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。

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.

反硝化型甲烷厌氧氧化微生物人工富集与应用研究进展

叙述了近年来硝酸盐与亚硝酸盐型反硝化型甲烷厌氧氧化脱氮微生物的代谢机理、自然分布、人工富集、以及应用研究的最新进展。综合反硝化型甲烷厌氧氧化微生物的特性以及生物脱氮的应用前景,分析了影响反硝化型甲烷厌氧氧化工艺性能的主要因素,并针对反硝化型甲烷厌氧氧化功能微生物与工艺所面临的技术难题提出了研究方向,如自然环境下功能微生物的高精度原位观测,富集过程中微生物生态变化,运行参数和反应器的优化等。

反硝化型甲烷厌氧氧化(DAMO)系统pH值耦合模型研究

对3个具有不同优势菌种反应器中厌氧氧化(DAMO)过程与pH值进行动力学耦合,结果表明,在25℃,Anammox-DAMO混培系统最大脱氮速率、硝酸盐初始抑制浓度和铵盐初始抑制浓度分别为3.95mg/(L·d),182.63,196.40mg/L;Nitrate-DAMO系统最大脱氮速率、硝酸盐初始抑制浓度分别为4.30mg/(L·d),367.69mg/L;Nitrite-DAMO系统最大脱氮速率、亚硝酸盐初始抑制浓度分别为4.04mg/(L·d),293.35mg/L.脱氮速率均随pH值增加先增大后减小,3个系统最佳脱氮pH值分别为7.5±0.2,7.2±0.2,7.8±0.2.脱氮动力学表明,3个不同系统DAMO反应过程均可用Haldane-pH值耦合模型描述.Nitrate-DAMO系统、Nitrite-DAMO系统脱氮过程还可用Monod-pH值耦合方程描述,Nitrate-DAMO系统细菌生长速率、硝酸盐亲和常数和抑制常数分别为1291.21cfu/(L·d),295.23,72.63mg/L;Nitrite-DAMO系统细菌生长速率、亚硝酸盐亲和常数和抑制常数分别为4040.42cfu/(L·d),264.51,5.02mg/L.

甲烷化反硝化厌氧氨氧化耦合中关键营养菌群的变化

分以产甲烷颗粒污泥为接种污泥,在UASB反应器实现了甲烷化耦合反硝化厌氧氨氧化。采用荧光定量PCR(QPCR)和荧光原位杂交(FISH)技术分析了耦合过程中关键营养菌群的绝对数量、相对丰富度和空间分布的变化。UASB反应器运行250 d后,NO^-_2-N、NO^-_3-N、NH^+_4-N和COD的去除率分别为99.99%、99.99%、48%和75%;细菌、产甲烷菌、反硝化菌、厌氧氨氧化菌/亚硝酸盐还原酶基因(nir S,nir K)和N_2O还原酶基因(nos Z)的相对丰富度分别为89.2%、10.8%、11.7%、0.964%、(9.52%,0.902%)和1.22%。耦合过程中,形成了具有明显分层结构的甲烷化耦合反硝化厌氧氨氧化颗粒污泥(外层细菌,内部古细菌)。

有机条件下硫酸盐型厌氧氨氧化生物反应机理研究

为探究有机条件下硫酸盐型厌氧氨氧化(SRAO)生物反应机理,在上流式厌氧污泥床(UASB)反应器中,建立了SRAO反应体系,实现氨氮与硫酸盐同步去除。通过物质衡算、活性测定、微生物分析等,总结获得UASB反应器中SRAO过程分步分层进行的特点。首先,在中下层污泥中,氨氮与硫酸盐在微生物作用下发生反应,生成硫离子和硝态氮;随后,在中上层污泥中,硫离子与硝态氮发生硫自养反硝化反应,生成硫酸盐和氮气。反应器中硫离子的积累会抑制SRAO微生物活性,因此,第二步反应是整体反应的限速步骤。破解硫离子对SRAO微生物的活性抑制,是SRAO技术发展面临的一大难题。

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。

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。

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。

基于好氧甲烷氧化菌的反硝化效能及微生物群落研究

采用气体循环序批式生物膜反应器(gcSBBR),构建反硝化型甲烷好氧氧化(AME-D)系统.考察了进水氮负荷的影响,发现氮负荷为0.075kg/(m3·d)时,硝酸盐氮去除率达到98.93%,其反硝化速率为74.25mg/(L·d),系统的甲烷日平均消耗量为35.91%(初期为50%);扫描电子显微镜(SEM)分析结果显示,系统中的微生物主要以短杆菌(12~18μm)为主,并存在少量的丝状菌(长150~200μm);16S rRNA高通量测序结果显示,该系统中的甲烷氧化菌为Methylocaldum、Methylomonas、Methylococcus和Methylococcaceae_unclassified,反硝化菌为Denitratisoma、Hydrogenophaga、Azoarcus、Thiobacillus和Rhodobacter,其中主要的功能微生物为Methylocaldum、Denitratisoma和Hydrogenophaga,系统对氮的去除是由好氧甲烷氧化菌与反硝化菌协同实现.此外,系统中存在大量以甲醇和甲基胺类物质为生长基质的Methylophilaceae_uncultured(30.4%).

外加Fe2+协同硝酸盐型铁氧化菌对低碳氮比废水反硝化影响研究

针对废水处理过程中反硝化阶段碳源不足需要外加有机物的情况,通过驯化培养以Fe^2+为电子供体的硝酸盐型厌氧铁氧化菌(NAIOM),接种至普通反硝化污泥中(ASBR反应器),研究了NAIOM污泥及外加Fe^2+对反硝化脱氮效果的提升。结果表明:反应器在接种NAIOM污泥和投加Fe^2+后,碳氮比较高时NO3^--N去除率变化不大,随着碳氮比的不断降低NO3^--N去除率提升逐渐明显,在碳氮比为3.42、2.28、1.71时分别为90.20%、85.12%、78.86%,较普通反硝化污泥不投加Fe^2+时的NO3^--N去除率分别提升了17.80%、24.59%、28.70%,接种NAIOM污泥协同外加Fe^2+对提高低碳氮比废水的NO3^--N去除率效果显著。

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。

甲烷分压对亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化活性影响的模型研究

实验采用甲烷基质膜生物膜反应器(CH4-MBfR)为反硝化型甲烷厌氧氧化(DAMO)微生物的反应器,主要研究了甲烷曝气压力及水循环流量对DAMO微生物的影响,并建立模型对DAMO活性及甲烷传质性能进行分析。结果表明最佳甲烷分压为35 kPa,DAMO活性为0.055 mgN·h-1·g-1VSS,出水中溶解甲烷浓度为4.21 mg CH4/L,小于5 mg CH4/L,符合水中甲烷排放标准;当水循环流量为30 mL/min~50 mL/min,对应的液相在膜表面的流速为7.64 m/h~12.73 m/h时,甲烷传质效率高且水中溶解浓度较稳定。

厌氧氨氧化菌种类及其与各类功能菌在ANAMMOX系统内的协作

对目前所发现并报道的共计6个属27种厌氧氨氧化菌进行了总结,结合厌氧氨氧化与短程硝化、短程反硝化、反硝化、厌氧甲烷氧化以及硫自养反硝化5类耦合脱氮工艺,介绍了厌氧氨氧化菌与氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌、反硝化菌、硫自养反硝化菌以及厌氧甲烷氧化菌之间的相互协作过程,比较了各工艺的优势与不足,归纳了5类耦合工艺的研究重点与难点。认为可以通过多参数在线监测技术的开发及各耦合工艺模型的建立,以达到对反应工况实时控制;同时随着对各生化反应电子传递链,以及基于厌氧氨氧化的污水处理工艺内各功能菌群的协作关系的深入了解,存在问题将迎来更优化的解决方案。

甲烷厌氧氧化微生物的研究进展

甲烷是一种重要的温室气体,其对全球气候变暖的贡献率约占20%。微生物进行的甲烷厌氧氧化(Anaerobic oxidation of methane,AOM)是减少自然环境中该温室气体排放的重要生物途径。根据耦联反应的不同,可将AOM分为两类,即硫酸盐还原型甲烷厌氧氧化(Sulphate-dependent anaerobic methane oxida-tion,SAMO)和反硝化型甲烷厌氧氧化(Denitrification-dependent anaerobic methane oxidation,DAMO),前者以SO42-作为AOM的最终电子受体,后者以NO2-/NO3-作为AOM的最终电子受体。深入了解这两种类型AOM的发生机理,有助于更好地理解该生物过程的重要性,为AOM工艺的开发提供理论依据。鉴此,本文简要介绍了不同类型的AOM及其参与的微生物,着重阐述了其发生机理,并探讨了AOM未来的研究方向与应用前景。

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。

厌氧氨氧化菌与脱氮菌关系研究进展

以AAOB为基础,本文对AAOB与硝化菌、反硝化菌和厌氧甲烷氧化菌之间的关系进行论述,并介绍了这些菌相关的不同污水处理工艺。硝化菌AOB和AOA可以为AAOB提供亚硝酸盐氮;反硝化菌还原作用可为AAOB提供亚硝酸盐氮;有机物丰富时,反硝化菌能够抑制AAOB活性。AAOB与N-damo菌均以亚硝酸盐为电子受体,而代谢产物可作为对方的反应物。

西湖底泥中的反硝化型甲烷厌氧氧化菌的分子生物学检测

反硝化型甲烷厌氧氧化反应(Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)是一种最新发现的生物反应,该反应能够偶联反硝化和甲烷的厌氧氧化.催化DAMO反应的微生物是NC10门中一种被命名为"Candidatus Methylomirabilis oxyfera"的细菌.本研究采用基因克隆文库技术考察了西湖淡水底泥中DAMO微生物的分布与种群多样性状况.16S rRNA基因系统发育分析表明,西湖底泥中存在NC10门细菌,与已知的M.oxyfera的16S rRNA基因相似度为93%～98%.DAMO微生物功能基因(pmoA)的系统发育分析进一步证实了西湖底泥中分布有此类微生物,与已知的M.oxyfera的pmoA基因相似度为86%～95%.实时定量PCR结果表明,西湖底泥中DAMO微生物的16S rRNA基因的拷贝数为2.15×105 copies·g-1(以干重计).

氨氮对反硝化型甲烷厌氧氧化细菌的影响机理研究

反硝化型甲烷厌氧氧化(Denitrifying Anaerobic Methane Oxidation,DAMO)是以甲烷为电子供体和唯一碳源,以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体的一种氧化还原反应,可用于废水脱氮,而氨氮是含氮废水中存在的主要形式.目前的研究认为主导DAMO过程的微生物主要有DAMO细菌和DAMO古菌.本文以DAMO细菌为优势菌种的系统为研究对象,通过短期和长期试验,从宏观和微观上研究了氨氮对该系统短期和长期的影响,并比较了不同pH体系下影响效果差异,揭示了相关影响机理.短期试验研究表明,氨氮对该系统的安全浓度为250 mg·L^(-1).当氨氮浓度为500 mg·L^(-1)时,对该系统的脱氮效率造成明显的抑制作用,并且随着浓度、时间的增加,氨氮对其的抑制效果增强;不同pH条件下抑制效果的差异对比发现,在碱性条件下,真正起抑制作用的是氨氮的质子化形式FA(Free Ammonia),在中性及酸性条件下,真正起抑制作用的抑制因子是离子化的NH_4^+.通过扫描电镜对系统中絮状污泥分析发现,在氨氮的短期抑制后,系统内的微生物出现了明显皱缩,丝状菌的数量增加;采用高通量测序技术分析了长期氨氮抑制后的系统,结果显示,系统内菌群结构发生较大改变,物种的多样性和丰度都大大降低.通过菌属分析认为,系统脱氮效率的降低是由于Methylomonas(甲基单胞菌属)数量的减少引起的.