光电子作用下土壤微生物粪产碱杆菌反硝化性能研究

本文在对普通培养条件下异养微生物粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis,A.faecalis)反硝化特征研究的基础上,运用电化学方法于一定电势下(-0.15 V、-0.06 V、+0.06 V vs.NHE)模拟半导体矿物导带光电子能量,探讨不同能量的光电子对A.faecalis反硝化特性及细胞生长代谢的影响。实验显示,在普通培养条件下,A.faecalis在有氧和无氧环境中均不能还原NO-3,但还原NO-2效果明显。在模拟光电子实验体系中,A.faecalis可在不同电势(-0.15 V、-0.06 V、+0.06 V)的阴极石墨电极表面附着并形成具有反硝化活性的菌膜;其中,外加电势为-0.15V的实验组菌膜量最多,其NO-3去除率也最高,10天达到52%;-0.06 V体系略低,NO-3去除率为30.5%,+0.06 V体系菌膜量最少,其NO-3去除效果也最差,仅为10.6%。而在不添加微生物的电化学体系中,3个外加电势下的NO-3浓度均未发生明显变化。本实验研究结果证明了一定能量的半导体矿物光电子可影响土壤异养微生物A.faecalis的生长代谢及反硝化行为。     

农村家庭利用自酿米酒去除地下水中硝酸盐的初步研究

为去除农村家庭饮用地下水中的硝酸盐,以农村自酿米酒为碳源,利用简易的沙桶装置开展了反硝化去除硝酸盐的实验,对比了不同乙醇浓度下的反硝化效果。实验结果表明,以沙桶为实验装置,自酿米酒为碳源,在家庭中异位反硝化去除抽取地下水中的硝酸盐方法是有效果,易操作的。硝酸盐的去除率和C/N质量比有直接关系,当C/N质量比大于1.99时,硝酸盐去除率达99%,亚硝酸盐零积累,但易积累乙酸盐;当C/N质量比为0.89时,硝酸盐去除率达99%,生成物亚硝酸盐浓度远高于国家饮用水限值(1 mg/L);当C/N质量比为0.43时,反硝化过程不彻底,硝酸盐去除率不高,且易生成溶度较高的亚硝酸盐。溶解氧的存在不会对反硝化产生显著影响。米酒和硝酸盐之间的C/N最佳比例,宜大于本次实验的0.89,小于1.99,利用农村自酿米酒作为碳源去除地下水中硝酸盐是可行的。     

土壤包气带强化反应层脱氮的控制因素与性能研究

包气带作为防止地下水硝酸盐污染的天然屏障,其反硝化效果通常受到碳源的限制。针对地下水硝酸盐污染防治技术现状,本文采用Ca(OH)₂处理的玉米芯作为反硝化的碳源材料,构建包气带强化反应层,用响应曲面法研究硝酸盐浓度、含水量和温度的交互作用对脱氮性能影响,并用硝态氮去除率、亚硝态氮累积、pH值变化以及溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)淋失通量综合评价脱氮性能,最后采用高通量测序揭示脱氮层中微生物变化。研究结果表明:温度、含水量以及温度和含水量交互作用对硝态氮去除率影响显著,其中温度是反硝化过程中最关键的因素;系统运行74天后,硝态氮去除率达到50%,亚硝态氮累积量(以N计)大多低于3 mg/L,pH值维持在7.0左右,DOC淋失通量(以C计)介于0.10.2 mg/(cm²·d);高通量测序发现,脱氮层中微生物的丰富度降低,而与反硝化和碳分解有关的微生物相对丰度提高,在碳源的刺激下微生物向有利于脱氮的方向演变。     

加强反硝化条件下地下水中常见有机污染物苯和甲苯微生物降解研究

利用实验室含水层物质微环境实验,对地下水中常见有机污染物苯和甲苯在厌氧反硝化条件下的微生物降解进行了研究。通过１０种方案实验结果的分析对比,所得重要结论如下：在加强了的反硝化条件下,微生物利用ＮＯ－３作为电子受体降解苯和甲苯;降解苯和甲苯的反硝化细菌来自于含水层物质;微生物所需的宏量营养由苯、甲苯和硝酸盐提供,痕量元素来自于含水层物质;环境的酸碱条件对微生物降解具有重要影响,ｐＨ值过高或过低均抑制微生物降解作用的产生。     

洛美沙星和诺氟沙星对水中生物反硝化过程的影响模拟试验

近年来水环境中硝酸盐污染与抗生素污染的现象引起了人们的广泛关注,但目前复合抗生素污染对反硝化过程产生的影响并不明确。本研究以水环境中检出率较高的诺氟沙星和洛美沙星为代表进行模拟实验,探究ng级的两种抗生素复合对反硝化过程的影响。硝氮和亚硝氮的降解情况表明,实验浓度条件下,洛美沙星、诺氟沙星单用与二者联用对水环境中的反硝化过程存在不同的抑制作用。洛美沙星单用前期轻微促进反硝化,后期表现抑制作用,而诺氟沙星单用始终表现出抑制作用;洛美沙星和诺氟沙星联用抑制作用小于诺氟沙星单用,联用表现为拮抗作用。各体系的抑制作用大小为诺氟沙星>诺氟沙星+洛美沙星>洛美沙星。该模拟试验条件虽与实际条件有所差异,但在一定程度上表明抗生素联用表现出拮抗作用与反硝化体系内微生物数量、活性,反硝化酶活性,反硝化菌优势物种Achromobacter xylosoxidans、Acinetobacter baumannii、Pseudomonas sp.KY及功能基因nosZ和aac的丰度的变化有关。抗生素加入反硝化体系后会产生持续的影响,随反应时间的增加,反硝化菌逐渐适应有低浓度抗生素存在的环境,喹诺酮类抗生素耐药基因数量增加,微生物的耐药性增强,反硝化菌在数量和活性、反硝化酶活性及微生物群落层面均有回升趋势。     

针铁矿为填料的反硝化生物滤池的启动及运行

随着我国经济的发展和城市化进程的加快,日均产生的各种工业废水和生活污水也在增加。我国目前城市污水处理厂的出水普遍能够达到一级B标准,然而其中的总氮浓度依然是湖泊水体二类标准的10倍甚至更多。污水处理厂出水中的总氮主要是以硝态氮的形式存在,因此,我国的部分天然水体中面临着严重的硝酸盐污染的风险。另一方面,我国北方部分地区长期饮用含有高硝酸盐的地下水,某些地区的地下水中硝酸盐含量高达392 mg·L-1,远超过世界卫生组织规定的10 mg·L-1。鉴于此,为了保障饮水安全,亟需发展反硝化脱氮的污水深度处理技术。反硝化生物滤池(denitrification biofilter,DNBF)是一种由曝气生物滤池(BAF)演化而来用于处理污水中氮素污染的新型工艺,其具有占地小、出水水质好、抗冲击负荷强、快速启动、生物量大、处理效率高等优点。填料是影响DNBF运行及反硝化处理效果的重要因素之一。常规的DNBF填料有火山岩、陶粒、沸石、石英砂等。课题组近几年系统研究了天然针铁矿在有机物厌氧消化及C、N等元素的生物地球化学过程中的作用,前期研究结果表明天然针铁矿可以提高生物反硝化的速率和效率。因此,本文以石英砂为对照,探索DNBF在以天然针铁矿作为填料时的反硝化效果,并具体分析了两个DNBF在启动和稳定运行阶段的性能差异。实验装置采用实验室规模的上流式连续流反应器,有效容积为1.2 L。整个装置的接口处均用硅胶密封。反应器运行的控制参数为:进水p H 7.50±0.15(通过0.1 mol·L-1 HCL调节),C/N为4,水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)为4和2 h,当HRT为4 h时反应器氮容积负荷(以N计,下同)保持在0.6 kg·(m3·d)-1。本研究采用人工接种挂膜法,接种污泥采用实验室培养驯化的反硝化污泥。每天采样,分析测定两个反应器启动阶段以及不同HRT运行阶段时的进出水中的化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)、NO-3、NO-2等指标。DNBF启动运行阶段HRT设为4 h时,以针铁矿和石英为填料的DNBF分别在第8天时和第15天时进入稳定运行状态,COD的去除率在84%~85%,NO-3的去除率均为99%。实验结果表明DNBF反应器以针铁矿为填料,能够缩短反应器的启动时间。这可能是因为天然针铁矿颗粒表面粗糙,比表面积更大,有利于微生物附着生长,因此反应器的启动时间更短。在DNBF稳定运行阶段,当HRT为4 h时,针铁矿为填料的DNBF对COD和NO-3的去除率约为85.45%±0.65%和99.17%±0.11%,石英砂为填料的反应器对COD和NO-3的去除率约为84.56%±0.79%和99%±0.12%,两种填料的反应器的反硝化效果区别不大;当HRT降为2 h并连续运行10 d后,以针铁矿为填料的DNBF对COD和NO-3的去除率分别为84.98%和99.48%,以石英砂为填料的DNBF对COD和NO--3的去除率分别为74.01%和84.51%,且以石英砂为填料的DNBF中出现了NO2的积累,最大积累量达到0.6 mg/L。实验结果表明,针铁矿为填料的DNBF有更好的抗冲击负荷的能力,且不易产生亚硝酸盐氮的累积。引起上述实验现象的原因之一是由于天然针铁矿中含有铁以及其他的一些微量金属元素,当三价铁被还原为微生物可利用的二价铁时,其他金属元素也随之释放到滤池中用作微生物的营养物质。因此,以针铁矿为填料的DNBF中的生物量较多,反硝化菌活性较高。针铁矿促进反硝化过程的具体机制还有待进一步的深入研究。     

磷对地下水反硝化系统中细菌菌群结构的影响

采用16SrDNA克隆文库法研究了两根磷矿石含量不同的反硝化柱中细菌菌群结构的异同,每根反硝化柱中的样品随机测定了108个克隆子序列。研究结果表明,尽管两反硝化柱内的细菌均具有高度多样性,但是磷矿石的投加与否可明显引起菌群结构的变化。无磷矿石添加的反硝化柱内细菌分属14个类群,而有磷矿石添加的反硝化柱内细菌分属10个类群。两反硝化柱内的优势菌群均为β-proteobacteria和Bacte-roidetes,其相对含量存在着一定的差别,添加磷矿石的反硝化柱样品中β-proteobacteria和Bacteroidetes在文库中所占的比例分别为50.93%、15.74%,而无磷矿石添加的反硝化柱样品中β-proteobacteria和Bacteroidetes在文库中所占的比例分别为49.07%、12.04%。此外,β-proteobacteria类细菌内Rhodocyclales类菌属占据主导地位,包括Thauera sp.、Azospira restricta、Denitratisoma等具有反硝化功能的菌属。而且,Rhodocyclales类细菌在PC柱样品文库中所占的比例比其在ZC柱样品文库中的比例高9.2%。因此,磷矿石作为反硝化柱的固相磷源,可以影响细菌菌群结构,增加优势菌群的数量,最终提高硝酸盐的去除效率。     

硝酸盐氮氧稳定同位素分馏过程记录的海洋氮循环研究进展

海洋生态系统中的氮素生物地球化学循环主要是由微生物的代谢过程来驱动的,包括氮固定、氮同化、硝化以及反硝化和厌氧氨氧化过程,这些过程都伴随着不同程度的氮氧同位素的分馏,直接影响着海洋硝酸盐中的氮氧稳定同位素组成.因此,通过检测海洋硝酸盐中的氮氧稳定同位素信号,就可以捕捉到海洋中发生的具体氮素循环过程.细菌反硝化法是这一研究最有力的手段,通过细菌的作用把硝酸盐中记录的氮氧稳定同位素信号转化到N2O中,再通过痕量N2O的同位素质谱测定和分析,准确地反映海洋中发生的氮素转化过程.硝酸盐氮氧稳定同位素分馏过程为深入理解海洋氮循环提供了一个重要的工具,有力推动了海洋氮素生物地球化学的研究,在近10年来取得了重要进展.     

四氯乙烯在不同地下水环境的生物共代谢降解

四氯乙烯是地下水中常见的污染物,采用生物方法进行处理的优点是可以实现无害化、无二次污染、处理成本低。四氯乙烯只能在厌氧条件下发生还原脱氯,目前对产甲烷环境下四氯乙烯的降解研究较多,而对较弱还原环境,如反硝化、铁锰还原和硫酸盐还原环境下四氯乙烯的脱氯行为研究甚少。本文采用批实验,研究了在不同地下水环境,包括反硝化、铁还原、硫酸盐还原、混合电子受体和天然地下水环境下四氯乙烯的脱氯性能。结果表明,铁还原环境的四氯乙烯脱氯效果最好,天然地下水环境次之,四氯乙烯的去除率分别达到91.34%和84.71%,四氯乙烯很快转化为三氯乙烯,并可以进一步转化为二氯乙烯,四氯乙烯的降解符合准一级反应动力学方程。在反硝化、硫酸盐还原、混合电子受体环境,四氯乙烯的去除以挥发为主,降解只占很小的比例,且最终的降解产物只有三氯乙烯。地下水中三价铁的存在,对于四氯乙烯脱氯起促进作用;而当地下水中硝酸盐和硫酸盐的浓度较高时,四氯乙烯脱氯受到抑制。     

微生物絮凝剂投加方式对好氧颗粒污泥性能的影响

为提高好氧污泥颗粒化速度, 采用微生物絮凝剂, 探讨在好氧颗粒污泥培养过程中微生物絮凝剂的投加方式对颗粒污泥理化性能及生物降解效能的影响。结果表明:微生物絮凝剂每隔2、3、5、7 d投加一次时, 均可培养出成熟的好氧颗粒污泥, 微生物絮凝剂的投加方式对好氧污泥颗粒化的影响较显著;微生物絮凝剂最佳投加方式为每5天投加一次, 此时颗粒化速度快, 颗粒形成时间由未投加的60 d缩短为42 d, 好氧颗粒污泥疏水性好, 污泥体积指数稳定在40 mL/g左右, 沉降速度达35.06 m/h, COD、氨氮和总磷的去除率分别为96.55%、93.29%和87.29%。     

含钾岩石微生物转化的分子机制及其碳汇效应

岩石矿物的微生物风化是地球表层系统最为活跃和普遍发生的地质营力之一。微生物对含钾岩石(以硅酸盐矿物为主)的风化能够释放其中的钾、硅和钙等元素,并在合适的环境条件下促进矿物元素的碳酸化沉淀,这是地表元素地球化学循环的重要环节之一。微生物对岩石的生物转化作用既涉及微生物的生长繁殖和代谢调控,也与元素的迁移转化和次生矿物的演化序列有关,具有重要研究价值。采用矿物学、微生物学和分子生物学等相结合的研究方法,有助于系统地研究微生物促进含钾硅酸盐矿物的风化并耦联碳酸化过程及其分子调控机制。研究证实,在纯培养条件下,微生物风化含钾矿物主要采用酸解、螯合、氧化还原等多种方式的协同作用,并可通过调控相关功能基因的表达来响应缺钾的环境以实现其对含钾矿物的有效风化,显然这有赖于微生物通过长期进化而形成的精细的分子调控机制。在土壤生态环境中,微生物对矿物风化的显著特征是该生态环境中微生物群落协同互作的群体作用效应。微生物碳酸酐酶参与的硅酸盐矿物风化伴随碳酸盐矿物的形成过程可能是个长期被忽视的地表碳增汇过程,对该问题的深入探索有助于进一步理解地质演化历史中微生物对碳素迁移转化的驱动机制。加入含钾硅酸盐矿粉的有机肥已经显示出其在土壤改良、作物生长和增加土壤碳汇等方面的正面应用效果,这为利用硅酸盐矿物的生物风化作用来延缓大气CO₂浓度的持续升高提供了新的思路。介绍了有关微生物对含钾岩石生物转化释放钾素的分子机理及其碳汇效应方面的研究进展,以期抛砖引玉,推动该领域研究的快速发展。     

纳米铁还原脱氮动力学及其影响因素

饮用水中硝酸盐(NO3-)对人体健康有危害。为了去除水溶液中NO3-,在实验室制得纳米铁颗粒。它的粒径为20～40 nm,比表面积(BET)为49.16 m2/g。本研究通过批实验考察了纳米铁对NO3-还原脱氮动力学性质和影响NO3-脱氮快慢的主要因素,如反应pH、纳米铁投加量和NO3-起始浓度。实验结果表明,pH越低越有利于NO 3-还原。在一定范围内,NO 3-还原速率随纳米铁投加量增加而增大,而随NO 3-起始浓度升高而降低,反应遵循准一级反应动力学方程,表面吸附和氧化还原反应是纳米铁对NO3-脱氮的主要去除机理。纳米铁对NO3-还原过程中可能反应的途径进行了讨论,NO3-还原产物取决于反应条件。在本研究条件下,纳米铁对NO3-脱氮的最终产物主要为NH4+-N而不是N2,必须进行更多的研究来解决这一问题。     

Nitrate removal from groundwater using solid-phase denitrification process without inoculating with external microorganisms

Denitrification of groundwater was studied using a laboratory-scale reactor packed with biodegradable snack ware served as both carbon source and biofilm support for microorganisms. The complete removal of 50 mg/L of nitrate-nitrogen was achieved in a 23-day-old reactor with 2.1 h of hydraulic retention time without inoculating with any external microorganisms, which indicates that indigenous microorganisms in groundwater proliferate readily and result in stable biofilm formation onto biodegradable snack ware. Accumulation of nitrite and nitrate residue was detected when hydraulic retention time was lower than 2.1 h. The breakthrough of nitrate-nitrogen up to over 10 mg/L in the effluent water was observed with nitrate removal efficiency reducing to about 75 % when hydraulic retention time was lowered to 1.4 h. The highest rate of denitrification was observed with 1.5 h of hydraulic retention time. Dissolved organic carbon concentration in the effluent water ranged between 10 and 20 mg/L during the stable operation of the reactor, and nitrite-nitrogen concentration was never higher than 0.09 mg/L. Considering its relatively low price and high denitrification rate, biodegradable snack ware can become a good alternative for denitrification process.     

Biodiversity and ecosystem functions in wetlands: A case study in the estuary of the Seine River, France

The integrity of estuarine wetlands is maintained by physical connections between river and sea to floodplain. Their ecological importance can be assessed through plant biodiversity and such ecosystem functions as primary productivity and nitrate removal capacity. Multivariate analysis were used to establish a hierarchy of environmental factors related to the vegetation structure and diversity. Four different measures of plant diversity (both structural and functional) were made on a Seine River wetland. Key functions of estuarine floodplain (productivity and denitrification capacity) were either measured directly or assessed using remotely sensed data. The richest plant communities correspond to mesophilous grasslands which have an intermediate position between natural and anthropogenic disturbance regimes. These species assemblages occur in ecosystems presenting both a regular productivity in time and space and the highest denitrification potentiality.     

Linking dissolved organic carbon, acetate and denitrification in agricultural soils

This study focuses on the factors affecting nitrate removal via microbial denitrification in agricultural soils, and particularly on the quantity and quality of dissolved organic carbon. To assess the relationship among dissolved organic carbon, nitrate and low molecular weight organic acids (acetate and formate), grids of ceramic suction cups were established in the four most representative soil types of the lower Po River floodplain, cropped with maize. Results highlighted a direct relation between acetate and dissolved organic carbon in all sites. The best fit was obtained in soils were the main source of organic carbon was the maize residues. By comparing dissolved organic carbon and acetate versus nitrate concentration revealed that acetate can be used as a better proxy for denitrification in the field with respect to dissolved organic carbon.     

硅酸盐细菌GY03菌株的絮凝特性

从土壤中筛选分离到一株硅酸盐细菌GY03菌株，对其絮凝特性进行了研究。结果表明，GY03菌株营养要求简单，在生长的同时合成胞外高聚物，具有良好的絮凝性能。GY03菌株所产絮凝物质有88％以上分布在细胞表面，该絮凝剂的絮凝活性随菌体生长量的增加而同步增高，不同金属离子对GY03菌株絮凝活性有影响。实验条件下，1h内GY03菌株所产生的微生物絮凝剂对高岭土悬浮液絮凝率为78％，经放置24h后最高絮凝率可达98％，对制药废水浊度去除率为78．1％～94．7％，COD去除率为48．0％-87．5％，生活污水浊度去除率为85．3％～92．5％，对墨汁溶液的脱色率为53．2％以上。因而认为该菌株是一种很有应用前景的絮凝剂产生菌。     

Models of oxic respiration, denitrification and sulfate reduction in zones of coastal upwelling

Coastal upwelling zones support some of the highest rates of primary production in the oceans. The settling and subsequent decomposition of this organic matter promotes oxygen depletion. In the Eastern tropical North and South Pacific and the Arabian Sea, large tracts of anoxic water develop, where intensive N₂ production through denitrification and anammox accounts for about 1/3 of the total loss of fixed nitrogen in the marine realm. It is curious that despite extensive denitrification in these waters, complete nitrate removal and the onset of sulfate reduction is extremely rare. A simple box model is constructed here to reproduce the dynamics of carbon, oxygen and nutrient cycling in coastal upwelling zones. The model is constructed with five boxes, where water is exchanged between the boxes by vertical and horizontal mixing and advection. These primary physical drivers control the dynamics of the system. The model demonstrates that in the absence of nitrogen fixation, the anoxic waters in a coastal upwelling system will not become nitrate free. This is because nitrate is the limiting nutrient controlling primary production, and if nitrate concentration becomes too low, primary production rate drops and this reduces rates of nitrate removal through N₂ production. With nitrogen fixation, however, complete nitrate depletion can occur and sulfate reduction will ensue. This situation is extremely rare in coastal upwelling zones, probably because nitrogen-fixing bacteria do not prosper in the high nutrient, turbid waters as typically in these areas. Finally, it is predicted here that the chemistry of the upwelling system will develop in a similar matter regardless whether N₂ production is dominated by anaerobic ammonium oxidation (anammox) or canonical heterotrophic denitrification.     

长石微生物风化作用的研究现状与展望

矿物—微生物相互作用是地球表生环境下重要的地质作用类型,由于硅酸盐矿物的微生物风化影响着地球物质循环及地貌的形成和演变,尤其受到地质地球化学领域的关注。作为地球表层分布最广的硅酸盐矿物类型,长石在风化分解过程中,微生物通常会以流体模式、生物膜及真菌菌丝等方式与矿物表面发生作用。而长石在微生物作用下的分解机制主要包括质子交换和配体络合作用。微生物生理活动、微生物及代谢产物种类、生长条件,以及长石的种类、结构、成分及表面特征等均会影响其风化速率和风化程度。由于长石在硅酸盐矿物中的代表性,因此对长石—微生物作用模式、机理、影响因素等方面的研究,可以大大促进硅酸盐的微生物地质学的发展。     

微生物影响硅酸盐矿物风化作用的模拟试验

研究了硅酸盐细菌对矿物的风化作用。选用土壤中常见的钾长石、伊利石等矿物作为细菌风化作用的对象,通过在含有矿物颗粒的无氮培养基中培养硅酸盐细菌,使其在培养液中与矿物颗粒发生相互作用,再取样并处理后进行电镜观察和X-射线衍射分析。电镜观察结果表明细菌对矿物试样表面确实发生了溶蚀作用,被细菌作用后的矿粉,颗粒浑圆,边缘模糊不清,表面呈凹凸不平状,矿物颗粒被大量的菌体物质所覆盖。用X-射线衍射分析检测到细菌对具不同晶体结构矿物的“选择性”破坏作用,在有多种矿物同时存在的情况下,细菌对较易分解的矿物破坏作用速度较快。结合矿物学与微生物学相关知识,初步分析了细菌培养液中细菌与矿物界面之间的相互作用以及土壤生态系统中矿物的生物风化作用过程。