长期施用猪粪对红壤完全氨氧化菌基因丰度的影响

完全氨氧化菌(comammox Nitrospira)的发现对硝化微生物的研究提出了新的挑战。大量研究表明完全氨氧化菌在陆地生态系统中广泛分布,但其在农田土壤中的分布规律及其对长期施用粪肥的响应尚不清楚。研究了长期施用猪粪对农田红壤完全氨氧化菌、氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)功能基因(amoA)丰度的影响,及其与土壤净硝化速率的关系。结果表明:与不施肥的对照处理相比,猪粪施用显著提高土壤有机质和养分含量,且随着猪粪的施用量增加而增加。同时,施用中量和高量猪粪显著提升土壤净硝化速率,增幅分别达到317%和416%。所有处理中,完全氨氧化菌丰度以进化枝A为主,进化枝B丰度极低,大多为非特异性扩增产物,但进化枝A的amoA丰度均低于氨氧化古菌和氨氧化细菌。长期施用高量猪粪显著提升进化枝A的amoA基因丰度,表明存在喜好富营养环境的完全氨氧化菌,而有效磷是最主要的影响因子。相关性分析表明,进化枝A的amoA丰度与净硝化速率呈显著正相关(P<0.01),而氨氧化古菌和氨氧化细菌则没有,表明进化枝A可能在长期施用粪肥的农田红壤硝化过程中发挥重要功能。综上所述,长期施用粪肥显著提高农田红壤养分含量和完全氨氧化菌进化枝A的amoA丰度,进化枝A可能在农田红壤硝化过程中扮演重要角色。

完全氨氧化菌及其硝化作用的研究进展

完全氨氧化菌(简称Comammox)系指具有把NH3氧化为NO3-功能的微生物,Comammox的发现终结了传承百年的N-cycle教条,并引发了众多关于自然界中氮循环的重要科学问题.截至目前已发现并得到的富集Comammox (如Candidatus nitrospira nitrosa,candidatus nitrospira nitrificans和Candidatus nitrospira inopinata)均属于硝化螺菌谱系Ⅱ,广泛分布于饮用水、废水处理以及一系列天然淡水和陆地生态等系统中. Comammox比大多数氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)对氨和氧具有更高的亲和力.此外,在低氨和氧浓度等环境中,高丰度和活性的Comammox对于N2O的减排可能具有重要意义. Comammox的生态位分化及其硝化作用是今后重要的研究方向.

完全氨氧化菌的分子生态学研究进展

硝化作用是氮素循环的核心环节,一直是土壤生物化学研究的热点之一。2015年,完全氨氧化菌(Comammox)的发现颠覆了两步硝化的传统观点,丰富了土壤氮素循环的理论体系。完全氨氧化菌能够独立执行整个硝化过程,具有将氨直接氧化成硝酸盐的能力。本文从完全氨氧化菌的定量检测方法、系统发育及组学分析入手对其分子生态学的国内外研究进展进行了系统综述,着重阐述了完全氨氧化菌在土壤中的多样性和分布规律。未来的研究可以针对以下内容开展:1)探索完全氨氧化菌的分子标志物,设计特异性引物,使其具有更高的分子覆盖度,从而完善完全氨氧化菌多样性的研究;2)优化完全氨氧化菌分离培养技术,富集分离得到更多完全氨氧化菌富集物或纯培养,完善完全氨氧化菌生理生化特性的研究;3)对完全氨氧化菌的功能和活性进行原位表征,并解析其对土壤硝化过程的贡献,阐明完全氨氧化菌的生态学特征,为促进土壤氮素良性循环和生态环境保护提供科学依据。

巢湖完全氨氧化细菌的丰度、群落结构及其影响因素研究

完全氨氧化过程(complete ammonia oxidation, comammox)的发现使研究者们对硝化作用和氮循环都有了新的认识.本研究选取巢湖冬夏季表层(0~10 cm)沉积物样品,运用高通量测序、实时定量PCR等分子生物学技术对comammox细菌的丰度和群落结构进行研究.结果表明:基于amoA基因的comammox细菌的丰度为(5.20±0.72)×10^6^(4.06±1.23)×10^7 copies·g^-1;氨氧化古菌的丰度为(5.39±1.01)×10^5^(1.60±0.18)×10^7 copies·g^-1;氨氧化细菌的丰度为(6.16±1.57)×10^5^(4.30±0.19)×10^6 copies·g^-1.comammox细菌的绝对丰度显著高于氨氧化古菌和氨氧化细菌.多样性分析表明冬季巢湖表层沉积物中的comammox细菌的物种多样性大于夏季.其中Candidatus Nitrospira nitrificans、Candidatus Nitrospira nitrosa和Candidatus Nitrospira inopinata的相对丰度最高占比分别为78.72%、49.80%和6.28%,且夏季样点中Candidatus Nitrospira inopinata的相对丰度显著高于冬季样点.主坐标分析(Principle Coordinate Analysis, PcoA)结果表明,comammox细菌的群落结构具有明显的时间异质性.理化因子中,NH+4和NO-3与comammox细菌的丰度呈负相关关系.本研究在一定程度上揭示了comammox细菌的丰度、群落组成、多样性及其与理化因子的关系.

温度及外源CaCO_(3)对砂滤微生物氨氮降解的影响特性

本研究考察了在不同温度(10,15,25,37℃),不同氨氮浓度(1和2.5mg-N/L)和外源添加CaCO_(3)条件下水厂砂滤池附着微生物对氨氮污染物的降解性能与群落结构组成变化特性.成功从自来水厂砂滤池中提取出含有硝化菌群的附着物,基于聚合链式反应-电泳技术发现硝化菌群主要包括氨氧化菌,亚硝酸盐氧化菌和完全氨氧化菌.温度影响试验结果表明:温度由25℃降低至10℃时,1和2.5mg-N/L氨氮进水负荷下系统氨氧化速率分别显著降低48.1%和47.3%;低温10℃环境下系统对总氮具有较高的去除能力(~48.1%),但温度降低抑制了系统亚硝酸盐的转化,且氨氮浓度的提高不利于低温条件下氨氮的完全氧化作用;而高温环境(37℃)会使硝化细菌活性丧失.此外,外源添加CaCO_(3)使得系统平均氨氧化速率显著提高90%以上.高通量测序结果显示:低温(10℃和15℃)会显著抑制氨氧化菌属Nitrosospira和Nitrosomonas(相对丰度均<1.0%)的生长,而随着温度的降低,Nitrospira生长竞争超过其他硝化细菌,其相对丰度显著提高63.3%~113.7%;同时,添加CaCO_(3)使得系统Nitrospira相对丰度显著升高约2.5倍,而其他硝化细菌丰度均低于1.0%;故推测低温环境下系统中的完全氨氧化Nitrospira在氨氮降解过程中具有较高的贡献程度.

潴龙河中完全氨氧化微生物活性与N_(2)O产生潜势的时空变化特征

完全氨氧化细菌(Complete Ammonia Oxidizer,Comammox)的发现进一步完善了人们对硝化过程的认识.Comammox细菌被发现广泛分布于自然和人工生态系统中,相较于其他好氧氨氧化微生物,有关其在季节性河流中对氨氮的转化与氧化亚氮产生潜势的研究相对匮乏.本研究采用选择性抑制剂实验,结合宏基因组测序和氨单加氧酶(amo A)特异性分析等方法,探究不同水文时期季节性河流潴龙河岸边带表层土壤与开阔水域表层沉积物(0~10 cm)中Comammox等好氧氨氧化微生物的活性、产氧化亚氮(N_(2)O)潜势、分布情况、群落结构、共生模式及关键环境因子.结果表明,Comammox等好氧氨氧化微生物的氨氧化速率和产N_(2)O潜势具有显著的时间异质性.丰水期的总N_(2)O产生潜势((0.53±0.59) ng·g^(-1)·d^(-1))显著高于枯水期((0.10±0.26) ng·g^(-1)·d^(-1))(p<0.05).Comammox的氨氧化速率((0.16±0.04) mg·kg^(-1)·d^(-1))与产N_(2)O潜势((0.24±0.07) ng·g^(-1)·d^(-1))均低于氨氧化细菌,但高于氨氧化古菌.Comammox等好氧氨氧化微生物的群落结构与α多样性具有时间异质性,在丰水期中具有更相似的群落结构与生态特征.pH值是影响Comammox等好氧氨氧化微生物的氨氧化速率、N_(2)O产生潜势及微生物丰度的关键因子(p<0.05).Comammox等好氧氨氧化微生物之间同时存在着竞争与互利共生关系.本研究对季节性河流中完全氨氧化微生物活性与N_(2)O产生潜势的时空变化特征进行了补充,可为河流氮污染治理方案与温室气体减排策略提供研究基础.

土壤含水量和氮添加对旱地红壤氨氧化微生物功能基因丰度的影响

土壤含水量和氮素水平是调控氨氧化微生物和硝化速率的重要因素。本研究以旱地红壤为对象,设置3个土壤含水量(40%WFPS、60%WFPS、80%WFPS,WFPS为土壤孔隙含水量)×4个氮添加水平(0、25、50和100 mg N·kg^(-1)),进行微宇宙培养试验,研究含水量和氮添加对土壤净硝化速率和氨氧化微生物功能基因丰度的影响。结果表明:土壤净硝化速率随土壤含水量和氮添加量的增加而增加。土壤含水量增加显著提高AOA和AOB amoA基因丰度,但降低完全氨氧化菌clade A amoA基因丰度,表明土壤含水量增加不利于完全氨氧化菌clade A生长。氮添加显著提高AOA和AOB amoA基因丰度,但对完全氨氧化菌clade A amoA基因丰度无显著影响。综上,土壤含水量增加不利于旱地农田红壤完全氨氧化菌生长,但氮添加对其丰度影响不显著。

微生物脱氮机理与应用研究进展

当前我国水体氮污染情况不容乐观,脱氮微生物由于具有环保、高效的脱氮特性在水体脱氮领域拥有极大的开发与应用价值。研究综述了硝化作用、反硝化作用、厌氧氨氧化作用、完全氨氧化作用等微生物脱氮技术,系统地阐释了各脱氮途径的内在机制,全面介绍了各脱氮技术的研究与应用现状,并对微生物脱氮技术综合分析,旨在全面分析脱氮微生物研究与应用的关键问题,为提升微生物脱氮效能提供参考依据和研究思路。

季节性河流好氧氨氧化微生物的时空分布及网络互作研究——以漕河为例

好氧氨氧化是硝化过程的关键步骤,第3种好氧氨氧化微生物—完全氨氧化细菌(Complete Ammonia Oxidizer,Comammox)的发现进一步完善了人们对硝化过程的认识.Comammox被发现广泛分布于自然和人工生态系统,但其在季节性河流的时空分布及生态网络互作关系的研究较少.本研究应用实时荧光定量q PCR、宏基因组测序和氨单加氧酶功能基因(amo A)特异性分析等方法,探究了不同水文时期漕河岸边带和开阔水体表层沉积物中Comammox等好氧氨氧化微生物的丰度、分布、群落结构、共生模式及关键环境因子.结果表明,Comammox的amo A基因丰度(106~108copies·g-1)最高,显著高于氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing Archaea,AOA)和氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing Bacteria,AOB),与宏基因组分析得到相对丰度结果一致.Spearman相关性和冗余分析表明,含水率(Moisture content)是Comammox等好氧氨氧化微生物丰度的关键影响因子.生物多样性和主坐标分析(Principle Coordinate Analysis,PCo A)表明,Comammox等好氧氨氧化微生物的群落结构具有明显的时间异质性,其α多样性在丰水期高于枯水期.季节性河流沉积物中Comammox菌主要为Nitrospira sp.SCGC AG-212-E16,相对丰度可达21.4%±6.4%;其次为Nitrospira sp.SG-bin-1、Candidatus Nitrospira nitrificans和Candidatus Nitrospira nirosa.结合分子生态网络分析进一步发现,Nitrospira sp.SCGC AG-212-E16是Comammox群落的关键菌种,起主要的群落内部连接功能.本研究揭示了Comammox细菌在河流生态系统中的高丰度和时空异质性,对进一步研究Comammox等好氧氨氧化微生物在硝化过程中的贡献以及河流氮污染的治理具有重要意义.

河流疏浚底泥余水的固定化微生物处理技术

河道疏浚底泥在工业化处理过程中会产生大量余水,其含有较高浓度的氨氮、总氮、化学需氧量(CODCr)以及重金属等有害物质,如不对其进行有效处理,将会对受纳水体造成严重污染。采用固定化微生物技术,设计了处理量50 t/d的多级接触氧化装置,对疏浚底泥余水进行处理。结果表明,该工艺对氨氮和总氮的去除率可分别达到91.21%和59.00%,出水可满足地表水准Ⅳ类标准。基于分子生物学方法研究了多级接触氧化装置中功能微生物的丰度和群落多样性,结果表明反硝化功能基因narG、napA、nirS、cnorB、nosZ的丰度在前3级反应池中占主导地位,充分保障了系统的反硝化功能,该结果通过16S rRNA群落结果分析以及PICRUSt功能预测得到了进一步证实。定量PCR和群落结构分析表明氨氧化细菌(AOB)和完全氨氧化菌(CAOB)可能是系统中的主要氨氧化微生物。AOB主要来源于N. oligotropha分支,亚硝酸盐氧化细菌(NOB)主要来源于Nitrospira lineage Ⅰ,两者均在好氧池中得到了富集。因此,固定化微生物技术可实现对硝化细菌和反硝化细菌的富集,增强系统的抗冲击负荷能力,对疏浚底泥余水处理具有重要的参考意义。

亚热带米槠天然林土壤氨氧化微生物对模拟氮沉降的响应

我国亚热带地区是全球氮沉降的热点区域。氮沉降会影响氨氧化微生物的丰度和群落结构,进而改变土壤微生物驱动的养分循环。目前对新近发现的完全氨氧化菌认识不足,极大地制约了对森林土壤氨氧化微生物响应氮沉降的整体认识。本研究以福建省三明市辛口镇格氏栲自然保护区长期模拟氮沉降处理土壤为研究对象,利用实时定量PCR方法,研究氨氧化微生物(包括氨氧化细菌AOB、氨氧化古菌AOA和完全氨氧化菌comammox Nitrospira),尤其是完全氨氧化菌的amoA基因丰度。模拟氮沉降处理包括:不添加N(CK)、低氮(添加40 kg N·hm^(-2)·a^(-1),LN)和高氮(添加80 kg N·hm^(-2)·a^(-1),HN)。结果表明:8年的氮添加降低了土壤pH值和有机碳含量,提高了土壤硝态氮含量。供试土壤的AOB丰度低于检测限,无法获得目的片段。高氮处理显著提高了AOA丰度,但对完全氨氧化菌clade A和clade B丰度无显著影响。两种氮添加处理均降低了完全氨氧化菌/AOA值,表明氮添加降低了完全氨氧化菌在亚热带森林土壤氨氧化微生物类群中的相对竞争力。针对完全氨氧化菌clade A和clade B的扩增都存在非特异性产物,表明针对森林土壤的高特异性和覆盖度设计引物的必要性。Clade A和clade B丰度与总氮和铵态氮含量呈显著正相关,clade B丰度还与有机碳含量呈显著正相关。总之,模拟氮沉降提高了AOA在亚热带米槠天然林土壤硝化过程中的相对重要性,这些发现可为该地区应对全球变化和氮沉降的风险评估提供理论依据。

改良人工湿地对二级好氧单元出水的深度脱氮研究

针对传统人工湿地脱氮效率低,构建了潮汐-垂直流和垂直潜流人工湿地,对二级好氧单元出水进行深度脱氮。结果表明,潮汐-垂直流和垂直潜流人工湿地分别对NH_(3)-N和NO_(3)^(-)-N去除效果较好,其平均去除率分别为79.92%和72.45%,且后者出水TN浓度低于城镇污水处理厂污染物排放标准一级A标准限值,但NH_(3)-N则未能达标。增大进水C/N比均显著提升了两系统对TN的去除效率(p<0.005)。两系统上层填料对NH_(3)-N的去除贡献均超过75%,同时对TN和COD的去除贡献也最高,表明上层填料在污染物去除过程中发挥了主导作用。完全氨氧化细菌(相对丰度为1.87%)和潜在硝化菌Rudaea(相对丰度为0.58%)分别是潮汐-垂直流和垂直潜流人工湿地上层填料主导的氨氧化菌,而Rhodanobacter和Denitratisoma以及norank_c_OLB14和Denitratisoma分别是两系统主导的反硝化菌。此外,潮汐-垂直流和垂直潜流人工湿地中下层均检出了厌氧氨氧化菌,二者主导菌属分别为Candidatus_Brocadia和Candidatus_Annamoxoglobus。脱氮功能基因均沿水流方向逐渐降低,这主要受微生物可利用基质控制。

亚硝酸盐氧化细菌的生态位以及对海洋环境变化的响应机制

硝酸盐是海洋微生物可利用氮的主要形式,也是限制表层海洋生物生产力的主要营养物质,海洋中的硝酸盐主要由氨和亚硝酸盐的氧化产生。探索亚硝酸盐氧化细菌在海洋生态系统中的生态位以及对环境变化的响应机制,对认识微生物参与的氮循环具有十分重要的意义。本文综述了海洋亚硝酸盐氧化细菌的研究进程及其主要种类,并总结了其主要的生理生态学特征,指出微生物在海洋生态系统变迁中所衍生出的适应对策。基于当前的研究现状,展望亚硝酸盐氧化细菌未来的研究方向,以期更好地了解海洋中亚硝酸盐的氧化过程,为进一步认识氮在生物地球化学中的循环奠定基础。

农田土壤硝化微生物的生态学研究进展

硝化作用是农田生态系统的重要过程。传统硝化作用是指微生物将氨氧化成亚硝酸盐再氧化为硝酸盐的两步反应,氨氧化过程是硝化过程的第一步也是限速步骤。该过程是由编码氨单加氧酶基因(amoA)的氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)催化完成。2015年底,可以进行一步硝化的完全氨氧化菌(comammox)的发现颠覆了人们对硝化过程近百年的认知,并引发众多对comammox生理代谢、分布特征和相对贡献的深入思考。本文重点阐述农田土壤硝化微生物的生态学研究进展,通过比较AOB、AOA和comammox的发现、系统发育以及对环境因子的响应等方面的差异,对农田土壤硝化微生物相关研究成果进行概括和总结,以期深入了解农田土壤中氮素转化机制,为农田尺度氮素养分管理、面源污染防控及温室气体减排提供理论依据。

陆地和淡水生态系统新型微生物氮循环研究进展

氮生物地球化学循环是地球物质循环的重要枢纽,是决定陆地生态系统生产力水平、水资源安全、温室气体生成排放的关键过程。氮循环是由微生物介导的一系列复杂过程,不同形态、价态氮化合物的转化分别由相应的功能微生物驱动完成。随着厌氧氨氧化、完全氨氧化等新型氮转化过程的相继报道和发现更新了人们对氮循环的认识。本文综述了陆地和淡水生态系统中厌氧氨氧化(anammox)、硝酸盐异化还原为铵(DNRA)、完全氨氧化(comammox)等新型氮循环过程的发生机制、热区分布及环境效应,并总结了这三种氮循环的相互关系。

锡林河流域Nitrospira的生态位分化及环境驱动力

【背景】硝化螺菌属(Nitrospira)驱动的全程及半程硝化过程在全球氮循环中发挥关键作用,但关于锡林河流域Nitrospira的生态位分化和环境驱动力及其可能发挥的全程硝化功能尚不明晰。【目的】阐明锡林河流域不同生境Nitrospira的生态位分化及环境驱动力,探究可能的全程硝化功能。【方法】利用16S rRNA基因高通量测序及生物信息学分析研究不同生境沉积物及土壤Nitrospira类群的组成、丰度、生态位分化及其环境驱动力,并预测其全程硝化功能。【结果】共检测到9类Nitrospira,其中Nitrospira 1、2、4主要分布在旱生环境,与沙粒、水分含量、pH及氨氮间存在负相关关系,与硝态氮、可溶性盐、总有机碳、全氮、全磷、粉粒和粘粒含量间存在正相关关系;Nitrospira5、6、7、8、9主要分布在水生及湿生环境,与粉粒等存在负相关关系,与沙粒等存在正相关关系(Nitrospira 9与氨氮存在负相关除外);Nitrospira 3优先分布在河床中心水生环境,仅与沙粉粒含量存在正相关关系,与其他环境因子存在负相关关系。【结论】锡林河流域Nitrospira类群有明显的生态位分化和广泛的生境适应性。Nitrospira 1、2、4最适于营养相对丰富的旱生环境;Nitrospira 5、6、7、8、9最适于相对寡营养的水生及湿生环境;Nitrospira 3偏爱粉沙、自由水及低氨寡营养水生环境。粉粒含量、可溶性盐和氨氮是导致Nitrospira类群生态位分化及空间分异的最主要环境驱动力。推测Nitrospira 3很可能是驱动全程硝化的完全氨氧化菌(comammox),而Nitrospira 1、2、4、5、6、7、8、9是否为Comammox有待探究。

基于水厂砂滤填料附着物的BAF启动及其硝化性能

对自来水厂砂滤池上层填料附着微生物的三组培养物进行了16S rRNA基因扩增子测序,分析其群落组成和结构差异,随后将三组培养物混合后成功启动了4个曝气生物滤池并分析各装置的硝化性能。结果表明:三组培养物仅检测出硝化螺旋菌属、亚硝化螺旋菌属和亚硝化单胞菌属三种硝化菌属;在NH_(4)^(+)-N浓度为0.5 mg/L时,硝化螺旋菌属是唯一的高丰度硝化微生物,由于缺少氨氧化细菌的存在,推测该硝化螺旋菌属可能存在完全氨氧化菌。4个曝气生物滤池装置成功启动后,在水力停留时间为2 d的条件下,滤池对NH_(4)^(+)-N均有较高的去除率(>98%)。以石英砂为填料的装置在连续进水的初期NO_(3)^(-)-N浓度显著降低,由于进水未添加有机物且溶解氧充足,推测装置在此期间发生了好氧条件下的自养反硝化。以活性炭为填料的装置在连续进水后,不仅NH_(4)^(+)-N去除率高,而且还对NO_(3)^(-)-N有较高的去除率(>99%),推测活性炭吸附-生物降解-再吸附是该滤池脱氮的主要作用机制。