一株异养硝化-好氧反硝化地衣芽孢杆菌的脱氮特性及机制研究

分离自对虾养殖池塘的地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)MP15具有高效的异养硝化-好氧反硝化性能。为了进一步研究菌株MP15的脱氮特性和脱氮机制,本研究采用氮同位素标记法,对其在氮基础降解液中的脱氮特性和机制进行了深入的研究。研究结果显示:在初始无机氮浓度为42 mg/L的氮基础降解液中,其对NH~+_4-N、NO~-_2-N和NO~-_3-N的最大去除速率分别为1.03 mg NH~+_4-N/(L·h)、1.74 mg NO~-_2-N/(L·h)和1.02 mg NO~-_3-N/(L·h)。氮代谢过程中羟胺氧化还原酶、亚硝酸盐还原酶和硝酸盐还原酶的酶比活力分别为0.540 6、0.157 8和0.160 9 U/mg。对菌株MP15脱氮过程中的~(15)N同位素示踪结果显示,以NH~+_4-N作为唯一氮源时,仅产生~(15)N_2O;当菌株MP15分别以NO~-_2-N和NO~-_3-N作为唯一氮源时,可同时检测到~(15)N_2O和~(15)N_2。综合上述结果,菌株MP15对无机氮的去除主要包括:同化作用、硝化作用和反硝化作用。其中对NH~+_4-N的硝化途径为:NH~+_4-N→NH_2OH→N_2O;对NO~-_2-N的硝化-反硝化途径为:NO~-_3-N←NO~-_2-N→N_2O/N_2;其对NO~-_3-N的反硝化途径为:NO~-_3-N→NO~-_2-N→N_2O/N_2。     

源自生物絮团产絮凝剂的异养硝化-好氧反硝化菌xt1的鉴定及其脱氮特性

为了高效进行水体脱氮,本实验从形成于凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)养殖水体的生物絮团中分离到一株具产絮能力的脱氮菌xt1,经16S r RNA基因测序与生理生化分析确定菌株xt1为短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)。在此基础上,本文研究了该菌的脱氮特性。结果表明:菌株xt1最佳碳源为葡萄糖,以其为底物对氨氮、硝态氮去除率分别达95.56%和57.40%。以蔗糖为碳源亦具较高脱氮率,对氨氮、硝态氮去除率分别达69.95%和49.50%;该菌能利用有机氮加速生长,添加0.25%、0.5%、1%和2%的蛋白胨能促进OD600,分别达到0.925、1.034、1.103和1.314,均高于未加蛋白胨下的生长,且氨氮去除率均超过90%,硝态氮去除率均超过88%;该菌能适应20—200mg/L无机氮浓度;该菌能以NH4+-N、NO2–-N或NO3–-N为唯一氮源进行异养硝化-好氧反硝化,反应84h去除率分别达到94.16%、47.60%和91.17%。其中,该菌的硝化形式是将氨氮转化为气态氮脱除,其硝态氮反硝化形式是先将硝态氮转化为亚硝氮,再以气态氮脱除。在进行异养硝化-好氧反硝化同时,菌株xt1体现絮凝特性,絮凝率最高分别达到82.28%、73.15%和75.60%;此外,添加该菌于养殖水体中能加速生物絮团形成,同时提高脱氮率。各项结果表明,菌株xt1可作为水产养殖水体脱氮的备选菌株。     

循环水养殖系统中好氧反硝化细菌的分离和应用

为了分离好氧反硝化细菌,探究其好氧反硝化过程。利用BTB培养基,从珍珠龙胆(♀Epinephelus fuscoguttatus×♂Epinephelus lanceolatu)循环水养殖系统的生物滤池中筛选出具有硝酸盐去除能力的细菌,并选择脱氮效果良好的菌株进行好氧反硝化反应器的构建,开展反硝化应用研究。本研究共分离出8株具有去除硝酸盐能力的菌株,经反硝化性能测定,都可大幅去除硝酸盐,同时也存在不同程度的氨氮和亚硝酸盐的积累;选择Z1、Z8两株脱氮效果较好的菌株进行好氧反硝化反应器的混合接种试验,结果显示反应器挂膜迅速、高效,接种2周后即达到相对稳定的水处理状态,硝酸盐去除率超过98.8%(约0.827g NO-3-N/(m2·d)),总氮去除率超过71.8%(约0.687g TN/(m2·d)),亚硝酸盐和氨氮的积累不明显,脱氮效果良好。     

一株异养硝化-好氧反硝化菌Pseudomonas sp.GK-01的筛选及脱氮能力研究

从禽畜粪便发酵沼液中分离筛选出1株异养硝化-好氧反硝化菌株假单胞菌属(Pseudomonas sp.) GK-01,采用经16S rDNA同源性比对及系统发育分析方法鉴定该菌,通过单因素变量控制实验对该菌株生长和脱氮作用的影响因素进行优化,并在最优条件下考察其在单一和混合氮源中的脱氮效果。结果表明,该菌株为1株Pseudomonas sp.,最佳碳源为柠檬酸钠,最佳C/N为10,最佳初始pH为8～9,最佳培养温度为30～35℃。此外,当NH_4~+-N的初始浓度为400 mg·L~(-1)时,该菌株在混合氮源体系中24 h对NH_4~+-N和NO_3~--N的去除率分别为99.08%和96.12%,表明其对高氨氮废水具有高效的异养硝化-好氧反硝化能力,在高氨氮废水生物脱氮等领域具有广泛的应用前景。     

高效硝化与反硝化功能菌株的分离筛选及其性能研究

本研究利用选择培养基从鳗鲡精养殖池和循环水水处理系统中分离筛选出二株脱氮细菌，应用16S rRNA分子生物学鉴定，确定菌株的种属。菌株NB-1属于芽孢杆菌属（Bacillus）、菌株DB-1是恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）。对菌株硝化及反硝化作用性能的研究结果表明：菌株NB-1具有良好的亚硝化及硝化作用性能，在投菌量为0.025%时，氨氮降解率为69.5%，亚硝酸盐氮降解率为99.2%。菌株DB-1在厌氧条件下表现出良好的反硝化作用性能，最适投菌量为0.6%，最佳C/N为12，对硝酸盐氮的降解率为94.6%，对总氮的降解率为64.0%。因此本研究筛选出的二株脱氮细菌可以广泛应用于养殖水体水质调控，具有良好的市场应用前景。     

海水反硝化和厌氧氨氧化速率同步测定的15N示踪法及其应用

反硝化与厌氧氨氧化作用是海洋结合态氮迁出的主要途径,15N示踪法是定量反硝化和厌氧氨氧化作用的新方法,它具有灵敏度高、可同步测量反硝化与厌氧氨氧化速率的优点.本研究开展了一系列方法学实验,以确定高纯氦气驱赶水样所含气体的时间、超声赶气时间、同位素比值质谱仪测量N2含量的精度、N2含量及其同位素组成测定的工作曲线以及示踪剂的最佳添加量等,从而确立起15N示踪同步测定海水反硝化和厌氧氨氧化速率的方法.所建立方法测量N2含量的相对标准偏差小于8%,可满足海洋反硝化与厌氧氨氧化速率测定的需要.应用该方法实测了厦门筼筜湖富氧与缺氧水体的反硝化与厌氧氨氧化速率,结果表明,缺氧底层水的反硝化速率[4.10～5.47μmol/（dm3·d）]比富氧表层水[0.43～0.46μmol/（dm3·d）]明显来得高,但缺氧底层水的厌氧氨氧化速率[0.00～0.12μmol/（dm3·d）]则比富氧表层水的速率[0.52～0.67μmol/（dm3·d）]低得多.     

大亚湾海域沉积物中的硝化与反硝化作用

2004年1、4、8、10月在大亚湾海域的4个站点采用自行设计和制作的无扰动沉积物采样器采集沉积物样品,通过使用AIT技术(乙炔同时抑制硝化与反硝化作用),进行实验室同步恒温受控模拟培养实验,并同时测定沉积物上覆水的温度、盐度、DO和pH值,沉积物的Eh值和有机质含量,间隙水的NO3-、NO2-和NH4 浓度,研究沉积物中的硝化与反硝化速率及其影响因素。结果显示大亚湾沉积物的硝化速率范围为[(0.00—4.68)±0.87]μmol/(m2·h);反硝化速率范围[(0.00—2.88)±0.41]μmol/(m2·h);硝化与反硝化作用之间存在耦合,比例范围为0%—100%。沉积物的硝化、反硝化速率和耦合比例与上覆水的温度、DO含量,及沉积物中的有机质含量和Eh值密切相关,人类活动对沉积物的硝化与反硝化作用有明显的影响。     

一株嗜碱兼性好氧反硝化菌Marinobacter sp.B3的分离鉴定及脱氮性能研究

为获得反硝化脱氮效率较好的菌株,实验从海水螺旋藻培养体系中分离获得一株嗜碱兼性好氧反硝化菌, 通过观察细菌形态以及16S rRNA基因序列的同源性分析, 鉴定该菌株为海杆菌属, 命名为Marinobacter sp. B3。为明确该海杆菌的反硝化性能及氮转化途径, 研究开展了溶解氧(DO), 碳氮摩尔比(C/N), pH和温度等不同单因素对反硝化性能影响实验和氮平衡实验。单因素影响实验结果表明, 当硝酸钾(KNO₃)作为唯一氮源, NO₃^--N的初始浓度为100 mg/L, 盐度32, 振荡速度为150 r/min (初始DO质量浓度是5.6 mg/L), C/N=10, pH=8.0±0.2, 温度为35 °C时, 可获得最大脱氮效果。氮平衡实验结果得出, 在好氧环境下, 有20.11%的NO₃^--N转化为胞内氮, 5.58 mg/L的NO₃^--N转化为其他形态(NO₂^--N、NO₄⁺-N和有机氮), 74.72%转化为N₂释放; 厌氧环境下, 有26.65%的NO₃^--N转化为胞内氮, 72.86%的NO₃^--N转化为气态产物释放。最终实验结果表明, Marinobactersp. B3在好氧和厌氧条件下, 48 h对NO₃^--N的去除率分别为99.89%和93.80%, 具有较好的反硝化脱氮能力, 且在好氧条件下NO₃^--N去除效率更高, 在海水工厂化循环水养殖尾水处理方面具有良好的应用前景。     

纳米ZnO对1株异养硝化-好氧反硝化菌Halomonas sp. KGL1的生物胁迫效应研究

本文通过纳米ZnO(ZnO-NPs)对具有高效脱氮能力的异养硝化-好氧反硝化菌Halomonas sp. KGL1的短期暴露实验,探讨在不同作用浓度下(0,1,10,50 mg·L~(-1)) ZnO-NPs对菌株的生物胁迫效应。结果表明,ZnO-NPs破坏菌株Halomonas sp. KGL1的细胞膜完整性并改变其粘滞性,使菌株形态结构改变,菌体发生团聚;同时诱导该菌株细胞产生活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS),对菌株细胞产生氧化胁迫,进一步损伤菌株细胞,抑制菌株的生长和脱氮能力,且ZnO-NPs浓度越高,该菌株受胁迫程度越强。不同浓度的ZnO-NPs对菌株Halomonas sp. KGL1的NH~+_4-N去除率无显著影响,而其NO~-_3-N、NO~-_2-N的去除效率显著降低。研究结果可为提高海水养殖废水等高盐含氮废水中脱氮菌株的抗ZnO-NPs胁迫能力的理论研究和实际应用提供科学依据。     

海洋沉积物中硝化和反硝化过程研究进展

硝化和反硝化过程是氮循环的中心环节。水生态环境中氮的转化受诸多因素的制约,了解这些控制要素的作用机理,对预防和消除水体富营养化或缓解初级生产的氮限制有重要意义。综述了硝化和反硝化的研究现状,着重介绍了硝化-反硝化影响因素及测量方法的研究进展,并预测了进一步研究重点。     

珠江口淇澳岛海岸带反硝化作用研究

采用N2通量法,在一套连续流动培养装置中测定珠江口淇澳岛海岸带的反硝化速率,探讨各种因素对淇澳岛海岸带反硝化速率的影响.结果表明,反硝化速率受NO3-的利用率影响,而不是NO3-的绝对浓度.大型红树植物对淇澳岛海岸带的反硝化速率影响最大,其次是硝酸盐利用率,而有机质含量的影响较小.由于大型红树植物的影响,样品Q0411-5的反硝化速率比同在岛内的Q0411-3高出1倍.样品Q0412-14的NO3-培养前后的浓度变化(△NO3-)是Q0412-9的4倍多,因为受硝酸盐利用率的影响,它的反硝化速率却是Q0412-9的2倍多.温度对反硝化速率的影响程度尚不能确定.     

Nitrogen isotopic discrimination by water column nitrification in a shallow coastal environment

Temporal changes in nitrogen isotopic composition (δ¹⁵N) of the NO₃ ⁻ pool in the water column below the pycnocline in Ise Bay, Japan were investigated to evaluate the effect of nitrification on the change in the δ¹⁵N in the water column. The δ¹⁵N of NO₃ ⁻ in the lower layers varied from −8.5‰ in May to +8.4‰ in July in response to the development of seasonal hypoxia and conversion from NH₄ ⁺ to NO₃ ⁻. The significantly ¹⁵N-depleted NO₃ ⁻ in May most likely arose from nitrification in the water column. The calculated apparent isotopic discrimination for water column nitrification (ɛ_nit = δ¹⁵N_substrate − δ¹⁵N_product) was 24.5‰, which lies within the range of previous laboratory-based estimates. Though prominent deficits of NO₃ ⁻ from hypoxic bottom waters due to denitrification were revealed in July, the isotopic discrimination of denitrification in the sediments was low (ɛ_denit = ∼1‰). δ¹⁵N_NO3 in the hypoxic lower layer mainly reflects the isotopic effect of water column nitrification, given that water column nitrification is not directly linked with sedimentary denitrification and the effect of sedimentary denitrification on the change in δ¹⁵N_NO3 is relatively small.     

稳定同位素方法在海洋N_2O研究中应用展望

氧化亚氮(N2O)是大气中重要和微量的温室气体,且在平流层N2O形成NO自由基与O3发生反应破坏臭氧层.海洋是大气中N2O净源,但由于海洋中生物化学过程的复杂性,有关N2O形成机制至今是人们研究的重点和难点.应用稳定同位素分馏原理对海洋中N2O形成机制的研究,区分海洋中通过硝化和反硝化过程不同途径产生的N2O过程,为深入研究海洋中N2O循环、估算将来大气中N2O浓度变化提供有用工具.     

Benthic Denitrification in the Gulf of Bothnia

Denitrification was measured over an 8-month period in the Bothnian Bay and the Bothnian Sea, the two northernmost basins of the Baltic Sea. The recorded rates varied between 0 and 0·94 mmol N m⁻²day⁻¹. In the Bothnian Sea, a seasonal pattern could be discerned with high rates in spring, no rate in summer and a moderate rate in winter. In the Bothnian Bay, no such seasonality was observed. It is suggested that denitrification in the Gulf of Bothnia is regulated by sediment nitrification. Calculation of annual mean rates of denitrification gave that the amount of nitrogen consumed by denitrification corresponded to 1·45×10⁴tons N year⁻¹for the Bothnian Bay and 3·45×10⁴tons N year⁻¹for the Bothnian Sea. A comparison with total N input (river runoff, point sources and atmospheric deposition) to the two basins showed that the proportion of N removed through denitrification amounted to 23% for the Bothnian Bay and 31% for the Bothnian Sea.     

菲与纳米银对胶州湾表层沉积物反硝化作用的复合毒性效应评价

多环芳烃(PAHs)与纳米材料污染已对沉积物生态系统和人类生存环境构成严重威胁,其复合污染的毒性效应环境危害可能更大。为了深入探讨PAHs与纳米材料对近岸表层沉积物反硝化作用的复合毒性效应,本文选取位于胶州湾(JZB)的大沽河河口区(DRE)E站和湾内S站,分别以菲和纳米银代表PAHs和纳米材料,通过测定不同剂量单一及复合污染下沉积物反硝化潜势(PDA)的变化,结合浓度相加模型(CA)、独立作用模型(IA)和中效/联合指数等效图法(CI)三种复合毒性评价方法,评价菲和纳米银对沉积物反硝化潜势的复合毒性效应,并对评价方法进行了优选。结果表明,两种污染物浓度越高,对研究区域反硝化潜势的抑制作用越大。菲、纳米银单一及复合作用下对河口区沉积物反硝化潜势的EC50值分别为44.62、112.49和64.86 mg·kg-1,对湾内分别为61.79、147.05和96.18 mg·kg-1。菲单一作用对反硝化潜势的抑制效应强于纳米银,但复合污染的抑制效应更强。两种污染物对河口区的沉积物反硝化潜势抑制效应强于湾内,可能与河口区具有较高Eh和沉积物颗粒度及较低的pH、盐度和有机质含量有关。三种毒性效应评价方法的结果表明,菲和纳米银的复合污染对2个站位反硝化潜势的毒性效应均为协同作用,且对大沽河河口区的协同作用更强。此外,CI法对复合效应的预测结果比CA和IA法更为接近实际观测值,且CI不需要考虑污染物作用模式的限制,因此认为CI法更适用于评价混合污染对沉积物反硝化作用复合影响的效果。本研究结果表明,菲和纳米银会增强彼此对反硝化菌及反硝化功能的毒性效应,由此推断,PAHs和纳米材料在环境中同时存在时比其单独存在对沉积环境的危害更大。     

Evaluation of the N2 flux approach for measuring sediment denitrification

Direct gas chromatographic measurement of denitrification rates via N₂ fluxes from aquatic sediments can avoid some of the artifacts and complexities associated with indirect approaches and tracer techniques. However, measurement protocols have typically been determined based upon initial results or previous studies. We present a process-level study and simulation model for evaluating and optimizing N₂ gas flux approaches in closed chamber incubations. Experimental manipulations and simulations of both artificial and natural sediments were used to conduct sensitivity analyses of key design parameters in N₂ flux measurements. Experimental results indicated that depletion of labile organic matter during the long incubations required by common protocols (for diffusive off-gassing of porewater N₂) may result in underestimates of denitrification rates in some systems. Simulations showed that the required incubation time was primarily a function of sediment thickness. The best approach found to minimize incubation time and reduce errors was to select the minimum sediment thickness necessary to include the entire depth distribution of nitrification–denitrification for a particular sediment system. Attempts to increase measurement sensitivity and shorten incubation times by reducing the headspace thickness to 1–2 cm generally cause denitrification to be underestimated by 3–13% for gas headspaces, and up to 80% for water headspaces. However, errors were negligible with gas and water headspace thicknesses of 10 cm and 15 cm, respectively. Anaerobic cores to control for non-denitrification N₂ fluxes shortened incubation time, but introduced artifacts in sediments with extensive macrofaunal irrigation.