中国南海与作为海洋生物多样性中心的印太珊瑚大三角区具有一定的环境与生物连通性,其生境多样,为各种生物类群提供了有利的热带和亚热带海洋环境栖息地,具有极其丰富的生物多样性,是中国海洋生物多样性热点地区,也是重要的海洋生物多样性资源宝库.海洋细菌在生态系统循环中发挥重要作用,通过对南海海洋深层水细菌的探测,可以更加清晰地了解西太平洋和印太交汇区的生物多样性.研究基于参加开放项目获得的南海的深海站点水样,采用高通量测序进行了 16S rRNA基因序列测序,分析了南海深海海水细菌群落多样性、菌群构成和多样性特征.该站点南海海洋深层水测定的细菌分属于15门、20纲、24目、86科、140属、150种,表明该区海洋深层水细菌群落丰富.测得优势菌属包括类芽胞杆菌属(Paenibacillus)、芽孢杆菌属(Bacillus)、海旋菌属(Thalassospira)、噬甲基菌属(Methylophaga)、拟杆菌属(Bacteroides)、纤细芽胞杆菌属(Gracilibacillus)、海洋芽胞杆菌属(Oceanobacillus)、海源菌属(Idiomarina)、嗜油菌属(Oleiphilus)、食碱菌属(Alcanivorax),这些属的细菌在生物材料或药物、生物燃料、水处理、降解石油烃等方面均有开发利用的潜力.属内的解淀粉芽孢杆菌(Lentibacillus amyloliquefaciens)、施氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri)、柴油食烷菌(Alcanivorax dieselolei)、三浦半岛盐乳杆菌(Halolactibacillus miurensis)、海迪茨氏菌(Dietzia maris)可以具体鉴定到种,这些深海细菌目前已在产抗生素、生物防治、石油降解、反硝化等方面被开发利用.基于高通量测序显示出采样点南海海洋深层水细菌具有独特菌群特征和多样性,有其极为丰富的生物学开发利用价值.

反硝化作用是湖岸带有效去除氮素的关键氮循环过程,受到植物、土壤理化性质及微生物等因素的影响.为探究湖岸带不同植物对土壤反硝化作用的影响,通过调查测定野芷湖湖岸带 9 种常见植物的根际与非根际土壤的反硝化功能基因丰度和反硝化潜势,分析其与土壤理化性质的关系,阐明植物种类影响反硝化作用的机制.研究结果表明:(1)种植植物会改变湖岸带土壤的理化指标,植物根际土的硝态氮(NN)、铵态氮(AN)、总碳(TC)、总氮(TN)和可溶性有机碳(DOC)含量等显著高于非根际土,其中柳树、黄素馨、喜旱莲子草根际土的TC、DOC、TN、NN显著高于其他物种,桂树的根际和非根际土的pH均显著低于其他物种;(2)植物根际土的微生物反硝化功能基因(narG、napA、nirS、nirK和nosZ)丰度显著高于非根际土,其中柳树、黄素馨、喜旱莲子草根际土的基因丰度显著高于其他物种,pH、TN、NN和DOC等对反硝化功能基因丰度影响较大;(3)根际土的反硝化潜势显著高于非根际土,其中柳树、桂树、黄素馨根际土的反硝化潜势显著高于其他物种,黄素馨非根际土的反硝化潜势也较高,pH、DOC、TN以及napA、nirS、norB基因丰度等对土壤的反硝化潜势具有显著影响.本研究说明植物根际微环境更有利于反硝化微生物的生长与繁殖,湖岸带种植植物时可考虑不同的常绿和落叶乔木、灌木、草本植物的合理配置来提高湖岸带的氮素截留能力,以减少由过量氮素进入水生生态系统导致的面源污染.

为强化新的絮团形成菌伪杜擀氏菌YN12(Pseudoduganella eburnea YN12,YN)利用养殖尾水生成生物絮团效果,并将絮团制成饲料,探讨在胡子鲶(Clarisfuscus)饲养上的可行性.在生物絮团系统中,接种活性污泥(Activated sludge,AS)、伪杜擀氏菌YN12和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis,BS)并配制成7组(AS、YN、BS、AS+YN、AS+BS、YN+BS和AS+YN+BS),分析絮团形态结构差异,评估出对模拟养殖尾水氮去除效果及微生物群落结构优势的最佳组合,最终收集最佳组合絮团烘干研磨成粉末添加到商业饲料制粒,分成对照组和絮团组两组,探讨对胡子鲶的生长性能、饲料利用率、肌肉营养成分及肝脏的消化酶和免疫酶活性的影响.结果表明:YN+BS组水质净化效果稳定,总氮去除效果(89.6％)良好,氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐积累低,具有良好的絮团生成量(9.0 ml/L)及占据优势(47.5％)的反硝化菌群(包括Hydrogenophaga、Flavobacterium、Pseudoxanthomonas、Burkholderiaceae、Comamonas、Acinetobacter等).该组絮团粉以5％比例与商业饲料混合、研磨加工制粒后用于胡子鲶养殖,发现胡子鲶生长性能[包括存活率:(100±0.00)％＞(95±0.00)％;增重:(2.81±0.35)g＞(2.52±0.52)g;体长增加(1.68±0.36)cm＞(1.51±0.34)cm]和饲料系数55±0.03＞46±0.12均优于纯商业饲料的对照组,然而在淀粉酶等消化酶、免疫酶包括过氧化氢酶、总超氧化物歧化物、谷胱氨酸过氧化物酶等及肌肉营养成分包括谷氨酸、天冬氨酸、丙氨酸和甘氨酸等鲜味氨基酸上均低于对照组.YN+BS组絮团饲料在生长性能占据优势,然而在消化能力、免疫活性及肌肉营养成分上并未表现出明显优势,需要进一步调整水平絮团添加水平以优化胡子鲶饲养效果.

对不同林龄杉木人工林(5、8、21、27 和40 年生)土壤硝化与反硝化过程及功能微生物丰度进行研究.结果表明:土壤净硝化速率随林龄的增加波动变化,8、27 年生杉木人工林土壤净硝化速率显著低于 5、21 和40 年生.27 年生杉木人工林土壤氨氧化古菌(AOA)amoA基因丰度显著低于40 年生,其他林龄AOA amoA基因丰度之间无显著差异.不同林龄杉木人工林的氨氧化细菌(AOB)amoA基因丰度、反硝化功能基因丰度以及反硝化潜势均无显著差异.逐步回归分析表明,土壤氨氧化微生物AOA amoA基因丰度受土壤理化性质的影响不显著,土壤总碳和土壤pH是影响AOB丰度的重要因子.反硝化功能基因narG、nirK及nosZ随土壤pH的增加而增加,编码亚硝酸盐还原酶(NIR)的功能基因(nirK、nirS)受土壤总碳的影响.林龄可通过影响AOA amoA基因丰度影响土壤净硝化速率.林龄直接作用于反硝化潜势,或间接影响土壤微生物生物量碳、土壤pH及反硝化功能基因丰度(narG和nirK),进而影响反硝化潜势.相较于反硝化过程,土壤硝化作用及AOA amoA基因丰度对杉木林分发育更加敏感,可适当延长轮伐期以降低土壤硝化作用造成的氮流失风险.

[背景]高度集约化的对虾养殖业面临着日益严重的水污染问题,同步高效降解养殖废水中的有机物、氨氮和亚硝酸盐是对虾养殖业健康可持续发展的重要保障之一.[目的]通过分别固定化硝化菌群(Nitrifying bacterial consortia,NBC)和芽孢杆菌,优化菌群空间结构,提高菌群功能,实现同步高效降解对虾养殖废水中的有机物、亚硝酸盐和氨氮,保障南美白对虾养殖的可持续发展.[方法]采集养殖虾塘底泥进行硝化细菌自养富集和连续培养,利用16SrRNA基因高通量测序技术分析硝化菌群组成.从5株芽孢杆菌中筛选化学需氧量(Chemical oxygen demand,COD)降解能力最强的菌株.选用吸附和成球效果好的无毒包埋材料,通过正交实验优化固定化配方提高机械强度.选择硝化菌群和芽孢杆菌最适使用浓度进行分别固定化并联合应用于对虾养殖废水的处理.[结果]高通量分析结果显示硝化菌群中变形菌门(Proteobacteria,61.10％)占绝对优势,具有自养硝化功能的类群丰度达12.69％并呈高多样性.还包含丰度达47.44％的具有反硝化功能或者潜在反硝化功能的优势菌群和丰度达12.85％的光合细菌,是高有机负荷下硝化作用的重要补充,并可通过反硝化作用实现真正脱氮.COD降解能力最强的是解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefacien) YL-10,48 h内COD降解率达100％.固定化最佳配方为贝壳粉5％、海藻酸钠3％、交联剂氯化钙为4％、优化后的固定化小球其机械强度可达129.68 mN.固定化使硝化菌群的氨氮和亚硝酸盐降解率分别提高了128.13％和130.11％ (P＜0.05),但对芽孢杆菌YL-10的COD降解率无明显提高.1×108 CFU/mL为硝化菌群和芽孢杆菌YL-10在养殖废水中最适使用浓度.在固定化硝化菌群和芽孢杆菌YL-10联合作用下,对虾养殖废水的氨氮、亚硝酸盐和COD浓度在48 h内分别由初始的6.32±0.12、5.69±0.11和65.29±1.14 mg/L降至0.03±0.03、0.06±0.01和0 mg/L (P＜0.05),降解率分别为99.57％、99.03％和100％.[结论]通过优化固定化有效提高硝化菌群的硝化作用,联合COD降解能力强的芽孢杆菌,同步高效降解对虾养殖废水中的有机物、氨氮和亚硝酸盐,为规模化应用于南美白对虾高密度养殖提供科学依据.

[背景]非致病性Epsilonproteobacteria广泛存在于全球各种不同的自然环境中,特别是一些极端生境如深海热液喷口,并且经常在微生物群落中作为优势物种被发现.然而,由于现阶段培养技术的限制,仅有为数不多的深海热液Epsilonproteobacteria被分离培养,极大限制了对其生理特征、代谢方式以及生态功能的深入认识.[目的]研究深海热液未培养Epsilonproteobacteria的进化地位、代谢潜能及其在原位生态系统中可能发挥的作用.[方法]基于宏基因组学Binning的方法,从采集自东太平洋海隆深海热液烟囱体样本中构建4个高质量的Epsilonproteobacteria基因组Bin225、Bin51、Bin54和Bin189,并进行了系统发育和代谢途径的分析.[结果]Bin189在系统发育树上相对独立于其他所有已知的Epsilonproteobacteria类群,而其余3个重构基因组都与Nitratiruptor sp.SB 155-2具有较近的亲缘关系.在代谢潜能方面,所有的基因组除了都含有sqr硫氧化和rTCA碳固定途径的基因以外,也同时具有脂多糖输出转运子和多种分泌系统.Bin189显示出与其它基因组显著不同的代谢特征,其中还检测到与有机物和氨基酸转运相关的功能基因.而其他的3个基因组均具有完整的反硝化途径的功能基因,其中2个还具有Sox系统、氢化酶和鞭毛移动系统.[结论]Bin189可能是一种新发现的深海热液兼性化能营养型Epsilonproteobacteria,推测其余的3个类群能够利用硫化物和氢气作为能源进行化能自养生长.考虑到它们多样的代谢潜能,这些Epsilonproteobacteria类群很可能在深海热液微生物群落的形成发展和地球化学元素循环中发挥重要作用.

采用土壤细菌16S rDNA高通量测序方法研究了大兴安岭汗马自然保护区落叶松林不同演替阶段的土壤细菌群落结构和功能.结果表明:不同演替阶段落叶松林土壤细菌优势门为变形菌门、酸杆菌门、疣微菌门、拟杆菌门、放线菌门、浮霉菌门和绿弯菌门,随着演替的进行,酸杆菌门相对丰度逐渐增加,绿弯菌门相对丰度逐渐减少,优势门相对丰度在不同演替阶段不同.细菌群落α多样性在不同演替阶段间无显著差异,但其群落结构分别在落叶松幼龄林与中龄林、幼龄林与过熟林、近熟林与成熟林之间存在显著差异.土壤氧化还原电位、土壤pH和有效磷是影响细菌群落结构的主要环境因素,其中土壤氧化还原电位对微生物群落结构影响最大.随着演替的进行,细菌参与的固氮作用、反硝化作用、氨氧化作用、木质素降解作用呈逐渐减弱的趋势,硫酸盐异化还原作用呈先降后升的趋势,碳固定作用呈先升后降的趋势,碱性磷酸酶没有明显的变化规律,影响土壤功能的主要因素有土壤有效磷和氧化还原电位等.

以稳定性氯化铵为氮源,采用室内培养的方法,研究0.20、0.50、1.00gN·kg-1干土3种浓度的稳定性铵态氮肥在黑土、褐土中的氮素转化特征.结果表明:在褐土中,随着氯化铵添加量的增加,土壤中发生硝化作用的时间逐渐推迟,添加0.20、0.50gN ·kg-1干土处理开始发生明显硝化反应的时间分别为第3、7天,在高浓度氮量(1.00 g N·kg-1干土)添加下硝化作用受到明显抑制;在黑土中,各浓度氮量添加处理开始发生硝化反应的时间相同,均为第3天,且随着添加量的增加,硝化作用潜势逐渐减弱.只加铵态氮肥的处理中,添加0.20g N·kg-1干土的氯化铵氮肥在褐土和黑土中的硝化反应时间分别可维持3周和2周左右;添加0.50gN· kg-1干土的氯化铵氮肥在褐土和黑土中的硝化反应时间分别可维持4周和3周左右.与单施氯化铵相比,黑土和褐土在0.20、0.50 g N·kg-1干土添加浓度下,按纯氮量的1.0％添加3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)、4.0％添加二氰二胺(DCD)均能显著抑制硝化作用,降低硝态氮的含量,抑制硝化作用潜势.综上,在褐土中,随着氯化铵添加浓度增加,土壤硝化作用受到抑制效果大于黑土.在0.20、0.50gN· kg-1干土外源铵态氮时,添加抑制剂可以显著抑制铵态氮的硝化作用.因此室内硝化抑制剂培养试验时,建议铵态氮添加量不超过1.00 g N·kg-1干土,以0.50 g N·kg-1干土效果最好.

通过水稻盆栽试验,分别于水稻分蘖期和孕穗期采集根际与非根际土壤,利用末端限制性片段长度多态技术(T-RFLP)和实时荧光定量PCR(qPCR)技术探究水稻生长对根际反硝化作用和反硝化微生物的影响.结果表明:分蘖期根际土壤的反硝化势显著低于非根际土壤,而孕穗期根际与非根际土壤的反硝化势没有显著性差异.但分蘖期和孕穗期根际土壤中含narG和nosZ基因的微生物数量均显著高于非根际土壤,其中含nosZ基因的反硝化微生物的群落组成结构和多样性对根际环境响应更敏感.说明虽然水稻根系生长会刺激反硝化微生物的生长繁殖,但抑制了根际土壤中一些反硝化微生物的活性,从而降低了根际土壤的反硝化潜势.

异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)是对传统自养硝化异养反硝化理论的丰富与突破.HN-AD菌在好氧条件下可快速实现氨氮、硝态氮(NO3--N)、亚硝态氮(NO2--N)三氮同步脱除.它们不仅具有分布范围广、适应能力强、代谢通路特殊等特点,而且还具有世代时间短、脱氮速率快、高活性持久等独特优势,在高盐、低温、高氨氮等极端条件表现出了巨大的脱氮潜力,因此在废水生物脱氮领域受到广泛关注.文中在介绍HN-AD菌属类别及代谢机理的基础上,重点总结了在高盐、低温、高氨氮等极端条件下进行氨氮脱除的HN-AD种属,系统分析了它们在极端条件下的脱氮特性及潜力,并简述了HN-AD菌在极端条件下的工艺应用研究进展,最后展望了HN-AD脱氮技术的应用前景和研究方向.