非光合微生物菌群好氧固定CO_2的研究

微生物固定CO_2在环境、资源方面具有重要意义。然而,通常具有较高固碳能力的光合细菌和氢-氧化细菌由于需要光照/严格厌氧和供氢,限制了其在反应器或土壤中的应用。本研究通过生物技术手段从海水及其沉积物中选育到在普通好氧条件下具有固碳能力的非光合微生物菌群,并通过电子供体和无机碳源结构的优化,显著提高了其对无机碳的同化能力,好氧条件下固碳菌液的最高无机碳同化效率可达110 mgCO_2/L·d,为实现普通环境条件下的微生物固碳奠定了基础。同时,通过分子生物学手段研究了不同环境条件下固碳微生物菌群的群落结构,以期为进一步优化固碳微生物群落结构,提升固碳效率提供理论依据。结果发现在不同培养条件下,菌群的群落结构发生了很大改变,表明不同条件下的固碳优势菌属于不同的种属,但通过测序、序列比对及构建系统发育树后发现,在已测序的16个显著条带中,11个是不可培养微生物,即其只能以共生方式存在,混合培养时,固定CO_2的效果可能是多种菌共同作用的结果。这意味着单一纯种微生物的固碳效率可能较低,研究与优化固碳微生物菌群的结构和配比将有利于固碳效率的提升。

温度、pH对非光合微生物菌群固碳效率的影响及其成因分析

CO_2是主要的温室气体,也是地球上最丰富的碳源和可再生资源,本实验通过研究温度和pH对非光合固碳微生物固碳效率的影响,以期获得非光合固碳微生物适宜的固碳条件,并通过16S rDNA序列分析,研究了不同条件对固碳微生物群落结构的影响及其与固碳效率的相关性。结果表明,好氧/厌氧固碳微生物菌群生长的最适pH均在7左右。好氧固碳微生物菌群可在较大的温度范围(10℃～40℃)内良好生长,但其固碳速率在10℃左右时最高,之后微生物固碳速率随温度上升而下降,在40℃时,微生物固碳速率开始回升。厌氧时微生物的固碳效率随温度的变化情况与好氧时相似,但总体效果要比其在好氧时低20%～25%。由DGGE图谱及戴斯系数分析可得培养温度和pH对群落结构有显著影响,不同pH和温度条件下优势菌差异显著,这可能是固碳效率变化的重要原因之一。

好氧/厌氧条件下混合电子供体对非光合微生物菌群固碳效率影响的析因实验分析

CO_2是主要的温室气体之一,但同时也是地球上最丰富的碳源,因此回收利用CO_2具有重要意义。本研究通过混合电子供体析因实验,定量描述了好氧/厌氧条件下Na_2S、NaNO_2、Na_2S_2O_23种电子供体的用量和比例与非光合微生物茵群固碳效率之间的关系,并分析了3种电子供体之间的两两交互作用,比较了两种条件下固碳效率。结果表明,电子供体析因实验的回归模型与实验值有较好的拟合度,能对不同配比混合电子供体的固碳效率进行较好地预测。电子供体交互作用分析结果表明,好氧条件下,NaNO_2与Na_2S对茵群固碳能力有互相抑制的作用,Na_2S与Na_2S_2O_3则具有相互促进的作用,NaNO_2单独作用时,对微生物茵群的固碳作用有较大的促进作用,而Na_2S_2O_3的加入则产生了一定的抑制效应。厌氧条件下,Na_2S单独作用能对茵群固碳效率起到促进作用,NaNO_2或Na_2S_2O_3的加入能对Na_2S的促进作用产生抑制,NaNO_2与Na_2S_2O_3能产生相互促进作用。厌氧条件下的微生物菌群固碳效率明显比好氧条件下的固碳效率低。

非光合自养微生物固定CO_(2)的影响因素及增效策略

微生物固定CO_(2)是一种极富前景的碳捕获和利用途径,对实现全球生态系统碳中和至关重要.非光合自养微生物由于其环境适应性强、固碳途径的多样性,以及会产生高附加值产物而备受关注.基于非光合自养微生物固定CO_(2)的研究进展,系统分析影响非光合自养微生物固碳效率的内部和外部因素,包括有固定CO_(2)途径、固碳关键酶、碳源、电子供体、代谢产物等,并列出多种增效策略.除了直接对应影响因素的增效方法外,还涉及微生物间的协同作用及代谢促进剂(生物炭与微纳米气泡)的使用.本工作有助于为深入理解和进一步增效非光合自养菌固定CO_(2)提供理论基础和技术支撑.

半导体矿物介导非光合微生物利用光电子新途径

自然界中微生物按其能量代谢途径主要分为两种:光能营养微生物和化能营养微生物。化能营养微生物作为非光能营养微生物长期被排除在以日光为能量来源的能量利用途径之外。本文介绍了一种新的微生物能量利用途径,即非光能营养微生物通过半导体矿物光催化作用来利用太阳能进行生长。实验室模拟体系中,金属氧化物、金属硫化物等天然半导体矿物在模拟日光激发下产生的光电子促进了化能自养与异养微生物的生长。研究结果表明微生物的生长与光子能量和光子数量密切相关,同时不同波长光辐照下的微生物生长情况与矿物的光吸收谱相吻合。这一能量利用途径的光能-生物能转化效率为0.13‰1.90‰。在含有天然半导体矿物与天然微生物的红壤体系中,进一步发现半导体矿物光催化能够明显改变环境微生物的种群结构。已有的研究揭示了一种新发现并极有可能长期在地球上存在的微生物能量利用途径,即通过自然界中半导体矿物日光催化作用产生的光电子能够促进非光能营养微生物的生长代谢活动。

混合电子供体对好氧非光合微生物菌群固碳效率影响的析因实验分析

通过混合电子供体析因实验,定量描述了Na2S、NaNO2、Na2S2O33种无机物的用量和比例与非光合微生物固碳量之间的关系,并分析了3种电子供体之间的两两交互作用.最后,通过16S rDNA V3区DGGE图谱分析,研究了不同混合电子供体对固碳微生物群落结构的影响.结果表明,电子供体析因实验的模型具有较好的拟合度,能对混合电子供体的固碳效率进行较好地预测.电子供体交互作用分析结果表明,NaNO2与Na2S对菌群固碳能力有互相抑制的作用,Na2S与Na2S2O3则起到相互促进的作用.NaNO2单独作用时,对微生物的固碳作用有较大的促进作用,而Na2S2O3的加入则产生了一定的抑制效应.DGGE图谱得到了不同电子供体组合对固碳微生物群落结构的影响,不同电子供体的加入导致预培养条件下优势菌的消失,并出现了新的优势菌,这些新的优势菌有的具有固碳优势,有的则会与固碳优势菌产生竞争.DGGE图谱可从分子水平上解释电子供体及其交互组合对微生物固碳效率的影响.

非光合固碳微生物的碳源组合优化

二氧化碳(CO_2)过量排放而引起的全球变暖是目前全球面临的重大环境问题。微生物固碳是实现二氧化碳资源利用的一种重要方式。探索无需光照的高效固碳微生物对于更广泛环境条件下的微生物固碳具有重要意义。在从全球各大海域筛选富集出非光合微生物茵群的基础上,本文构建了在不同的电子供体条件下(铵和氢气)促进非光合微生物茵群生长的最佳混合碳源组合,得到如下结果:在以NH_4^+为电子供体的条件下,优化后的碳源组合为374.24 mgC/L碳酸钠(Na_2CO_3),54.76 mgC/L碳酸氢钠(NaHCO_3)和0 mgC/LCO_2时,最佳响应值TOC为3.06 mg/L。最佳响应值TOC低于以Na_2CO_3为单一碳源时,但高于以CO_2或NaHCO_3为单一碳源时;在以H_2为电子供体条件下,使用优化后的混合碳源为0.26 mg/L Na_2CO_3、0.59mg/L NaHCO_3和71.48mL/L CO_2时,非光合微生物菌群的固碳效率可达27.62 mg/L,较以CO_2为单一碳源提高35%左右。这可能意味着有H_2条件下非光合微生物菌群中的微生物可能以羟基丙酸固碳途径为主,而且多条固碳途径均能被混合菌群利用。

非光合固碳微生物菌群最佳组合氮源的正交实验分析

与光合微生物相比,非光合微生物固定CO_2具有不用光照,可昼夜持续的优点。氮源是影响微生物固碳效率的重要因素。本研究围绕非光合固碳微生物培养中的氮源进行单因素实验,并在此基础上设计正交交互实验以确定最优的氮源组合。结果表明,实验中采用的三种无机氮对微生物固碳效率均有提升,其中(NH_4)_2SO_4约在浓度为8g/L时达到最大值,NaNO_3约在浓度为5 g/L时达到最大值而NaNO_2约在浓度为5g/L时达到最大值。根据单因素实验的结果设计L_(27)(3^(13))的正交交互实验表,得到不同氮源组合影响固碳效率的主次顺序:NaNO_3和(NH_4)_2SO_4是影响微生物固定CO_2的主要因素,其余依次为NaNO_3和(NH_4)_2SO_4的交互作用,(NH_4)_2SO_4和NaNO_2的交互作用以及NaNO_2等。同时三种氮源的最优组合为(NH_4)_2SO_4浓度9 g/L,NaNO_3浓度5 g/L和NaNO_2浓度8 g/L,并得到三种因素影响的直观图。

非光合固碳微生物菌群的耐盐特性及其影响因素

从海洋中分离驯化得到的非光合固碳微生物菌群(NPMC)是无需光照和供氢的化能自养微生物,若能用于贫瘠盐碱地改良,实现其在盐碱土壤中的二次固碳,对于盐碱土壤的低碳化改良具有重要的意义。本实验初步验证了NPMC的耐盐特性,以及微量元素和磷酸盐缓冲液两单因素在次高盐条件下对NPMC固碳效率的影响。并通过响应面法研究了微量元素与盐浓度对NPMC固碳效率的交互作用。结果表明,非光合固碳微生物拥有耐受高盐浓度的特性,可耐受高达100g/L以上的总盐度,因此可用于重盐碱土壤的改良。微量元素和磷酸盐缓冲液浓度的增加,都可增强NPMC的固碳效率,微量元素的促进效应高于磷酸盐缓冲液。微量元素和盐度对NPMC固碳效率的影响存在交互作用。

矿物增强生物光合作用大田试验研究取得突破——花生亩产增幅达43.91%,红薯亩产翻番

早在《地学前缘》创刊不久的1996年就刊载了笔者的一篇短文《废水的矿物学处理》[1];《地学前缘》于2005年刊载了笔者研究团队十年研究成果总结《矿物法——环境污染治理的第四类方法》[2];2014年刊载了又一个十年创新研究成果总结《关键带中天然半导体矿物光电子的产生与作用》[3],其间笔者连续获得两项国家科学技术部“973”项目资助,发现自然界除了太阳光子和元素价电子能量外还存在矿物光电子能量形式,可促进某些非光合微生物生长代谢作用[4]。

非光合CO_2同化微生物菌群的选育/优化及其群落结构分析

通过从海水及其沉积物中分离、筛选,并结合电子供体和无机碳源结构的优化以期获得不用光照与供氢的高效固碳微生物菌群;通过16S rDNA序列分析、比对等手段研究非光合固碳微生物菌群的结构,以期为优化群落配置,进一步提升固碳效率提供理论依据.结果显示,通过分离和长期驯化可从海洋中得到在普通好氧、厌氧条件下具有固碳能力的非光合微生物菌群.添加硫代硫酸钠、硫化钠和氢气作为电子供体可有效提升菌群的固碳效率,在以硫代硫酸钠为电子供体的好氧、厌氧条件下,该菌群的CO2同化效率分别可达10.44 mg/L和12.56 mg/L.该固碳菌群对混合无机碳源的同化效率显著高于单一碳源,在以CO2、碳酸氢钠及碳酸钠为混合碳源情况下,菌群好氧、厌氧固碳效率(以CO2计)分别可达110 mg.(L.d)-1,和72mg.(L.d)-1,接近氢氧化细菌的水平.微生物群落结构分析结果表明,添加不同电子供体后,固碳微生物菌群的优势种发生了显著变化,在发现的16个优势菌种中,11个是不可培养微生物,即其只能以共生方式存在.菌群混合培养时的固碳效率可能是多种菌共同作用的结果,因此优化固碳微生物菌群的结构和配比将有利于其固碳效率的进一步提升.

柑橘皮渣发酵蛋白质饲料(SCP)工艺优化及光照对发酵饲料的影响

[目的]探求柑橘皮渣的资源化利用方式。[方法]以柑橘废渣为主料,麸皮为辅料,通过固态发酵技术生产单细胞蛋白饲料,从热带假丝酵母(Candida tropicalis)、康宁木霉(Trichoderma konigii)、米曲霉(Aspergillus oryzae)、球拟圆酵母(Torulopsis globosa)4株菌中,优选出效果最佳的菌株,并优化菌株最佳混合比例。[结果]确定T.konigii∶C.tropicalis∶A.oryzae最优比例为2∶2∶1,发酵时间84 h,温度33℃,含水率70%,菌液接种量0.4 m L/g,发酵后粗蛋白含量达到35.03%,粗脂肪含量达到4.92%,同时粗纤维含量为12.08%。另外,通过光照强度对发酵饲料的影响试验可知,光强在1 000~2 500 lx时,可以促进微生物生产蛋白质和脂肪,当光强为10 000 lx时,微生物生产蛋白质和脂肪的能力受到抑制;另外,光照条件不利于粗纤维的降解。光照条件对非光合微生物发酵饲料既有促进作用又有抑制作用。[结论]该研究可为柑橘皮渣废弃物的资源化利用提供重要的理论指导。

不同光波长下天然闪锌矿光催化作用对Acidithiobacillus ferrooxidans生长的影响

自然界中部分金属氧化物与金属硫化物矿物具有天然半导体特性(鲁安怀,2003)。在地表系统中,这些矿物的半导体特性可将太阳光能转化为微生物所能利用的化学能,从而促进非光合微生物的生长代谢(Lu等,2012)。

矿物学环境属性研究新进展(代序)

从1996年负责承担国家自然科学基金面上项目《天然铁的硫化物处理重金属污染物机理研究》（49672097）并在《地学前缘》上发表短文《废水的矿物学处理》（鲁安怀,1996）算起,笔者已经矢志不渝地从事环境矿物学研究近20个年头了。20年来笔者孜孜不倦的追求历程,特别是矿物学环境属性研究进展,可集中体现在由科学出版社于2015年3月出版的近百万字的《矿物学环境属性概论》中（鲁安怀等,2015）。