湖泊生态系统中微生物驱动氮-铁耦合反应研究进展

由于人类活动的影响,许多湖泊面临着氮(N)素富集引起的富营养化问题,这影响了湖泊生态系统的氮平衡和生态功能。系统地阐述了湖泊生态系统中微生物利用硝态氮和广泛分布的铁所驱动的氮-铁耦合脱氮过程,重点梳理了微生物参与的反硝化、异化硝酸盐还原成铵和厌氧氨氧化与铁耦合过程研究的最新进展,并说明了Fe(Ⅱ)与Fe(Ⅲ)的氧化还原循环可以持续支持与含氮化合物的反应。深入理解微生物驱动的氮-铁耦合机理,有助于认识其对湖泊内源脱氮等方面的生态和环境问题的贡献。

S/N对自养硝酸盐异化还原成铵过程的影响

采用SBBR反应器,以硝酸盐和硫化钠为基质,探索了4种进水S/N对自养硝酸盐异化还原成铵过程的影响。结果表明:在n(S)/n(N)≤1.3时,系统主要进行硫自养反硝化过程;n(S)/n(N)≥1.5时,系统内同时存在硫自养反硝化过程和硝酸盐异化还原成铵过程,在n(S)/n(N)=1.5∶1时产铵最高;ORP对系统内的反应进程和反应类型有一定的指示作用。当发生完整的硫自养反硝化过程时,ORP会出现硝酸盐膝点和亚硝酸盐膝点。同时存在硫自养反硝化过程和硝酸盐异化还原成铵过程时,硝酸盐膝点和亚硝酸盐膝点重合。出现硝酸盐异化还原成铵过程的原因可能是硫化物浓度的增加,抑制反硝化作用,从而驱动部分电子从S 2-到NH+4。

湿地生态系统微生物驱动氮循环过程分析

立足湿地生态系统,针对微生物驱动氮循环过程,从菌属水平上分析总结关键环节的发生特点、分布情况、氮去除贡献,综合对比分析各环节的协同和竞争关系,酶水平上微生物的差异以及N_(2)O释放特征。对比分析认为,微生物驱动氮循环过程可分别以N_(2)、N_(2)O的形式实现氮去除,后者不符合环境保护的要求;驱动氮循环过程的微生物在不同生境条件下存在差异的根源在于,微生物在酶水平上的差异;有待开展系统性的量化评价,以推动湿地生态系统N_(2)O释放调控机制的建立。

黑臭河道内源硫对硝酸盐异化还原过程的影响研究进展

反硝化、厌氧氨氧化(ANAMMOX)和硝酸盐异化还原成铵(DNRA)是重要的硝酸盐异化还原途径。内源硫作为黑臭河道的主要"致黑"和"致臭"因子,其对硝酸盐异化还原过程的影响不容忽视。在总结国内外关于底泥内源硫对反硝化、ANAMMOX以及DNRA影响研究现状基础上,结合当前黑臭河道"总氮去除率低"的技术瓶颈,系统分析了加强沉积物内源硫与硝酸盐异化还原过程耦合机制研究的必要性,并对氮循环与其他生物地球化学循环耦合过程研究提出展望,为解决黑臭河道治理过程中氮难以去除难题和改善黑臭提供参考。

活性污泥系统中S/N对硝酸盐异化还原过程的影响

硝酸盐异化还原成铵(DNRA)作为硝酸盐异化还原途径的重要过程而备受关注,为研究活性污泥系统中硫对硝酸盐异化还原过程(反硝化和DNRA过程)的影响,以硫化钠为电子供体、硝酸盐为电子受体,在活性污泥系统中分析控制不同S/N的效果。当S/N=1.0时,系统主要进行硫自养反硝化;当S/N分别为1.3、1.5、1.7、2.0时,系统同时发生硫自养反硝化和DNRA过程,且DNRA所占的百分比(P_(DNRA))在S/N=1.7时最大,说明活性污泥硫自养反硝化体系中电子供体充足时会出现DNRA过程,且P_(DNRA)随电子供体/受体的比例不同而发生改变。系统中的氧化还原电位(ORP)对硝酸盐还原过程有一定的指示作用,ORP值越低越有利于DNRA的发生。微生物测定结果表明,Thiobacills、Hydrogenophilaceae、Pseudoxanthomonas和Burkholderiaceae是与硫自养反硝化和DNRA过程相关的主要菌群,进一步确定了DNRA过程的发生。

土壤氮素转化的关键微生物过程及机制

微生物是驱动土壤元素生物地球化学循环的引擎。氮循环是土壤生态系统元素循环的核心之一,其四个主要过程,即生物固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用,均由微生物所驱动。近10年来,随着免培养的分子生态学技术和高通量测序技术等的发展,在硝化微生物多样性及其作用机理、厌氧氨氧化过程和机理等研究方面取得了突破性进展。本文重点阐述了我国有关土壤硝化微生物方面的研究进展,在此基础上,简要介绍了反硝化微生物和厌氧氨氧化及硝酸盐异化还原成铵作用的研究进展,并对今后的研究工作提出了展望。今后土壤氮素转化微生物生态学的研究,应瞄准国际微生生态学发展的前沿,加强新技术新方法的应用,结合我国农业可持续发展、资源环境保护和全球变化研究的重大需求,重点开展以下几方面的工作:(1)开展大尺度上土壤硝化作用及氨氧化微生物分布的时空演变特征及驱动因子的研究;(2)加强氮素转化关键微生物过程与机理的研究,并与相关过程的通量(如氨挥发、N2O释放)和反应速率(如矿化速率、硝化速率)关联起来;(3)在特定生态系统中系统研究各个氮转化过程的耦合关系,构建相关氮素转化和氮素平衡模型,为定向调控土壤氮素转化过程,提高氮素利用效率并减少其负面效应提供科学依据。

设施菜田与棚外粮田土壤菌群和反硝化气体产生的比较分析

【目的】对比设施菜田与棚外粮田土壤菌群以及N2O产生模式的差异。【方法】采用变性梯度凝胶电泳(DGGE)和反硝化功能基因(nir S,nos Z)方法分别比较两种土壤细菌群落以及功能基因类群丰度的差异,利用自动连续在线培养监测体系(Robot系统)测定两种土壤在好氧、厌氧阶段N2O等反硝化相关气态产物产生模式,分析N2O/(N2+N2O+NO)产物比。【结果】设施菜田与棚外粮田具有不同的土壤细菌群落结构,并且土壤细菌总量得到了显著的提升,然而两种反硝化功能基因(nir S,nos Z)丰度并没有显著变化。与设施菜田相比,棚外粮田有相对低的N2O积累量以及产物比,并且在厌氧初期气体产生模式有所不同。培养后铵态氮和亚硝态氮含量上升。【结论】设施菜田长期有别于棚外粮田的管理方式造成了土壤细菌群落的显著改变,增大了活跃微生物总量,造成土壤酸化,并导致N2O在气态产物中的比例升高。设施菜田土壤微生物进行了与棚外粮田不同的硝酸盐呼吸过程,异化硝酸盐还原成铵(DNRA)过程有可能贡献了两种土壤的部分厌氧N2O产生量。