成的共生体系。在共生体系中,各个微生物通过代谢作用保持着偏利共生、竞争、互利等的关系。目前,通过对微生物菌群的构建、基础理论、应用案例等深入探讨后发现,与培养单一菌株相比,利用合成微生物菌群将底物转化为产物具有产率高、成本低及原料要求低等优点。但合成微生物菌群的基础构成原理、群落中微生物群体之间的相互关系、物质与信息的交换原理及应用基础等问题仍需要进一步阐明。本文中,笔者综述微生物菌群在产品可及性方面取得的进展、群落中微生物群体之间的相互关系以及微生物群体生产应用需要解决的问题,为现实生活中应用这些微生物群体提供一些参考。

滇池底泥微生物菌群对微囊藻毒素的生物降解

采用滇池水华蓝藻中提取提纯的微囊藻毒素(m icrocystins,MCs)作为微生物生长的碳源和氮源,从长期暴露于蓝藻水华的滇池底泥中,通过从含低浓度到高浓度MCs的逐步培养驯化,获得了高效降解MCs的微生物混合菌群,在初始MC-RR和LR浓度大约分别为50 mg/L和30 mg/L下,3 d内可将MCs全部降解。进一步活性研究显示,不同含碳和含氮化合物虽然能够促进混合微生物菌群的生长,但对降解MCs却无明显的促进作用,说明MCs既可以作为微生物生长的碳源,又可以作为微生物生长的氮源,在富含有机物的天然水体中并不一定能够促进微生物对MCs的生物降解。

除草剂对桉树人工林下植物及土壤微生物群落的影响

除草剂在桉树人工林中的应用越来越普遍,但关于除草剂对桉树人工林林下植物和土壤微生物群落的影响知之甚少。通过桉树人工林低剂量高频率(LHF)、中剂量中频率(MMF)、高剂量低频率(HLF)除草剂喷施试验,并与人工除草(MT)为对照,比较分析不同剂量、不同频率除草剂施用对林下植物和土壤微生物群落的影响。结果表明,施用除草剂导致桉树人工林林下植物种类和功能群组成发生显著变化,但并未显著降低林下植物群落物种丰富度和多样性,随除草剂施用频率的降低及恢复时间的增加,物种丰富度及多样性指数呈恢复趋势。除草剂施用也导致土壤养分含量降低。除草剂通过对林下植物群落和土壤养分的负面影响间接影响土壤微生物群落。LHF显著降低藤本植物而显著提高蕨类植物功能群的重要值,从而显著降低了微生物群落、真菌和放线菌的磷脂脂肪酸(PLFA)含量。MMF显著降低木本和藤本植物而显著提高禾草植物功能群的重要值,导致土壤微生物群落和放线菌的PLFA含量显著降低。HLF未显著影响林下植物及土壤微生物群落,但土壤全磷含量显著降低,速效磷含量也大幅下降。施用除草剂显著降低了土壤微生物生物量碳、氮的含量。因此,生产上应减少除草剂的施用,以减少对林下植物和土壤微生物群落的负效应。

高效复合生态链微生物菌群处理污水的研究——城市综合污水的处理

考察了几种高效复合微生物群在不同水力停留时间下对城市污水的处理效果,用空白活性污泥作对照,对出水CODCr值及CODCr的去除率进行了对比和分析。结果表明,在单一菌体与活性污泥混合处理时,光合细菌一活性污泥系统混合处理效果最佳,水力停留时间在6 h时,去除率大于90％;在多菌体与活性污泥混合综合处理时,高效复合微生物菌群结合活性污泥系统,随着进水CODCr的提高,CODCr去除率始终保持在90％以上,具有良好的去除效果和相应的耐冲击性。

酒精废水处理工艺中氧化沟污泥的微生物菌群分析

该实验分析了酒精废水处理过程的主要指标变化,并基于Illumina Mi Seq测序方法研究了氧化沟活性污泥的微生物菌群,分析污泥中微生物种类、丰度和功能。结果表明,在酒精废水处理过程中,p H的变化较小,总磷(TP)浓度不断减小,NH4+-N浓度呈先升高后降低的趋势,化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)呈先快速减小后缓慢减小的趋势。氧化沟活性污泥中生丝微菌属(Tetrasphaera)对废水中磷元素的去除起重要的作用;陶厄氏菌属(Thauera)对废水中氮元素的去除起重要的作用;球形杆菌属(Sphaerobacter)、陶厄氏菌属(Thauera)、沙雷氏菌属(Serratia)能够降解或转化结构复杂的有机物;热单胞菌属(Caldimonas)在污泥中丰度高,但其特性和功能尚不清晰,有待更加深入地研究。

微生物种群间分工协作在木质纤维素转化中的研究进展

联合生物加工被认为是木质纤维素转化的最理想形式,虽然通过代谢工程改造可以基于单一菌株实现联合生物加工,但过高的代谢压力导致菌株转化效率并不理想。为了系统认识微生物种间分工和实现联合生物加工的理性设计,本文聚焦于天然木质纤维素降解菌群中的种间分工,从底物协同水解、营养因子交叉喂养和“糖骗子”限制的角度综述了目前物种间的分工协作模式,介绍了物种分工在木质纤维素转化中的应用,以及天然木质纤维素菌群中种间分工研究的挑战和未来发展方向,为联合生物加工菌群的构建提供设计原则,推动木质纤维素的高效转化。

南极菲尔德斯半岛土壤氮循环微生物类群数量与功能活性的初步研究

南极乔治王岛南端的菲尔德斯半岛被认为是研究南极生态与生物资源的理想之地。本研究从该半岛全岛范围采集了3类不同类型的土壤样品,采用传统最大或然法(MPN)对其所含氮循环各类群微生物的总量进行了测定,同时利用常规Griess试剂、纳氏试剂等显色法初步估算了各菌群的功能活性强度,并结合土壤理化性质和采样点生态等进行了初步分析。目的是对该半岛土壤氮循环微生物进行先期初步了解,为进一步深入研究它们的其他特性奠定基础。结果表明:13个土样中所含氮循环微生物总量趋势为氨化菌>反硝化菌>硝化菌和固氮菌(活菌数),除极个别样品外均具有不同程度的硝化、反硝化、氨化活性。其中,所有土壤样品均具有比较高的氨化菌含量及氨化活性强度;丘陵山坡土壤的反硝化菌含量与反硝化活性强度要高于动、植物区土壤(极个别样品除外);动物区和植物区土壤的硝化菌含量较少,但硝化活性强度较高,预示着可能存在高效功能菌株;而丘陵山坡土壤的硝化菌含量及硝化活性强度则表现得高低不一。本结果为进一步深入研究该地区氮循环微生物提供了前期参考。

微生物燃料电池对食品解冻废水的处理效能与菌群协作研究

随着我国进口冷冻食品行业的不断发展,伴生的食品解冻废水产量不断攀升,如何实现其快速高效处理并从中获取资源/能源成为港口废水处理领域的一个迫切问题。本文研究了基于微生物燃料电池(MFC)对食品解冻废水高效处理及微生物菌群协作机制,为食品解冻废水的快速生物降解及能源化提供了一个新选项。在进水COD负荷分别为0.69、0.71及0.83 kg COD/(m^(3)·d)的条件下,MFC的峰值电压分别达到0.58V、0.62 V和0.64 V,最大功率密度分别为0.147、0.163与0.172W/m^(2),电能转化效率分别达到1.284、1.453及1.563kWh/kg COD,且对有机质的去除效果均超过80%;进水有机负荷的增加有助于提高MFC阳极微生物多样性及产电输出;微生物群落分析显示以食品解冻废水为基质的MFC阳极生物膜的主要发酵类优势菌属包括Prosthecobacter、Azospira、Petrimonas与Azospirillum等,优势的产电优势菌属包括Pseudomonas、Geobacter、Burkholderia、Clostridium等,且两类菌群的密切协作决定了MFC的产电效率。

氮掺杂糠醛碳点促进微生物燃料电池产电的特性研究

选用糠醛、尿素作为碳源和氮源,通过简单的一步水热合成法制备高电子传递氮掺杂糠醛基碳点(N-FCDs),并将N-FCDs与养殖场常见牛粪中的微生物结合,构筑微生物燃料电池(MFC)的生物阳极,强化其产电性能。借助透射电子显微镜、拉曼光谱、红外光谱等测试手段对N-FCDs的形貌、结构和组成进行表征分析,并探讨了MFC的产电性能及其产电机制。研究结果表明:N-FCDs呈现准球体形貌,其平均粒径约为(4.7±0.02)nm;N-FCDs表面氮掺杂形式为石墨N、吡咯N和吡啶N,不同质量浓度(0~500 mg/L)的N-FCDs与微生物共同孵育后,微生物生长曲线无显著差异,表现出良好的生物安全性;N-FCDs较高的石墨化程度及其富电子单原子掺杂赋予其高电子传递特性。加入N-FCDs后,细菌细胞内外均有N-FCDs分布,构筑细菌内外电子传递通道,加速相应电子传递速率,增加了细菌内部电子传递通道,显著增强细菌氧化还原活性,降低微生物整体电子传递阻抗。N-FCDs能够显著提升微生物燃料电池产电性能,最大输出电流为2.34μA、最大输出电压为0.16 V,相比无碳点空白组分别提升了4.9和1.0倍。

处理制药综合有机废水活性污泥的特性及其主要厌氧微生物生理群组成的研究

报道了处理制药综合有机废水的活性污泥特性及组成活性污泥的主要微生物生理群 :淀粉分解菌、纤维素分解菌、蛋白质分解菌、发酵性细菌、产氢产乙酸细菌、丙酸分解菌、丁酸分解菌、硫酸盐还原细菌、硝酸盐还原细菌、乙酸裂解产甲烷细菌和产甲烷细菌 .