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生物滞留土壤质地与汇流比对微生物硝化、反硝化过程的影响

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环境工程学报 2023年第8期17卷 2484-2493页

作者：闫玉清李立青马旭高中国地质大学(武汉)环境学院武汉430074

生物滞留是工程设计的土壤-植物-微生物共同作用的系统,可有效收集和处理城市地表径流。但是,对城市地表径流氮污染去除变化范围大。由于缺乏直接定量生物滞留反硝化微生物丰度和活性以及工程设计的影响,限制了提高氮去除的工程设计优... 详细信息

生物滞留是工程设计的土壤-植物-微生物共同作用的系统,可有效收集和处理城市地表径流。但是,对城市地表径流氮污染去除变化范围大。由于缺乏直接定量生物滞留反硝化微生物丰度和活性以及工程设计的影响,限制了提高氮去除的工程设计优化。我们在海绵城市建设试点常德选择了15个土壤基质质地和汇流比设计不同的生物滞留设施(湿式生物滞留和干式生物滞留),通过采集土壤基质,测定生物滞留土壤基质反硝化潜势(DEA)和硝化潜势(PN),采用qPCR定量硝化基因(amoA)和反硝化基因(narG、napA、nirS、nirK、norB和nosZ)丰度,研究生物滞留土壤质地与汇流比对微生物硝化与反硝化过程的影响。结果表明,生物滞留土壤质地与汇流比对土壤基质微生物反硝化潜势与反硝化功能基因丰度具有重要的影响。土壤基质为粘壤土和高汇流比设计的湿式生物滞留微生物反硝化功能基因与反硝化潜势显著高于壤土基质与低汇流比的干式生物滞留。湿式和干式生物滞留DEA分别为2.47 mg·kg^(-1)·h^(-1)和0.17 mg·kg^(-1)·h^(-1),总反硝化功能基因丰度分别为1.80×10^(9)copies·g^(-1)和5.70×10^(8)copies·g^(-1)。土壤基质反硝化菌群与反硝化潜势随基质粘粒含量和汇流比升高而增加。滞水设计或处于饱和淹水状况明显可提高微生物反硝化功能。另外,微生物反硝化功能基因丰度与反硝化潜势也与土壤基质中有机碳和TN呈明显正相关。通过改进生物滞留工程设计可增加反硝化作用并减少氮向受纳水体的输出。本研究结果可为提高城市地表径流氮污染去除效果提供工程案例参考。

关键词：城市地表径流生物滞留设施工程设计反硝化潜势反硝化功能基因

异养硝化细菌Pseudomonas aeruginosa YL的脱氮过程及N2O产生特性

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环境科学 2020年第2期41卷 831-838页

作者：杨垒崔珅任勇翔郭淋凯张志昊肖倩陈宁汪旭晖西安建筑科技大学陕西省环境工程重点实验室西安710055 西安建筑科技大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室西安710055 中国恩菲工程技术有限公司成都分公司成都610000

由于含氮废水的大量排放,水体富营养化日趋严重,如何高效去除废水中的氮素仍是亟待解决的问题.针对传统生物脱氮工艺流程复杂、能耗高、抗冲击能力弱以及释放温室气体N2O等缺陷,本文基于高效异养硝化细菌Pseudomonas aeruginosa YL,通... 详细信息

由于含氮废水的大量排放,水体富营养化日趋严重,如何高效去除废水中的氮素仍是亟待解决的问题.针对传统生物脱氮工艺流程复杂、能耗高、抗冲击能力弱以及释放温室气体N2O等缺陷,本文基于高效异养硝化细菌Pseudomonas aeruginosa YL,通过探讨其生理生化特征、异养硝化-好氧反硝化脱氮过程和N2O产生特性,进一步解析异养硝化脱氮理论.结果表明,菌株YL具有高效的异养硝化和好氧反硝化能力,24 h培养期100 mg·L^-1的NH4^+-N、NO2^--N和NO3^--N能够完全去除;异养硝化过程几乎无中间产物生成,但以NO3^--N作为氮源时,NO2^--N累积量高达25.55 mg·L^-1.同时,反硝化功能基因nap A、nir K和nos Z基因的成功表达,进一步证实菌株YL具有好氧反硝化能力.菌株YL异养硝化-好氧反硝化过程气态氮产物约占去除TN的30%~40%,脱氮产物主要为N2,当NH4^+-N、NO2^--N和NO3^--N分别为唯一氮源时,N2生成量分别为3.46、3.49和3.36 mg.相比较,菌株YL脱氮过程仅生成微量的中间产物N2O,以NH4^+-N为唯一氮源时的最终生成总量为6.63μg,低于以NO2^--N和NO3^--N为唯一氮源时N2O的生成量.此外,高C/N、低pH、高温以及高NH4^+-N和NO2^--N环境均会导致N2O的大量生成,但大多数环境因素对菌株YL的N2O生成量影响较小,且其最高生成量显著低于短程硝化系统和自养硝化系统.以上研究结果表明菌株YL具有优异的脱氮、N2O控逸和环境耐受能力,可有效避免水处理过程对大气的二次污染.

关键词：异养硝化细菌反硝化功能基因好氧反硝化脱氮 N2O释放

铁膜促进水稻土NO排放的根际微域反硝化微生物机制解析

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环境科学学报 2023年

作者：张子娴刘婷秦树平周顺桂中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心南昌航空大学重金属污染物控制与资源化国家与地方联合工程研究中心福建农林大学资源与环境学院

稻田是温室气体氧化亚氮(N2O)的主要排放源之一，反硝化作用是引起N2O释放的重要过程，主要由微生物驱动完成，nirK、nirS和nosZ功能基因是反硝化菌的重要生物标志.本研究通过诱导水稻根表形成铁膜，使用N2O直接测定法和基于反硝化功能... 详细信息

稻田是温室气体氧化亚氮(N2O)的主要排放源之一，反硝化作用是引起N2O释放的重要过程，主要由微生物驱动完成，nirK、nirS和nosZ功能基因是反硝化菌的重要生物标志.本研究通过诱导水稻根表形成铁膜，使用N2O直接测定法和基于反硝化功能基因引物的高通量测序，采用盆栽试验研究了水稻土N2O累积排放浓度、根际土和根内反硝化微生物群落结构的分布变化.Pearson相关分析表明，N2O累积排放浓度与铁膜含量呈正相关，铁膜促进N2O排放.诱导根表形成铁膜后，反硝化微生物的多样性和丰富度提高，具体表现为nirK、nirS和nosZ型OTU增多，nirK型在根内明显增加，而nirS型在根际土中增加.此外，假单胞菌(Pseudomonas)是水稻根际土和根内优势菌属，铁膜提高其丰度，尤其是nirS、nosZ型假单胞菌丰度占比提升更显著.显然，铁膜的形成改变了水稻根际和根内nirK、nirS和nosZ型反硝化微生物的群落结构，进而可能促进水稻土N2O排放.

关键词：铁膜氧化亚氮水稻土反硝化功能基因微生物群落结构

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活性污泥反硝化速率与功能基因活性关联分析

给水排水 2022年第S01期48卷 711-717页

作者：周星煜张金松深圳市深水生态环境技术有限公司深圳518031 哈尔滨工业大学环境学院哈尔滨150090 深圳环境水务集团深圳518031

以探究污水处理系统反硝化速率与活性污泥反硝化功能基因活性之间的联系为目的,建立反硝化反应器装置,以实际水质净化厂缺氧池污泥作为研究对象,考察了其微生物菌群结构和反硝化效能并进行了分子生物学分析。结果表明:缺氧池活性污泥中... 详细信息

以探究污水处理系统反硝化速率与活性污泥反硝化功能基因活性之间的联系为目的,建立反硝化反应器装置,以实际水质净化厂缺氧池污泥作为研究对象,考察了其微生物菌群结构和反硝化效能并进行了分子生物学分析。结果表明:缺氧池活性污泥中存在硝化螺旋菌科(Nitrospiraceae)和红环菌科(Rhodocyclaceae)两种与氮代谢相关的优势菌群。反应器模拟废水进水NO^(-)_(3)-N浓度为30 mg·L^(-1),经过反应器运行约2 h,可去除约95%的NO^(-)_(3)-N,平均反硝化速率为3.31 mg·(g·h)^(-1);瞬时反硝化速率呈现不规则变化,最高瞬时反硝化速率为6.47 mg·(g·h)^(-1);经分子生物学qPCR实验测定,活性污泥反硝化功能基因活性(包括narG、nirK、nirS、norB和nosZ)也呈现不规则变化;通过对数据相关性、拟合度分析,证明反硝化速率与反硝化功能基因活性存在一定程度上的相关性,其中关联程度最高的是编码亚硝酸盐还原酶的nir基因。

关键词：反硝化功能基因脱氮效率关联性检测手段

基于宏基因组分析珠江口沉积物中反硝化细菌的群落结构和功能网络

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基于宏基因组分析珠江口沉积物中反硝化细菌的群落结构和功能网络

作者：叶珈琪广州大学

学位级别：硕士

河口生态系统是氮素转化的热点区域。反硝化作用不仅是河口生态系统中活性氮去除最重要的方式之一,也是大气中温室气体氧化亚氮(NO)的重要来源。河口区域的反硝化脱氮过程与环境污染和温室气体排放等问题息息相关。珠江口作为中国南方... 详细信息

河口生态系统是氮素转化的热点区域。反硝化作用不仅是河口生态系统中活性氮去除最重要的方式之一,也是大气中温室气体氧化亚氮(NO)的重要来源。河口区域的反硝化脱氮过程与环境污染和温室气体排放等问题息息相关。珠江口作为中国南方最大的河口,其所在的珠江口三角洲也是人口和经济高度发展的地区。随着经济发展,珠江河口环境不可避免地受人类活动的严重影响,接受大量的陆源活性氮输入,有着活跃的反硝化脱氮活性。因此,珠江口的反硝化微生物的群落结构分析对于阐明其脱氮机制和功能具有重要意义。本文基于宏基因组学的研究方法,分别从编码基因和基因组的角度,对珠江口沉积物中的反硝化微生物群落进行了全面的探究。本论文取得的主要结论如下:(1)珠江口表层沉积物中大部分反硝化功能基因丰度和多样性都存在显著的空间异质性特征。编码硝酸盐还原酶的nap AB基因和氧化亚氮还原酶的nos Z基因的相对丰度沿上游到下游丰度逐渐升高,编码亚硝酸盐还原酶的nir K基因和编码一氧化氮还原酶的nor BC基因的相对丰度则逐渐下降,只有编码亚硝酸盐还原酶的nir S基因不具有显著的空间分布差异。皮尔森相关性分析显示nor B与nos Z的相对丰度比值与沉积物的潜在NO释放速率之间具有显著正相关关系(r=0.71,P功能基因的群落结构差异表明珠江口沉积物的反硝化过程具有高度模块化特征。功能基因的物种注释结果显示,Proteobacteria是反硝化过程最主要的细菌种类。但参与反硝化不同转化过程的功能基因的群落结构在门水平呈现出了显著差异,表明反硝化不同类群分别介导其中的一个或几个相关过程,不同类群之间通过协作完成整体的反硝化过程,一种细菌难以完成复杂的反硝化过程的全部转化。因此,珠江口沉积物中的反硝化过程是一个高度模块化的过程,介导不同反硝化步骤的短程反硝化细菌,通过相互协作,完成活性氮的去除。相关性网络分析的结果显示在活性氮浓度较高的上游区域中,沉积物的反硝化细菌协作网络的密度较大,表明上游的反硝化细菌群落具有更高复杂度的特征,促使其在高浓度活性氮的环境中更加紧密地协作,更高效地进行反硝化过程。(3)通过宏基因组分箱和基因组分析发现反硝化过程是由介导其中一个或几个步骤的短程反硝化细菌通过相互协作来完成的。从宏基因组样品中重建了51个潜在的反硝化细菌基因组并进行基因组分析,结果并没有发现能够进行完全反硝化的基因组。能介导反硝化过程中一步或几步的短程反硝化细菌是珠江口沉积物中反硝化细菌的主要类型,它们通过传递代谢产物来协作完成完整的反硝化过程。这些基因组在珠江口沉积物中的分布具有显著的空间差异,上游和下游的基因组类群显著不同,中游过渡区域的类群呈现出最高的多样性。(4)通过基因组分箱分析在珠江口下游的沉积物样品中获得了8个来自SG8-38属的bins,分析表明这是一类新的能够介导一氧化氮(NO)还原为氮气(N)的粘细菌(Myxococcota)。基因组注释表明他们都具有编码一氧化氮还原酶的基因nor BC和氧化亚氮还原酶的基因nos Z,但缺少编码硝酸盐还原酶的基因nap AB或nar GHI和编码亚硝酸盐还原酶的基因nir S或nir K,因此只能进行短程反硝化。比较基因组分析显示,SG8-38科下还有7个待定的种也都能够参与短程反硝化。因此,SG8-38科可能是一类常见于河口生态系统的短程反硝化细菌。本研究从功能基因和基因组两个角度,展示了珠江口沉积物中反硝化细菌的群落结构,首次揭示了微生物反硝化过程在河口生态系统中的模块化特征,为河口区域的活性氮去除的微生物作用机理的认识提供了新的思路,为活性氮污染生态治理提供一个新的参考方向。

关键词：珠江口反硝化微生物宏基因组细菌基因组反硝化功能基因

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三种稻田轮作模式下土壤N2O排放特征

三种稻田轮作模式下土壤N2O排放特征

作者：曾建峰华中农业大学

学位级别：硕士

氧化亚氮(NO)是一种重要的温室气体,大气中NO浓度的不断增加是导致全球气候变化的重要原因。我国长江中下游地区存在多种多样的稻田轮作模式,稻田干湿变化对NO排放有重要影响。通过优化轮作模式,选择不同的作物可能是一种减少稻田NO排... 详细信息

氧化亚氮(NO)是一种重要的温室气体,大气中NO浓度的不断增加是导致全球气候变化的重要原因。我国长江中下游地区存在多种多样的稻田轮作模式,稻田干湿变化对NO排放有重要影响。通过优化轮作模式,选择不同的作物可能是一种减少稻田NO排放的有效措施。湖北地区的稻田种植结构具有南北过渡的特征,冬季作物播种面积中小麦和油菜比例较大。因此,本研究以油菜-旱稻、小麦-中稻、油菜-中稻轮作模式为研究对象,研究不同稻田轮作模式下NO的排放特征;探究不同作物种植对NO排放的影响。预期结果将为稻田轮作模式的选择及农业绿色发展提供理论依据。获得的主要结果如下:1.三种模式中,周年NO累积排放量以油菜-旱稻轮作模式最高,为2.02 kg N ha,其次为油菜-中稻和小麦-中稻轮作模式,分别为0.86和0.63 kg N ha。油菜-中稻轮作模式的油菜季NO累积排放量比小麦-中稻的小麦季高37.8%,稻季则高34.6%。油菜-旱稻轮作的稻季NO累积排放量为1.56 kg N ha,比油菜-中稻轮作模式的稻季高348.5%,NO累积排放量在两种模式的油菜季之间没有显著差异。2.旱作季的NO排放与土壤NO-N和DOC显著正相关,仅油菜-旱稻轮作模式下的NO排放与DOC/NO-N显著负相关;稻季的NO排放与土壤NH-N和DOC显著正相关,与DOC/NH-N显著负相关。3.稻季NO排放与土壤nir S+nir K基因拷贝数呈显著正相关,与nos Z/(nir S+nir K)呈显著负相关。油菜-旱稻轮作模式下的nir S+nir K基因拷贝数大于油菜-中稻轮作模式大于小麦-中稻轮作模式,而对于nos Z/(nir S+nir K)而言则相反。4.在旱作季,三种稻田轮作模式下有作物种植处理的NO累积排放量与无作物种植处理差异不大。其原因是有无作物种植处理的NO-N和NH-N均值之间基本没有差异,有作物种植处理的DOC均值略大于无作物种植处理。在稻季,三种稻田轮作模式下无作物种植处理的NO累积排放量高于有作物种植处理。主要是由于有作物种植处理的NO-N和NH-N均值都低于无作物种植处理,而有作物种植处理的DOC大于无作物种植处理。小麦-中稻和油菜-中稻轮作模式下无作物种植处理的(nir S+nir K)基因拷贝数均大于有作物种植处理,而无作物种植处理的nos Z基因拷贝数和nos Z/(nir S+nir K)均小于有作物种植处理,说明种植作物会提高土壤中的nos Z基因丰度,进而减少NO排放。综上所述,不同作物种植会影响活性碳氮和反硝化相关功能基因丰度,进而影响土壤NO排放。对比三种轮作模式,小麦-中稻轮作模式具有更好的NO减排潜力。

关键词：氧化亚氮轮作模式稻田施肥反硝化功能基因

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干湿交替对自然沟渠沉积物反硝化速率的影响

环境科学学报 2020年第11期40卷 4010-4017页

作者：邵志江汪涛张云霞郑斌中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所成都610041 中国科学院大学北京100049

以川中丘陵区自然沟渠沉积物为研究对象,设置低强度、中强度、高强度的干湿交替频率和长期淹水对照处理,运用室内原状土柱⁃乙炔抑制培养法和实时荧光定量PCR技术,研究了干湿交替对自然沟渠沉积物反硝化速率及相关功能基因的影响.结果表... 详细信息

以川中丘陵区自然沟渠沉积物为研究对象,设置低强度、中强度、高强度的干湿交替频率和长期淹水对照处理,运用室内原状土柱⁃乙炔抑制培养法和实时荧光定量PCR技术,研究了干湿交替对自然沟渠沉积物反硝化速率及相关功能基因的影响.结果表明:在试验模拟过程中,干湿交替显著降低了沉积物中NH+4⁃N和DOC含量,沉积物中NO-3⁃N含量则表现为先增加后减少的趋势.沉积物反硝化速率均值表现为中强度(266.42μg·m-2·h-1)>高强度(199.10μg·m-2·h-1)>低强度(152.93μg·m-2·h-1)>长期淹水(9.57μg·m-2·h-1).干湿交替增加了反硝化功能基因的拷贝数(p基因拷贝数在实验前后无显著差异;低强度和中强度处理的nirK基因拷贝数在实验前后差异显著,中强度处理的nirS基因拷贝数在实验前后差异显著.Pearson相关分析结果表明,沉积物的反硝化速率与NO-3⁃N含量、ORP和nirK基因拷贝数呈显著正相关(p基因拷贝数影响沉积物反硝化速率.

关键词：干湿交替自然沟渠反硝化速率沉积物反硝化功能基因

反硝化深床滤柱深度脱氮效果及反硝化功能基因分析

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化工进展 2018年第12期37卷 4917-4923页

作者：刘灵婕季民王芬孙未翟思媛王阳天津大学环境科学与工程学院天津300350 中国市政工程华北设计研究总院有限公司天津300074

采用石英砂、活性炭双层滤料反硝化深床滤柱处理城镇污水处理厂二沉池出水中硝酸盐氮(NO3–-N),研究了深床滤柱反硝化脱氮性能以及主要反硝化功能基因对进水碳氮比(化学需氧量/总氮,即COD/TN,简称C/N)的响应。结果表明,NO3–-N平均转化... 详细信息

采用石英砂、活性炭双层滤料反硝化深床滤柱处理城镇污水处理厂二沉池出水中硝酸盐氮(NO3–-N),研究了深床滤柱反硝化脱氮性能以及主要反硝化功能基因对进水碳氮比(化学需氧量/总氮,即COD/TN,简称C/N)的响应。结果表明,NO3–-N平均转化率随着C/N升高,由46.5%升高至90.0%,化学需氧量(COD)平均去除率由97.2%降至76.5%。低碳氮比(C/N反硝化深床滤柱对污染物的转化主要发生在前35cm滤料深度,COD去除率和NO3–-N转化率分别为94.0%、81.2%。采用荧光实时定量PCR技术在C/N分别为4.2、6和7条件下,对深床滤柱中反硝化功能基因napA、narG、nirK、nirS和nosZ数量进行分析,结果表明,随着C/N升高,各反硝化功能基因拷贝数也随之升高,说明增加碳源投加量可以为反硝化细菌提供更好的生长环境,有利于其生长繁殖,促进反硝化过程的进行;当narG基因拷贝数大于(nirS+nirK)基因拷贝数时,NO2–-N会产生积累。

关键词：反硝化深床滤柱 C/N比荧光实时定量PCR 反硝化功能基因

植物种类对野芷湖湖岸带土壤反硝化作用的影响

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植物种类对野芷湖湖岸带土壤反硝化作用的影响

作者：张翎华中农业大学

学位级别：硕士

湖岸带是水生生态系统和陆地生态系统的过渡带,可有效降低面源污染的影响。植物是湖岸带具有阻控氮素进入水体的关键,不同植物种类对于氮素的削减效果不同。反硝化作用是湖岸带有效去除氮素的关键氮循环过程,受土壤碳氮含量、植物种类... 详细信息

湖岸带是水生生态系统和陆地生态系统的过渡带,可有效降低面源污染的影响。植物是湖岸带具有阻控氮素进入水体的关键,不同植物种类对于氮素的削减效果不同。反硝化作用是湖岸带有效去除氮素的关键氮循环过程,受土壤碳氮含量、植物种类及土壤微生物等因素的影响。本研究选取野芷湖湖岸带九种不同植物种类的植物根际土壤与非根际土壤作为研究对象,采用乙炔抑制法测定反硝化速率,荧光定量PCR测定反硝化功能基因丰度,探究种植不同植物种类对反硝化速率和反硝化功能基因丰度的影响,通过比较不同植物根际与非根际土壤性质的差异,阐明植物类群影响反硝化作用的机制,为湖岸带植被种植的优化设计提供参考。研究主要结果如下:(1)种植植物会改变野芷湖湖岸带土壤中反硝化功能基因的丰度。不同植物根际土的反硝化功能基因丰度高出根际土的1.14～12.11倍,其中柳树、黄素馨、喜旱莲子草根际土的nar G、nap A、nir S、nir K和nos Z的基因丰度显著高于其他物种,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。(2)净反硝化速率在不同植物种类间及根际和非根际土壤间展现出差异性。在九种植物种类中,柳树、桂树、黄素馨根际土的净反硝化速率显著较高,分别为1.99、1.84、1.94 mg N kgh;植物根际土净反硝化速率(0.44～1.99 mg N kgh)是非根际土(0.14～0.48 mg N kgh)的3.11-8.71倍。这表明湖岸带种植植物后会显著增强湖岸带土壤的反硝化作用,且反硝化的强度受种植的植物种类的影响,在湖岸带进行植物配置时,可以考虑较多种植柳树、桂树与黄素馨这三种植物。(3)湖岸带种植不同植物种类会影响土壤硝态氮(NN)、铵态氮(AN)、总碳(TC)、总氮(TN)、可溶性有机碳(DOC)等土壤理化性质的含量。土壤TC、含水量、有机碳(SOC)、p H、AN等是影响湖岸带土壤反硝化功能基因丰度的关键因素。土壤p H、SOC、TN及nir S、nor B的基因丰度为植物根际土净反硝化速率的关键影响因素,土壤DOC含量及nor B、nap A的基因丰度为非根际土净反硝化速率的关键影响因素。

关键词：植物反硝化速率湖岸带反硝化功能基因氮素