元基因组和元转录组学在环境微生物中的应用

元基因组学直接针对从环境中提取的微生物遗传物质进行分析和研究,不仅巧妙避开了微生物纯培养的步骤,而且可以根据不同的研究目的对特定环境中所有的DNA序列进行分析,为研究未培养微生物开辟了新的途径。伴随元基因组学的发展,元转录组学也应运而生,成为研究功能基因组学的重要方法。将2种方法结合起来更有助于了解复杂环境微生物的基因组成与表达情况,获得一些新的发现。该文就元基因组学和元转录组学的概念、优势、研究方法、基本思路,以及在环境微生物学中的最新成果进行总结和展望。

16S rRNA基因在微生物生态学中的应用

16S rRNA(Small subunit ribosomal RNA)基因是对原核微生物进行系统进化分类研究时最常用的分子标志物(Biomarker),广泛应用于微生物生态学研究中。近些年来随着高通量测序技术及数据分析方法等的不断进步,大量基于16S rRNA基因的研究使得微生物生态学得到了快速发展,然而使用16S rRNA基因作为分子标志物时也存在诸多问题,比如水平基因转移、多拷贝的异质性、基因扩增效率的差异、数据分析方法的选择等,这些问题影响了微生物群落组成和多样性分析时的准确性。对当前使用16S rRNA基因分析微生物群落组成和多样性的进展情况做一总结,重点讨论当前存在的主要问题以及各种分析方法的发展,尤其是与高通量测序技术有关的实验和数据处理问题。

不同原料厌氧发酵及其微生物种群的研究

使用PCR-DGGE技术,对以鸡粪、猪粪、牛粪、秸秆为发酵原料的发酵体系的微生物群落多样性进行了研究.在发酵不同时间取样,进行了日产甲烷量、日产甲烷浓度的变化分析和DGGE分析.结果表明,日产甲烷量整体趋势为猪粪>鸡粪>秸秆>牛粪,日平均产甲烷量分别为2.67、2.24、0.99、0.49L;猪粪、鸡粪、秸秆的日产甲烷浓度在整个发酵周期大多可维持在50%以上,牛粪的日产甲烷浓度大部分时间低于30%;细菌的优势菌群有拟杆菌属(Bacteroidetes)、密螺旋体属(Treponema)、厌氧绳菌科(Anaerolineaceae)等,新增优势菌群有梭菌属(Clostridium)、脱硫叶菌属(Desulfobulbus)、毛螺旋菌科(Lachnospiraceae)、醋弧菌属(Acetivibrio);古菌的优势菌群有甲烷鬃菌属(Methanosaeta)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales),新增优势菌群有斯氏甲烷球菌属(Methanosphaera stadtmanae).

玉米秸秆产生物燃气及其微生物群落解析

为研究玉米秸秆产沼气及其发酵过程中微生物群落变化，以预处理后的玉米秸秆为原料，采用10 L厌氧反应器进行批式中温发酵产沼气。同时取样利用454焦磷酸测序法测定发酵过程中微生物群落的变化。结果表明：该系统启动迅速，在第3 d就达到产气高峰7.78 L，料容产气率为0.97 L·L^-1·d^-1，46 d原料沼气产率和甲烷产率分别为236.84 ml·（g VS）-1和132.23 ml·（g VS）-1。454焦磷酸测序及分析表明系统中古菌主要为甲烷微菌纲（Methanomicrobia，占总OTU的89.63%），其次为热原体纲（Thermoplasmata，8.51%）古菌。发酵系统中共有22～29个细菌门，其中优势菌群为拟杆菌门（Bacteroidetes，平均含量46.07%）、变形菌门（Proteobacteria，平均含量20.51%）和厚壁菌门（Firmicutes，平均含量13.09%）。玉米秸秆沼气系统微生物群落结构的阐明可为秸秆沼气工程调控提供科学数据。

原核微生物菌群的空间分异增强秸秆-猪粪混合发酵效率

秸秆与禽畜粪便混合发酵既可增强反应器稳定性又能提高发酵产气效率。然而关于秸秆附着菌群、发酵液菌群的时空动态变化,以及它们与产气效率、环境变量的关系仍然未被全部揭示。采用16S rRNA基因扩增子高通量测序技术,对这一问题进行了研究。结果显示,秸秆猪粪混合发酵能够改善沼气发酵的效率。原核微生物群落在空间上的差异分布可能有助于提升系统的效率。在产气高效的系统中,秸秆吸附菌群如Treponema、ClostridiumⅢ、Alkaliflexus和Fibrobacter是主要的纤维素降解菌,提供底物给产酸菌。丙酸是发酵液中含量最丰富的挥发性脂肪酸(VFAs),Pelotomaculum可能是该系统主要的丙酸氧化菌,它们与Methanoculleus、Methanosarcina和Methanosaeta协同作用通过二氧化碳/氢营养型和乙酸营养型产甲烷途径,将包括丙酸在内的VFAs最终转化成甲烷。参与氨基酸代谢的Aminobacterium和Cloacibacillus广泛分布于发酵液中,表明蛋白质是一种重要的发酵底物,说明VFAs尤其是丙酸和氨基酸的互营代谢可能是秸秆猪粪混合发酵系统的重要过程。这些结果表明,功能菌群的空间分化、稳定的秸秆降解菌群和发酵液菌群的弹性变化有助于维持秸秆猪粪混合发酵系统的稳定性和提高发酵效率。

高氨氮浓度对产甲烷厌氧发酵过程中微生物活性及转录组的影响

高氨氮浓度会对厌氧发酵过程中微生物群落结构和活性产生显著的影响,文章利用高通量测序手段考察高氨氮浓度条件下厌氧发酵系统中微生物的活性菌群及代谢途径的差异。结果显示,微生物群落结构随氨氮浓度发生了显著的改变,在高氨氮浓度条件下,主导微生物由Ruminofilibacter和Lactobacillus向Clostidium和Peptostreptococcus转变;代谢过程也出现了明显的差异,与孢子形成和细胞结构相关的代谢过程基因,如休眠与孢子形成(Dormancy and Sporulation)和细胞壁与荚膜(Cell Wall and Capsule)等相对丰度增加;与细胞分裂相关的代谢基因相对丰度降低;产甲烷过程中相应酶基因的表达量逐渐减少。这些结果表明,高氨氮浓度会改变微生物群落结构形成新的生态位,同时会改变各功能基因的表达活性,降低细胞生长和代谢相关基因表达;休眠和孢子形成,基因表达提高,有助于微生物抵抗高氨氮胁迫。

猪粪原料沼气工程系统中的原核微生物群落结构

采集了中国不同地区的13个猪粪原料沼气工程系统的沼液,利用16S rRNA基因扩增子高通量测序技术研究了原核微生物群落组成及多样性。结果表明,Firmicutes是猪粪原料沼气工程系统中的主导微生物,其次为Bacteroidetes、Proteobacteria和Chloroflexi。在相似的温度条件下,铵态氮与磷酸盐的比例是影响猪粪原料沼气工程系统原核微生物群落结构及多样性的主要因素。较高的铵磷比会富集Firmicutes门的菌群,尤其是Clostridium sensu stricto属;而较低的铵磷比则有利于Bacteroidetes和Proteobacteria。不同营养类型产甲烷菌对高浓度铵态氮耐受程度不同(氢营养型产甲烷菌>Methanosarcina>Methanosaeta),影响着产甲烷菌群落组成。产甲烷菌和互营菌的群落组成是影响沼气发酵产气效率的重要生物因素,高比例的氢型产甲烷菌和丙酸互营菌更有利于提高产甲烷效率。

微波生物炭制备影响因素及其环境应用进展

微波反应具有加热速率快、选择性加热、加热均匀等优势,已成功用于制备微波生物炭。主要分析了原料组成、湿度、粒径、热解温度及时间、微波功率、微波吸收剂等因素对微波生物炭产量和质量的影响。在此基础上,综述了微波生物炭在环境修复领域的应用研究进展,结果表明微波生物炭是水中重金属离子、染料的优良吸附剂,对改善土壤理化性质、促进植物生长等方面可起到重要作用。最后分析了目前研究中存在的不足及未来的发展方向。

IFAS工艺处理实验室废水应用研究

实验室废水由于水质波动大,成分来源复杂,可能含有某些有毒有害物质,而难以有效处理。本研究以某科研机构实验楼排放的实验室废水为研究对象,采用生物膜-活性污泥复合工艺(IFAS)处理的方法,探究不同时间段实验室废水的产排特征,并通过添加化粪池污水调节实验室废水水质水量,考察IFAS工艺对实验废水COD、NH_(3)-N等污染物的去除效果及其抗冲击性能。研究结果表明,当实验室废水COD、NH_(3)-N分别为13.88~766.99mg/L,0.35~5.76mg/L时,通过调节实验室废水和化粪池污水的比例,实验室废水的可生化性、毒性和冲击负荷得到改善;同时,实验室废水和化粪池污水在2∶1配比条件下,经过IFAS工艺处理后其出水COD、NH_(3)-N浓度均可达到《GB 8978-1996污水综合排放标准》中的一级排放标准。另外,研究发现IFAS工艺具有良好的抗冲击负荷性能。

人工湿地处理川西北散户农村生活污水的应用研究

景观型人工湿地用于处理川西北生态示范区散户农村生活污水,以补充河道生态需水和减少农村环境污染。选择在阿坝州茂县十里沟村开展现场示范应用研究,底部曝气、美人蕉与西伯利亚鸢尾等搭配种植、冬季搭建保温棚等应用于本湿地。连续7个月监测湿地进出水COD_(Cr)、NH^(+)_(4)-N、TN、TP等指标,分析其对当地生活污水的处理效果,考察低温运行时,西伯利亚鸢尾等4种植物在丙二醛(MDA)含量、氯化三苯基四氮唑(TTC)还原量、酶活力等方面的响应情况。结果表明,COD_(Cr)、NH^(+)_(4)-N、TN和TP夏季去除率为85.07%±2.59%、97.21%±1.33%、82.30%±3.37%和65.78%±1.55%,冬季较夏季分别下降18.57%、8.14%、11.35%和7.55%。出水COD_(Cr)、NH^(+)_(4)-N和TP基本能达到《地表水环境质量标准GB3838-2002》的Ⅴ类水质标准。低温下(4~9℃),美人蕉表现出较高的根系活力和污染物去除潜力,更低温度下(-3~5℃),西伯利亚鸢尾适应性、根际脲酶和磷酸酶活性较高。连续7个月的实际污水处理效果验证了景观型人工湿地处理该区域散户农村生活污水的适用性,对该类地区农村生活污水处理具指导意义和推广价值。

基于柠檬酸处理的枸杞枝条发酵饲料对山羊生长、肉质的影响及其微生物群落

枸杞枝条(Lycium barbarum branches,LBB)的资源化处理是枸杞循环种植的重要组成部分.为探究枸杞枝条发酵饲料的可行性,为枸杞枝条的饲料化推广和应用提供理论依据和实践指导,开展了枸杞枝条预处理实验、发酵实验和山羊饲喂评价试验.结果显示2‰柠檬酸预处理枸杞枝条36 h,枝条中纤维素、木质素、半纤维素降解率达19.67%、16.48%、47.04%,预处理效果显著.发酵25 d后,产物中乳酸含量达28.63 mg/g、乙酸含量达6.87 mg/g,乳酸菌活菌数达3.90×107cfu/g,酵母菌活菌数达2.40×105cfu/g,枸杞多糖含量为3.11%,枝条发酵品质和饲用价值得到提升.山羊饲喂实验结果显示10%为枸杞枝条发酵饲料最佳添加比例,山羊采食量达0.80 kg/(只·天),山羊月增重为10.08 kg只,较空白组均显著提升(P<0.05).枸杞枝条发酵饲料对山羊的肉质无显著影响,且能增加山羊的肠道中功能微生物——瘤胃球菌属Ruminococcus丰度,促进山羊肠道对营养物质的吸收.本研究表明经过柠檬酸预处理后的枸杞枝条能发酵成为饲料,可促进山羊的采食和增长且对其肉质无影响.(图5表6参30)

大曲复合酶系对小麦协同降解作用研究

为研究大曲复合酶系对天然底物小麦的降解作用,采用异源表达法和亲和层析法纯化来自浓香型白酒大曲的内切淀粉酶(NFAmy13B、NFAmy13A)、内切葡聚糖酶(NFEg16A)和来自Thermoanaerobacterium bryantii mel9T的木聚糖酶(TbXyn10A)及木糖苷酶(TbXyl39A、TbXyl52A)。以小麦粉碎物为底物,研究不同酶及配比对小麦降解的影响,并通过对羟基苯甲酸(p HBAH)法测定还原糖含量评估降解效果。结果表明,NFAmy13B是典型的液化淀粉酶,可高效降解长链淀粉,其4 h降解小麦粉碎物得到的还原糖含量为5.12 mmol/L。NFAmy13A是典型糖化性淀粉酶,可高效将短链淀粉降解为麦芽糖,NFAmy13A和NFEg16A可以提高NFAmy13B的降解效率,复配水解效率为NFAmy13B的2.6倍。木聚糖酶和木糖苷酶与NFAmy13B、NFAmy13A、NFEg16复配可进一步提高小麦降解效率,复配水解效率为NFAmy13B的2.9倍。该研究证实大曲复合酶系对小麦粉碎物存在协同降解作用。

高活力木聚糖酶菌株的筛选、酶学性质及酶解应用

实验分离鉴定了高产木聚糖酶曲霉菌株,研究其固态发酵产酶条件及酶学性质。经菌落形态观察、ITS基因序列分析菌株在系统分类中的地位。通过单因素固态发酵实验确定其最佳产酶条件。结果表明,高产木聚糖酶曲霉菌株鉴定为黑曲霉(Aspergillus niger)。其最佳产酶条件为:玉米芯与麸皮比例为1∶3、氮源为尿素、初始pH为3.5、料水比为1∶3.5和接种量为10.0%。在此条件下发酵120h,木聚糖酶酶活最高可达10446.92IU/g。酶学性质研究表明,在pH为5.0、温度为45℃条件下木聚糖酶处于最优条件。糠醛(23.0g/L)和5-羟甲基糠醛(25.7g/L)对木聚糖酶的激活率分别达到15.9%和18.4%。Aspergillus niger SM751可以作为木聚糖酶潜在的生产菌株用于木质纤维素的酶解领域。

反硝化菌YYD4强化生物滤池处理低碳氮比污水效果研究

文章利用实验室筛选到的高效反硝化菌YYD4对反硝化生物滤池进行强化脱氮,探究了该菌在不同C/N比下脱氮性能,考察强化反硝化生物滤池处理低C/N比污水时的启动时间、脱氮能力与脱氮稳定性。结果表明,反硝化菌YYD4处理低C/N比水时其12 h硝氮去除率为99%,总氮去除率达81.38%,无亚硝氮积累。强化反硝化生物滤池对硝氮去除率为95.18%±4.10%,总氮去除率为94.11%±6.33%,较未强化滤池分别提升了9.76%与19.89%,停止投加菌液后强化滤池的硝氮去除率为96.81%±3.00%,总氮去除率为97.84%±1.40%,强化终止后反硝化生物滤池仍具备良好且稳定的脱氮能力。

生物接触氧化-蔬菜型人工湿地处理农村生活污水

采用生物接触氧化+水生蔬菜型湿地一体化装置处理川渝地区某农村居民实际农村生活污水。结果表明,装置对COD、NH_4^+-N、TN的去除率分别达69.23～96.53%、95.9%～97.26%和73.6～93.07%。出水COD和NH_4^+-N、TN的质量浓度分别为5.02～49.98 mg/L和0.59～1.93、2.83～9.35 mg/L,均能稳定达到GB 18918-2002的一级A标准。装置对TP的去除率仅为10%～20%,可通过筛选吸附能力更强的基质或者组合基质等措施进一步提高污水中TP的去除效率。微生物生化系统和湿地系统的结合,大大减少了湿地堵塞的可能,同时水生蔬菜的种植,提高了农户使用的积极性。

生物硫铁复合材料对铜暴露斑马鱼的保护研究

为了研究生物硫铁应用于铜污染事故应急处理中保护鱼类免于死亡的可行性,以斑马鱼为受试对象,测定了铜对斑马鱼的各时间半致死浓度(LC_(50)),考察了投加量、投加时间、pH环境等条件对铜暴露中斑马鱼死亡率的影响。结果表明:投加量越大斑马鱼死亡率越低,最佳投加量(硫化物与铜离子摩尔比)为1∶1,此时斑马鱼96 h死亡率由对照组(不投加生物硫铁材料)的83%降低至0%;在(24 h-LC_(50))mg/L浓度下12 h内投加生物硫铁的斑马鱼死亡率都明显低于对照组,超过24 h则与对照基本一致;水体初始p H对生物硫铁的投加有影响,p H为8时生物硫铁对铜暴露斑马鱼的保护效果较好,在(48 h-LC_(50))mg/L浓度下pH5投加组和p H 8投加组的斑马鱼96 h死亡率分别由100%和77%降低至50%和0%。研究表明,生物硫铁复合材料能快速降低水中铜离子浓度,从而保护鱼类免受毒害,其在铜污染事故应急处理中具有较好的应用前景。

钢渣沸石强化冬季人工湿地处理生活污水的应用研究

为构建一个冬季脱氮除磷效果好的人工湿地系统,选用钢渣、沸石及耐低温常绿鸢尾,构建两组潜流人工湿地(CW1,CW2)。冬季(8~12.3℃)条件下,考察两者对于城镇生活污水的净化效果。结果表明,钢渣—沸石—鸢尾人工湿地(CW2)对生活污水中的NH+4-N、TN平均去除率为95.46%、95.68%,达到GB18918-2002一级A标。人工湿地对TP及COD平均去除率为75.71%、55.22%,达到GB18918-2002一级B标。低温条件下,CW2仍保持良好的脱氮除磷效果且能耗低,可进行推广应用。

生物硫铁对镉污染水稻发芽的保护研究

水稻田中广泛存在的镉污染对全球水稻产量与人类健康造成了很大的威胁,现存除镉方法因其自身局限性而难以推广。该实验以水培试验模拟水稻生长,利用1株硫酸盐还原菌制备生物硫铁复合材料(生物硫铁)处理水培环境中Cd^(2+)污染,探究生物硫铁对Cd^(2+)的减毒作用,考察了Cd^(2+)浓度与生物硫铁添加量对水稻萌发的影响。结果表明,Cd^(2+)浓度越高,水稻发芽势、发芽率、根长、芽长、鲜重等参数总体表现越差,在Cd^(2+)浓度为20 mg/L时影响初步明显。生物硫铁添加量越高,水稻萌发状况越佳,水稻芽、根及底液中Cd^(2+)浓度越低,且摩尔比2为其最佳添加量。在Cd^(2+)浓度为40 mg/L、生物硫铁添加摩尔比为5.0时,表现出对水稻萌发的促进作用,表明生物硫铁在处理水稻田中镉污染有很好的应用前景。

铁炭微电解耦合生物反硝化脱氮性能及动力学研究

将电化学法与生物法结合,构建微电解耦合反硝化(MEBD)脱氮体系,研究反硝化菌群(DB)、铁炭微电解(ICME)、MEBD对低C/N污水的静态脱氮性能的影响,采用一级动力学和莫诺德模型(Monod)拟合分析MEBD的脱氮过程。结果表明,DB、ICME和MEBD的脱氮性能具有显著差异(P<0.05),脱氮效率大小依次为:MEBD>DB>ICME,20 d时,三个体系对总氮(TN)的去除率分别为63.89%,46.59%,37.09%。一级反应动力学比Monod模型能更好地拟合MEBD脱氮过程,两个模型的相关性系数R^(2)分别为0.9972和0.9099。

乙二胺四乙酸(EDTA)生物处理研究进展

乙二胺四乙酸(EDTA)作为一种重要螯合剂,可与绝大多数金属离子配位形成1∶1的具有超强稳定结构的金属螯合物,被广泛应用于造纸、医药、食品、纺织印染等行业.大量EDTA的应用导致其在环境中的逐渐积累,这将对生态环境造成潜在危害.自1998年EDTA被首次报道可生物降解以来,国内外已针对EDTA的生物处理开展了广泛研究.本文总结归纳了目前已报道的EDTA降解菌株及其降解性能,指出EDTA的降解效果与微生物类型、EDTA金属螯合物的稳定性密切相关;概述了涉及EDTA降解的微生物菌群、降解基因与降解途径;针对EDTA高度稳定、可生化性差的问题,重点阐述了国内外关于EDTA降解优化调控的方法策略,主要包括外源物质添加、生物强化、工艺调控等;未来可从EDTA降解菌株的筛选分离、EDTA降解菌群的快速增殖以及EDTA废水处理系统中的微生物种群结构及其相互作用机制等方面开展相关研究工作.