n-damo细菌在不同生态环境中的遗传多样性和潜在功能研究

反硝化厌氧甲烷氧化(DAMO)是自然环境中减少甲烷排放的关键过程。近年来研究发现,亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化(n-damo)细菌在湖泊、河流、稻田和生物反应器等环境中表现出不同的分布特征和群落格局。然而,以往的环境调研主要集中在单一生态环境或样本类型,使得n-damo细菌在全球生态格局中的总体作用和分布特征仍然存在一定的未知。此外,在描述不同生态环境中n-damo细菌多样性时,16S rRNA和pmoA基因之间的具体区别或偏好性尚不清楚。因此,为了填补这一研究空白,基于n-damo细菌的两个关键基因,即16S rRNA和pmo A,通过生物信息学分析来评估不同生态系统中n-damo细菌的多样性特征。研究发现,16Sr RNA和pmoA基因所揭示的n-damo细菌遗传多样性和潜在功能存在差异。保守性更高的16S r RNA基因在湿地环境中多样性最高,而在人工富集环境中多样性最低。pmo A基因则在淡水环境中表现出最高的多样性,但也同样在人工富集环境中表现出最低的多样性。热图和韦恩图显示,淡水环境和湿地环境中n-damo细菌的相似性最高,但人工富集和咸水环境下的n-damo细菌与其他环境差异显著。此外,系统发育分析显示,16S rRNA与pmoA基因具有不同的同源模式,16S r RNA因其保守性而具有较高的同源性,而pmo A基因则表现出更多的簇族分化。这些结果为了解DAMO微生物对不同生态系统中甲烷减排和碳氮生物地球化学循环的贡献提供了重要见解。此外,未来n-damo细菌的环境调研工作应同时分析16S rRNA和pmo A基因,从而对n-damo细菌的分布和功能进行更加科学地综合评价。

淡水和海洋沉积物中N-DAMO古菌对聚氯乙烯微塑料的响应研究

硝酸盐型厌氧甲烷氧化(Nitrate-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)对自然环境中的甲烷减排起着重要作用。近年来,由于人类活动的影响,自然环境中的微塑料含量逐渐增加。然而,微塑料对N-DAMO古菌的生态分布及功能的影响尚不清楚,微塑料在甲烷减排中的作用有待探究。本研究以淡水和海洋沉积物为对象,利用同位素示踪技术和分子生物学手段研究了不同聚氯乙烯微塑料浓度处理下沉积物中N-DAMO古菌的活性,丰度及多样性。结果表明:聚氯乙烯微塑料在短期内显著提高淡水和海洋沉积物N-DAMO古菌活性。聚氯乙烯微塑料对海洋沉积物中的N-DAMO古菌活性刺激更强。加入微塑料后,淡水和海洋沉积物的N-DAMO古菌多样性均发生改变,海洋沉积物中的N-DAMO古菌群落结构更容易受到微塑料影响。

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.

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.

垃圾渗滤液处理同步填埋气脱硫脱碳提纯

为研究二级膜生物膜反应器(MBfR)在处理垃圾渗滤液协同垃圾填埋气脱硫脱碳提纯方面的效能与机制,依次考察了前置短程硝化MBfR和后置MBfR运行过程中有机物和氮素污染物的去除效能,以及垃圾填埋气中H_(2)S、CO_(2)和CH_(4)的转化特性。实验结果表明:在反应系统运行280 d后,成功实现了渗滤液深度处理协同填埋气高效脱硫脱碳。通过控制前置反应器低溶氧,亚硝化率可达85%以上,可实现短程硝化和DAMO-Anammox过程的耦合。系统对COD、NH_(4)^(+)和TN的平均去除率分别可达95%、99%和99%,可实现垃圾渗滤液高效减碳脱氮;垃圾填埋气经过净化后的CO_(2)和H_(2)S气体成分分别降低至0.2%以下和5%左右,而CH_(4)气体成分提高至80%左右,显著提升了垃圾填埋气的质量。反硝化型厌氧甲烷氧化古菌和产甲烷古菌在电子转移系统中表现出高活跃性,暗示其通过直接电子转移的种间关系,可强化CO_(2)还原产CH_(4)过程。本研究中,高效的填埋气升级效果一方面归功于富集了电活性产甲烷菌Methanothrix和硫自养反硝化细菌Thiobacillus;另一方面,高有机负荷的厌氧产甲烷过程消耗大量质子,从而提高体系碱性并增加液相中可吸收的CO_(2)量。这进一步促进了垃圾填埋气中CO_(2)含量减少和CH_(4)含量增加。

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。

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.

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。

典型抗生素对湿地反硝化甲烷厌氧氧化的影响

选取甲烷排放通量较高并且受喹诺酮类抗生素(QNs)污染较严重的白洋淀湿地为研究对象,通过开展13C标记的微宇宙实验,研究典型QNs包括:氧氟沙星(OFL)、诺氟沙星(NOR)和氟甲喹(FLU)对白洋淀湿地DAMO过程的短期影响.结果表明:3种QNs均促进了微生物DAMO过程,且对DAMO的促进效果表现为OFL>NOR>FLU;除添加2ng/g的OFL对DAMO反应速率潜势的影响基本可以忽略外,添加其他浓度(20,200,2000ng/g)的OFL均促进了白洋淀湿地的DAMO过程,并且这种促进作用总体呈现出剂量效应;进一步分析QNs对NO_(2)^(-),NO_(3)^(-)分别驱动的DAMO的影响发现,200ng/g的NOR抑制了由细菌驱动的以NO_(2)^(-)为电子受体的DAMO过程(nitrite-DAMO),但更大程度地促进了由古菌驱动的以NO_(3)^(-)为电子受体的DAMO过程(nitrate-DAMO),最终表现为QNs对NO_(3)^(-)和NO_(2)^(-)共同驱动的总体的DAMO过程的促进作用.

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。

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。

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。

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。

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物生态学研究进展

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)是指以亚硝酸盐为电子受体将甲烷氧化为二氧化碳的微生物生理过程。虽然目前人们对于N-DAMO的研究主要集中于人工环境,但不断有证据表明N-DAMO菌广泛分布于不同类型生境(如河流、湖泊、湿地和海洋等)中,且在部分生境中已被证实N-DAMO反应的发生。这表明N-DAMO是一种被忽视的甲烷汇,其在全球温室气体减排中可能起着重要作用。本文介绍了N-DAMO菌的分类和生化反应机理,总结了N-DAMO菌在不同自然生态系统中的分布特征与作用强度,浅析了影响N-DAMO菌在自然生态系统中分布和发挥作用的主要环境因子,并探讨了N-DAMO反应作为一种被忽视的甲烷汇在控制温室气体排放中的贡献。

耦合式污水脱氮技术的研究进展

基于微生物的协同作用概述了耦合式污水脱氮技术的研究现状,主要包括同步硝化反硝化,厌氧氨氧化与反硝化协同,同时反硝化产甲烷,厌氧氨氧化、甲烷化和反硝化耦合等,并且阐述了这些过程的原理、实现工艺及特点,以期为实现污水的有效脱氮提供参考。

夏季不同形式湿地中2类厌氧脱氮菌群的分布特征

为研究不同形式湿地中厌氧脱氮菌的分布特征和关键影响因子,选择池塘、沟渠、表流和潜流4种形式湿地,采用16S r DNA克隆文库法和典型对应分析等方法,分析了夏季4种形式湿地中厌氧氨氧化菌和反硝化型甲烷厌氧化菌的菌群结构及其与环境因子的相关性。结果显示,湿地中的AMX菌与Candidatus Brocadia fulgida相似性最高可达99%,DAMO菌与典型菌株C.Methylomirabilis oxyfera分在了不同的分支。夏季4种形式湿地中,AM X菌的Shannon多样性依次为表流湿地>潜流湿地>沟渠>池塘,DAMO菌的Shannon多样性依次为池塘>潜流湿地>沟渠>表流湿地。上覆水中TOC和NO-3-N是影响AM X菌分布的主要因素,上覆水中TN、NH+4-N、p H和DO对DAM O菌分布影响最大。研究表明,夏季表流湿地底泥中所含AM X菌类别最多,池塘底泥所含DAMO菌种类别最多,不同形式湿地中均有AMX菌存在,但不确定是否存在DAMO反应,影响2类菌群分布的主要相关因子是C、N以及p H和DO。

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．

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。

畜禽养殖废水生物处理技术研究进展

文章从生物处理法角度出发,阐述厌氧消化产甲烷、自然处理法、全程硝化反硝化、短程硝化、厌氧氨氧化和反硝化型甲烷厌氧氧化等技术在畜禽养殖废水处理方面的研究进展,对比分析4种主要生物脱氮技术的优缺点,探讨未来畜禽养殖废水处理技术发展方向并提出相应建议。整体来看,生物处理法已成为畜禽养殖废水的主要处理技术;厌氧消化常作为预处理工艺,与自然处理法和生物脱氮技术组合运用;短程硝化、厌氧氨氧化和反硝化型甲烷厌氧氧化等新型生物脱氮技术是处理畜禽养殖废水的未来发展方向,但在工程应用上还存在启动时间长、运行不稳定等难题。畜禽养殖废水处理技术正朝着高效、经济、低耗可持续方向发展,未来可将污染物源头、末端控制与资源化利用相结合,运用组合工艺处理畜禽养殖废水并发展循环经济,以实现畜禽养殖业绿色可持续发展。

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。