为探究亚热带森林土壤氨氧化微生物和反硝化微生物对氮、磷输入的响应,2015年开始在钱江源国家森林公园设置氮磷模拟添加试验,包括对照(CK)、氮(N)添加、磷(P)添加和氮磷(NP)添加4种处理,于2021年4月(湿季)和11月(干季)采集土样,采用定量PCR的方法分析亚热带森林土壤氨氧化微生物(氨氧化古菌AOA、氨氧化细菌AOB和全程氨氧化菌comammox)amoA基因和反硝化微生物功能基因(nirS、nirK和nosZ基因)的丰度变化特征.结果表明:长期N输入显著降低土壤pH,但显著提高了土壤铵态氮和硝态氮含量,而长期P输入显著提高了土壤有效磷和总磷含量.氮的输入(N和NP处理)显著提高了干湿季土壤AOB-amoA基因丰度,且在N处理中最高,达8.30× 107 copies·g-1.NP处理土壤AOA-amoA基因丰度显著高于CK,达1.17×109copies·g-1.comammox-amoA基因丰度在不同季节间差异显著,其他基因丰度在不同季节间差异均不显著.双因素方差分析表明,N输入显著影响AOB-amoA、nirK和nosZ基因丰度,且湿季更为显著;而P输入显著影响干湿季土壤AOA-amoA和AOB-amoA基因丰度,但对反硝化功能基因丰度影响不显著.冗余分析表明,土壤pH、铵态氮、硝态氮、有效磷和土壤含水量是影响土壤氮循环功能基因丰度的主要因子.土壤氨氧化微生物和反硝化微生物的基因丰度对氮的输入比对磷的输入响应更灵敏.研究结果可为评估亚热带森林土壤养分生物有效性及其对全球变化的响应机制提供科学依据.

通过逐步提高进水中的有机碳源浓度,探讨进水碳氮比(C/N)对基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)型潮汐流人工湿地(TFCW)脱氮效能及其微生物特性的影响.结果表明:进水C/N可显著影响CANON型TFCW中脱氮功能微生物的数量与活性,进而影响其氮素转化速率.当进水C/N由0.0增至6.0时,TFCW中反硝化功能基因的丰度随之增加,系统反硝化性能提高,TFCW中逐渐形成同步亚硝化、厌氧氨氧化与反硝化(SNAD)耦合反应体系,其脱氮效果得以强化.当进水C/N＞6.0时,好氧氨氧化菌活性受到抑制,数量逐渐减少,TFCW中的厌氧氨氧化作用与反硝化作用受阻,系统脱氮性能恶化.当进水C/N为6.0时,TFCW中的SNAD作用可得到最大限度的强化,其总氮(TN)去除率和去除负荷分别达(93.3±2.3)％和(149.30±8.00) mg·L-1·d-1,高于CANON系统中TN去除率的理论值.

硝化作用是氨被微生物氧化为硝酸盐的过程,分别由氨氧化微生物(AOB和AOA)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)主导完成.一个世纪以来,我们把这个分步硝化过程当成唯一的硝化途径来学习和研究.虽然根据动力学理论推测,环境中应该存在单步硝化作用,即由一种微生物单独完成整个硝化过程,将NH3氧化为NO3-,但一直没有研究能直接证明该种微生物的存在.直到2015年底,3个科研团队分别在不同环境中发现了3种不同的经过纯培养的细菌(Candidatus Nitrospira nitrosa、Candidatus Nitrospira nitrificans和Candidatus Nitrospira inopinata)和一种未经过纯培养的细菌(类Nitrospira),它们都具备单独将氨氧化为硝酸盐的能力,这些微生物被定义为全程氨氧化微生物(Comammox).单步硝化作用和全程氨氧化微生物的发现终结了传承百年的理论,并引发了众多关于全球氮素循环的重要科学问题,如这些微生物在环境中的生态位点及其在硝化作用中的相对贡献等.本文就单步硝化作用及全程氨氧化微生物的发现作了简要概述.

[目的]系统评估全程氨氧化细菌(complete ammonia oxidizing bacteria,Comammox bacteria)、半程氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)在典型水稻土剖面的垂直分异规律.2015年发现的“全程”氨氧化细菌(Comammox Nitrospira)可将氨分子一步氧化为硝酸盐,实现硝化作用.而经典的“半程”氨氧化细菌(AOB)或古菌(AOA)将氨分子氧化为亚硝酸盐后,再由系统发育完全不同的硝化细菌将其氧化为硝酸盐.全程氨氧化细菌实现了一步硝化全过程,根本改变了学术界对2类微生物分步硝化的经典认知,但相关研究仍处于初步阶段.[方法]选择重庆北碚地区2017年典型水稻土并采集5、10、20和40 cm不同深度土壤(剖面采样点的上下误差不超过1 cm),提取水稻土总DNA后,利用标靶功能基因amoA,通过实时荧光定量PCR技术分析全程氨氧化细菌(Comammox)、半程氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)在水稻土不同深度的数量变异规律.[结果]半程氨氧化细菌AOB和古菌AOA均随土壤深度增加呈显著下降趋势.然而,全程氨氧化细菌的两大类微生物则表现出相反的规律,Comammox Clade A的丰度随着土壤剖面的加深而显著增加(P＜0.05),但Clade B并未有类似规律.CladeA在水稻土不同层次的土层中均比Clade B高出1个数量级,在5 cm和40 cm处的最低和最高值分别为3.42× 10 7、8.46× 107 copies/g.AOA与AOB的丰度大致相当,5 cm剖面处数量最高分别为1.23×107、1.83×105 copies/g,但其平均丰度远低于全程氨氧化细菌,Comammox与AOA、AOB amoA功能基因拷贝数之比为10-2000.[结论]全程氨氧化细菌(Comammox bacteria)广泛分布于水稻土不同土层中,且数量远高于“半程”氨氧化细菌和古菌,意味着Comammox可能在水稻土硝化作用中起重要作用.

生物硝化过程在全球氮循环中起关键性作用,被认为由氨氮氧化成亚硝酸盐和亚硝酸盐氧化成硝酸盐两个步骤组成,分别由氨氧化微生物(Ammonia oxidizing microorganisms,AOM)和硝化细菌(Nitrite oxidizing bacteria,NOB)催化完成.AOM包括氨氧化细菌(Ammonia oxidizing bacteria,AOB)和氨氧化古菌(Ammonia oxidizing archaea,AOA),AOB与AOA分布广泛,两者的相对丰度和氨氮浓度密切相关.2015年底,3个硝化螺菌属(Nitrospira)谱系II的NOB被证实含有AOM的特征功能酶,包括氨单加氧酶(AMO)和羟胺脱氢酶(HAO),并证明NOB同时具有氨氧化和亚硝酸盐氧化的能力,命名为全程氨氧化微生物(Complete ammonia oxidizer,Comammox).根据AMO的α 亚基基因amoA的相似性将Comammox分为两大分支clade A和clade B.它们广泛分布于自然环境和人工系统,包括土壤(稻田、森林)、淡水(湿地、河流、湖泊沉积物、蓄水层)、污水处理厂和自来水厂等.本文综述了Comammox的发现及其最新的研究进展,并展望了Comammox作为氮循环关键功能菌群的研究方向和应用前景.

[背景]稳定短程硝化是实现城市污水厌氧氨氧化技术的瓶颈,目前国内外关于游离亚硝酸(Free nitrous acid,FNA)对硝化菌活性的影响大多是在曝气条件下进行研究,鲜有关于缺氧条件下FNA对硝化菌活性影响的报道. [目的]探究好氧和缺氧下FNA对氨氧化菌(Ammonia oxidizing bacteria,AOB)和亚硝酸盐氧化菌(Nitrite oxidizing bacteria,NOB:Nitrospira和Nitrobacter)活性的抑制影响.[方法]采用序批式反应器(Sequencing batch reactor,SBR),基于混合液悬浮固体浓度(Mixed liquid suspended solids,MLSS)为8 300 mg/L的全程硝化污泥条件,通过批次试验分别考察好氧和缺氧下FNA(初始浓度为1.16 mg/L)处理48 h后,AOB和NOB活性的变化情况.[结果]好氧FNA处理活性污泥48 h后,FNA浓度维持在1.16-1.17 mg/L,游离氨(Free ammonia,FA)浓度小于0.017 mg/L,AOB、Nitrospira、Nitrobacter丰度均未发生明显变化;过曝气至99 h时,与空白组相比,比氨氮氧化速率(rNH4+-N)、比亚硝酸盐氮氧化速率(rNO2--N)均出现小幅下降,分别由3.5、4.828 mg N/(g VSS·h)降至3.3、4.668 mg N/(g VSS·h),且亚硝酸盐氮累积率(Nitrite accumulation rate,NAR)始终低于33.2％.缺氧FNA处理活性污泥48 h后,FNA浓度维持在0.64-1.16 mg/L,FA浓度低于0.039 mg/L,AOB丰度变化较小,而Nitrospira、Nitrobacter丰度均明显下降,分别由3.002 9×109、4.245×108 copies/g VSS降至1.666 5×108、5.163 8×107 copies/g VSS;过曝气至99 h时,与空白组相比,rNH4+-N值下降幅度较小,而rNO2--N值明显降低,由4.828 mg N/(g VSS·h)降至0.007 mg N/(g VSS·h),且在过曝气0-292 h内,NAR均大于94％.[结论]好氧FNA处理活性污泥48 h后对AOB和NOB无明显抑制作用,但缺氧FNA处理活性污泥48 h后对AOB具有轻微抑制作用,而对NOB具有强烈的抑制作用,可以实现稳定的短程硝化.

活性污泥法是借助活性污泥微生物菌胶团形成来实现泥水重力分离和部分污泥回用,辅以曝气供氧,在曝气池中高密度的微生物细胞可将溶解性有机污染物迅速降解、转化后为己所用,外排的剩余污泥带走大量有机质和氮磷,水质得以净化.活性污泥微生物所合成的胶质状胞外多聚物(Extracellular polymeric substances,EPS)是污泥菌胶团形成必不可少的“黏合剂”,吸水性极高,这也造成剩余污泥难以处置和利用.我们初步总结了活性污泥微生物宏基因组研究概况,利用分子遗传学和基因组学手段,对活性污泥优势种动胶菌(Zoogloea)和其他菌胶团形成菌的EPS生物合成途径和菌胶团形成与调控机制加以研究,鉴定出一个约40 kb的胞外多糖生物合成大型基因簇和一个由7个基因组成的小型基因簇,该基因簇中除胞外多糖合成相关基因外,还编码组氨酸激酶PrsK和反应调节蛋白PrsR双组分系统,可激活RpoN σ因子共同调控一类称之为PEP-CTERM的新型胞外蛋白质的表达,参与菌胶团的形成.PEP-CTERM富含天冬酰胺(缩写为Asn或者N)残基,可能与胞外多糖通过N-连锁的糖基化形成复合物,包裹微生物细胞群体来介导菌胶团的形成.类似的PEP-CTERM基因和胞外多糖合成基因簇在许多重要的活性污泥细菌如聚磷菌和全程氨氧化菌中存在,说明这些细菌也是菌胶团形成菌,可通过污泥沉淀和回用在活性污泥中得以富集.这些研究结果可供活性污泥膨胀控制、污泥减量和剩余污泥资源和能源回收利用参考.

探究了温度的季节性变化对基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)型潮汐流人工湿地(TFCW)脱氮性能及其微生物特性的影响.CANON型TFCW中的脱氮微生物群落在温度的季节性变化下会发生不同程度的改变,其脱氮途径及性能随之会出现周期性的波动.填料层温度在20.0℃以上时对TFCW脱氮性能及其中的优势脱氮菌群无显著影响,CANON作用是系统脱氮的主要途径.当填料层温度低于20.0 ℃时,厌氧氨氧化菌丰度与活性显著降低,在9.3～20.0℃时,亚硝酸盐氧化菌(NOB)的增殖及其活性的提高使TFCW中脱氮的主要途径由CANON作用演替为硝化/反硝化作用,系统对总氮(TN)的去除率仅为(34.8±13.0)％;在2.2～9.0℃时,TFCW中的厌氧氨氧化菌在受到抑制的同时仍保持着对NOB和反硝化菌群的相对竞争优势,系统脱氮重新依赖于CANON作用,其对TN的去除率为(54.8±4.8)％.该研究可为CANON型TFCW工艺的优化及工程化应用提供参考.

[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Nitrospira1、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(Nitrospira9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.Nitrospira1、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Nitrospira3很可能是驱动全程硝化的完全氨氧化菌(comammox),而Nitrospira1、2、4、5、6、7、8、9是否为Comammox有待探究.

全程硝化菌是近期微生物氮循环领域的重大发现之一,引发了对其全球分布、系统发育特征和生理生化特性的广泛关注.本文综述了全程硝化菌在土壤、地表水、废水处理系统等生境的分布规律及影响因子;并从底物亲和力、代谢多样性等方面阐述了其与传统硝化微生物间的竞争互作和生态位分离机制;基于上述特征提出全程硝化菌在水处理领域中的应用前景,可能与其他脱氮微生物如反硝化菌、厌氧氨氧化菌和厌氧甲烷氧化菌等耦合实现在低氨氮、低溶解氧条件下的污水深度脱氮,从而节省能耗并降低温室气体排放.未来研究应继续深入研究全程硝化菌的生理生化特性,评价其生态功能和对氮素地球化学循环的贡献,并探索其在生物水处理等领域的应用潜力.