页岩气返排水中的反硝化厌氧甲烷氧化微生物——群落结构与关键影响因子

首次探究了高温高压高盐的页岩气返排水中DAMO(denitrifying anaerobic methane oxidation)微生物存在的证据及其与关键环境因子之间的关联性.结果表明,在所研究的7个页岩气井场返排水中均检测到了DAMO古菌与细菌的存在,且古菌的丰度远高于细菌,其16S rRNA基因拷贝数分别为4.32×10^(4)~5.83×10^(5)copies/L和1.16×10^(3)~6.00×10^(3)copies/L.DAMO古菌与细菌的功能基因mcrA与pomA同样在所有的样品中检出.页岩气返排水中共发现了4个DAMO细菌代表性OTU与1个DAMO古菌代表性OTU,虽然返排水中盐度很高,但检出的DAMO细菌与古菌与已报道的淡水环境中的DAMO微生物亲缘性更近.RDA相关性分析表明,返排水常规理化因子对DAMO微生物的影响并非体现在微生物的丰度上,而是体现在微生物的功能上,其中pmoA基因丰度与TOC含量呈正显著相关,而mcrA基因丰度则与NO_(3)^(-)、NH_(4)^(+)、PO_(4)^(3-)和Cl^(-)浓度呈正相关,Cl^(-)影响最大.研究结果拓展了关于DAMO微生物环境分布的认识,可为缓解返排水中逸散甲烷所导致的温室效应的控制提供理论基础,也有助于加深对深部页岩微生物过程的认知.

反硝化型厌氧甲烷氧化耦合厌氧氨氧化脱氮工艺研究进展

反硝化型厌氧甲烷氧化(Denitrifying Anaerobic Methane Oxidation,DAMO)耦合厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation,Anammox)脱氮工艺在实现能源废水处理方面具有很大的潜力。DAMO-Anammox脱氮工艺能同时将甲烷、氨氮和硝酸盐转化为无害的N_(2)和CO_(2),在无需额外能量消耗下实现废水中的碳氮循环,有望成为未来环境友好型废水处理的主要技术。本文讨论了DAMO-Anammox微生物的协同和竞争机制,不同电子受体的类型对脱氮过程中微生物胞外电子传递机制及脱氮除甲烷效率的影响,指出了目前DAMO-Anammox脱氮工艺存在的功能微生物富集困难、气液传质效率差和脱氮性能不足等应用瓶颈,总结了如新型反应器构型的设计、人工电子中介体投入和电化学强化等相对应的改进策略,为该工艺的进一步研究和规模化应用提供参考。

厌氧甲烷氧化及其影响因子的研究进展

厌氧甲烷氧化(anaerobic oxidation methane, AOM)对降低全球甲烷排放具有重要意义,是当前生物地球化学循环的研究热点之一。基于此,综述了以不同电子受体参与的AOM反应,包括硫酸盐还原型厌氧甲烷氧化、反硝化型厌氧甲烷氧化和金属离子型厌氧甲烷氧化,对参与不同类型AOM的相关微生物种类及代谢途径进行梳理,重点总结影响因子包括甲烷浓度、氧化还原电位、温度、pH值及盐度对AOM的影响,最后展望了应拓宽研究区域,探寻更多参与AOM的电子受体及其他反应耦合体系,以期为进一步研究甲烷氧化过程在碳、氮、硫及金属离子生物地球化学循环中的重要意义提供参考。

不同类型冬水田土壤中厌氧甲烷氧化古菌的垂直分布

【目的】厌氧甲烷氧化古菌是厌氧条件下减少甲烷排放的关键微生物,在全球碳素循环中发挥着重要作用,但其在不同类型冬水田土壤中的垂直分布规律尚不清楚。【方法】利用qPCR和16S rRNA测序技术,选择厌氧甲烷氧化古菌的特异性引物DP397F(q)/DP569R(q)和DP142R/DP779R,探究潴育型和潜育型冬水田的耕作层、犁底层和潴育层/潜育层中厌氧甲烷氧化古菌的丰度和生态位分布。【结果】两种类型水稻土中存在大量厌氧甲烷氧化古菌,且古菌丰度值在4.82×106~9.30×107copies/g干土,菌群丰度及其多样性水平均呈现出潴育层/潜育层>犁底层>耕作层。相关性分析表明,两种类型冬水田厌氧甲烷氧化古菌丰度均与pH值呈显著正相关(P<0.05),与SOM、WC和NH4+-N呈显著负相关(P<0.05);厌氧甲烷氧化古菌氧化速率均与SOM、NH4+-N呈显著负相关(P<0.05)。【结论】潴育型冬水田厌氧甲烷氧化古菌多样性高于潜育型冬水田厌氧甲烷氧化古菌多样性,但厌氧甲烷氧化古菌丰度值则相反。两个采样点厌氧甲烷氧化古菌群落结构多样性和丰度值均呈现出随土层深度增加而增加。厌氧甲烷氧化反应在全球甲烷调控和减少海洋和淡水生态系统甲烷释放方面发挥着重要作用,对全球碳素循环具有重要意义。

反硝化厌氧甲烷氧化微生物的生态分布研究进展

反硝化厌氧甲烷氧化(DAMO)过程是以甲烷为唯一电子供体、硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体的生物化学过程,这一过程在碳氮元素生物地球化学循环和控制全球温室效应方面都起着非常重要的作用。综述了DAMO微生物在典型生态系统(如淡水湖泊、湿地、河流)和非典型生态系统(如海洋、盐湖)中的分布特征、群落结构、物种丰度及影响因素,探究了不同区域环境中DAMO微生物的多样性差异,对比讨论了DAMO微生物环境调研采用的主要检测方法。DAMO微生物在绝大部分生态环境中均有分布,且DAMO微生物在不同生境间的群落结构和物种丰度均存在一定差异,其中盐水环境与淡水环境中的DAMO微生物差异较大。水体中的总碳、TP/TN、氨氮含量也是影响DAMO微生物菌群分布的重要因素。然而,目前针对DAMO古菌的环境调研非常缺乏,还需要开展更多的研究工作。此外,更特异/有效的引物设计以及其他检测技术的发展将有利于进一步认识和理解环境中DAMO微生物的多样性及生态功能。

基于厌氧甲烷氧化的微生物燃料电池研究进展

甲烷是生态碳循环的组成之一,也是仅次于二氧化碳的温室气体。消减甲烷的排放备受关注,对缓解全球温室效应有重要意义。与费托法转化甲烷相比,生物转化甲烷是相对来说更经济环保的可持续发展技术。甲烷的厌氧氧化(anaerobic oxidation of methane,AOM)是减少全球甲烷排放重要且有效的生物途径,综述了AOM的四种类型以及代谢机制。近年来对微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFCs)底物的研究现状,系统综述基于厌氧甲烷氧化的微生物燃料电池的研究进展。指出AOM-MFC系统仍存在厌氧甲烷菌族不能单独分离培养且电活性相对较弱的问题以及优化系统结构和深化研究厌氧甲烷菌族的产电机理的工作方向,以期达到利用AOM-MFCs消减全球甲烷排放的目的。

淡水生态系统中反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的研究进展

反硝化型厌氧甲烷氧化(DAMO)是在淡水生态系统中发现的一种全新的厌氧甲烷氧化途径,偶联了全球碳循环和氮循环,与NC10门细菌、DAMO古菌及厌氧氨氧化菌密切相关。首先介绍DAMO途径在淡水生态系统中的发现及其功能微生物。其次,重点阐述DAMO功能微生物在湖泊、湿地和河流等淡水环境中的研究进展,并对聚合酶链式反应(PCR)、荧光原位杂交(FISH)及高通量测序技术在DAMO功能微生物检测中的应用及发展进行总结与分析。最后,展望DAMO在淡水生态系统中的研究前景。

一个厌氧甲烷氧化菌菌株的分离、纯化和特征研究

首次报道浙江象山市郊青紫泥水稻田土壤中一个能厌氧氧化甲烷的细菌菌株AMOB3的分离、纯化及其部分生理生化特性.该菌株革蓝氏染色阴性,细胞极小,仅(0.3～0.5)μm×(0.7～0.8)μm,在厌氧滚管琼脂上可形成细小透明直径约为0.2mm的菌落.能较好地利用甲烷和甲醇,但仅微弱利用甲酸.电镜显微表明细胞具有周生于胞质的与好氧性甲烷氧化菌相同的囊膜结构.试管培养时该菌株的甲烷氧化活性为2.4nmol/mL.Cu2+、Mo6+、Mn4+等离子可提高该菌株氧化甲烷的能力,但Cr3+具有抑制作用.经将菌株AMOB3的特性与现有报道的好氧性甲烷氧化菌比较,认为这是一个不同于现有甲烷氧化菌的新种.

浑河底泥反硝化厌氧甲烷氧化菌群落结构时空特征

为了解在反硝化厌氧甲烷氧化反应过程中起主要作用的微生物——Candidatus Methylomirabilis oxyfera（M.oxyfera）在河流底泥环境中的时空变化特征,利用克隆文库及实时荧光定量PCR技术考察了浑河流域部分底泥中M.oxyfera-like的16S rRNA和pmo A功能基因的多样性及丰度.结果表明：从浑河上游至下游丰水期各采样点底泥中M.oxyfera-like的16S rRNA的多样性无明显地域性差异,其OTU（operational taxonomic unit,独立操作单元）数变幅不大;pmo A功能基因的多样性则存在较为明显的地域性差异,上游采样点A（章党大桥）底泥中OTU数为5,下游采样点E（三岔河大桥）底泥中仅为1.采样点A底泥中M.oxyferalike的16S rRNA和pmo A功能基因的多样性均存在一定的季节性差异,平水期16S rRNA和pmo A功能基因的Shannon-Wiener多样性指数分别为1.48和2.19,在各期中最高;而枯水期时二者均最低,分别为0.83和1.26.丰度分析结果显示,所有采样点底泥中M.oxyfera-like的16S rRNA丰度均表现为平水期（2.42×106~1.74×107copies/g）（以干质量计）最高、枯水期（2.87×10^4~4.19×10^6copies/g）居中、丰水期（1.29×103~2.04×10^4copies/g）最低,说明浑河底泥中M.oxyfera-like的丰度亦存在一定的季节性差异.

反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥脱氮效能

采用改进的升流式厌氧污泥床(UASB)反应器,在温度为30℃条件下,逐渐缩短HRT(水力停留时间)由9.6 d到0.9 d,经过160 d运行,成功培养出反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥,采用荧光原位杂交(FISH)分析、16S rRNA分析等方法研究颗粒结构和微生物组成特征。结果表明耦合颗粒污泥的氨氮和亚硝酸盐的脱除速率分别为588.9和523 mg·L^(-1)·d^(-1),反硝化厌氧甲烷氧化活性达95.2 mg·L^(-1)·d^(-1),出水硝酸盐质量浓度小于40 mg·L^(-1),总氮去除率达92.5%;耦合颗粒污泥平均粒径为0.76 mm,与接种厌氧氨氧化颗粒污泥相比增加了1.46倍;反硝化厌氧甲烷氧化微生物主要位于耦合颗粒污泥外层,厌氧氨氧化菌位于耦合颗粒污泥内部;主要的厌氧氨氧化菌为Candidatus Brocadia,主要的反硝化厌氧甲烷氧化细菌为Candidatus Methylomirabilis,反硝化厌氧甲烷氧化古菌为Candidatus Methanoperedens。

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。

反硝化厌氧甲烷氧化技术应用瓶颈与突破方向

以甲烷为电子供体、硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体的反硝化厌氧甲烷氧化(DAMO)过程可同时去除甲烷和氮素污染,在废水生物脱氮领域具有较好的应用前景。然而,DAMO微生物存在生长缓慢、富集难度高的问题,且该过程较低的气液传质效率也限制了它的实际应用。阐述了DAMO过程的基本生化反应与DAMO微生物,总结了目前制约DAMO技术工程化应用的关键性问题,并探讨了可能的解决方式与方向。

中空纤维膜生物反应器富集反硝化厌氧甲烷氧化菌群的研究

反硝化厌氧甲烷氧化（DAMO）过程可以由一种称为Methylomirabilis oxy f era的DAMO细菌在有或者没有DAMO古菌下完成．已经报道的DAMO过程的菌群富集时间长（一般需要7～18月），且DAMO体系反硝化速率低．利用中空纤维膜生物反应器（HFMB）提高甲烷的传质来试图实现快速启动DAMO反应，结果发现HFMB在不到3个月时间内就表现出DAMO反应，其反硝化速率达到50 mg · L －1· d－1硝酸盐氮．二代测序显示，HFMB中微生物以 A naerolineaceae ， A zospira ，CL500‐3占绝对优势，分别为39.08％，13.68％和11.54％，而 DAMO 细菌（Methylomirabilis）和与厌氧甲烷氧化有关的古菌 Methanosarcina分别占0.02％和0.13％，因此推测在HFMB中DAMO过程是由一群新的菌群主导完成．

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。

硝态氮/亚硝态型厌氧甲烷氧化在污染控制中的应用进展与探索

硝态氮/亚硝态型厌氧甲烷氧化(NOx-DAMO)过程在还原硝酸盐/亚硝酸盐的同时将甲烷氧化为二氧化碳,在全球碳氮循环中起着重要作用。从应用的角度看,利用NOx-DAMO原理进行环境中甲烷和氮素污染控制也值得关注。本文介绍了在MBR和MBfR等反应器中应用NOx-DAMO过程单独或与其他工艺联合处理模拟废水和实际废水的研究中,污染物去除速率和效率显示出了工程实用价值。指出基于NOx-DAMO原理开发垃圾渗滤液和填埋气协同处理工艺、煤层气厌氧生物氧化工艺的研究值得探索,其可能为无规模利用价值的生活垃圾填埋气和煤层气的处理提供低成本和环境友好的解决方案。今后的研究方向应该是在继续深入NOx-DAMO微生物的生理特性研究的同时,需要面向不同应用需求广泛开展工艺开发与优化研究。

深海冷泉古菌厌氧甲烷氧化研究进展

在富含甲烷水合物的海相冷泉沉积物中,古菌厌氧甲烷氧化作用(anaerobic oxidation of methane, AOM)越来越受到人们的重视。目前普遍认为, AOM是由嗜甲烷古菌和硫酸盐还原菌共同调节的生物地球化学过程。16S rRNA基因分析表明,包括AEME-1、AEME-2和AEME-3在内的多种甲烷古菌参与了AOM的过程,它们广泛分布于全球大洋海底缺氧带。AOM过程与全球环境变化密切相关,从深海底部冷泉区向上渗漏的甲烷气体,绝大部分在穿透缺氧带沉积层过程中被甲烷氧化古菌所消耗,有效减少了具有强烈温室效应的甲烷气体向大气的释放。对AOM生物地球化学过程的研究,在认识冷泉系统碳酸盐的形成机理、控制强温室气体甲烷从海底的渗漏和开发可燃冰新能源等方面具有重要意义。

反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的研究进展

反硝化型厌氧甲烷氧化(DAMO)是以甲烷为电子供体、硝酸盐/亚硝酸盐为电子受体的生物化学过程,由DAMO古菌和DAMO细菌2种微生物催化完成。该过程不仅对生态系统中的甲烷消耗具有非常重要的贡献,还连接着碳氮元素之间的生物地球化学循环,在废水生物脱氮方面也具有一定的应用潜力,具有重要的研究意义。对近年来DAMO微生物的研究进展进行了梳理和讨论,着重阐述了有关DAMO微生物的代谢途径、富集影响因素(接种物、温度、甲烷传质/分压和反应器构型),以及在废水处理中的应用潜力等方面的内容。并在此基础上,针对DAMO古菌在碳氮循环中的贡献以及模拟DAMO过程的数学模型等未来可能的研究方向提出了展望,以期为DAMO微生物的环境功能研究及废水脱氮处理应用提供参考。

微生物介导厌氧甲烷氧化反硝化过程及其反应机制探讨

微生物进行的厌氧甲烷氧化反硝化过程是减少自然环境中甲烷这一温室气体排放的重要生物途径,即反硝化型甲烷厌氧氧化(denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)。反硝化型甲烷厌氧氧化是指在厌氧条件下以甲烷作为电子供体,NO2-/NO3-作为电子受体的反硝化过程。Candidatus Methylomirabilis oxyfera细菌和Candidatus Methanoperedens nitroreducens古菌是参与DAMO过程的2类主要功能微生物。深入了解微生物介导的DAMO的发生机理以及影响因素,有助于更好地理解碳氮耦合在生物地球化学循环中发生的重要作用,为DAMO工艺的开发与应用提供理论依据。本文从功能微生物的富集、影响因素、生理特性、生物代谢与反应机制等方面对DAMO的最新进展进行阐述,并探讨了DAMO未来的研究方向与应用前景。

厌氧膜生物反应器出水溶解甲烷回收研究进展

厌氧膜生物反应器(AnMBR)是一种能耗低、处理效率高的污水处理技术.然而,受温度、污泥龄、水力停留时间等工艺参数的影响,生成的甲烷大量溶解在出水中形成过饱和溶液,并随出水排放至环境中,造成了能源物质损失和温室气体排放.若将溶解甲烷有效回收,其可作为补充能源或脱氮碳源原位利用,具有重要的应用价值.为了实现AnMBR出水溶解甲烷有效回收或再利用,本文阐述了目前3种主流回收溶解甲烷技术(膜回收技术、反硝化厌氧甲烷氧化技术、微生物燃料电池)的原理、回收效能和局限性.在此基础上,评估了AnMBR处理污水全过程的碳足迹,并针对AnMBR出水溶解甲烷回收的未来研究进行了展望.本研究可为双碳背景下AnMBR技术实现能量盈余和资源回收提供理论依据和技术参考.

利用污泥厌氧化生产的甲烷作为碳源实现垃圾渗滤液脱氮的厌氧菌筛选研究

垃圾渗滤液作为一种典型的含高氨氮高有机物的污水,其总氮浓度排放要求严格,而传统的异养反硝化需要额外的有机碳,并且会导致二次污染及更多CO_(2)的排放。反硝化厌氧甲烷氧化(DAMO)是一种利用甲烷(CH_(4))作为电子供体和碳源进行反硝化的过程,而厌氧消化可以利用污泥中的有机物作为发酵底物,在厌氧条件下生产CH_(4),同时将DAMO与厌氧氨氧化(Anammox)相结合实现垃圾渗滤液的深度和完全脱氮,是一种经济的解决方案。基于此背景,本论文筛选了市面上几种厌氧菌用于污泥产甲烷,从而为后续的深度脱氮实验提供合适的厌氧菌。通过对比后,筛选碧莱清高级厌氧菌CJW388品类作为市售高级厌氧菌剂代表,并以该厌氧菌为添加剂,研究了不同底物种类、底物浓度以及接种比例的条件影响。实验结果发现,在高浓度COD(5000 mg/L)情况下,添加市售菌剂对于乙酸钠和丙酸钠基质产甲烷的提升量和比例基本一致;在低浓度COD(1500 mg/L)进料情况下,添加市售菌剂对于乙酸钠基质产甲烷的提升量和比例远高于丙酸钠基质。