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山区小流域中人工水塘系统N2O排放的时空分异与微生物机制

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山区小流域中人工水塘系统N2O排放的时空分异与微生物机制

作者：栗帅广州大学

学位级别：硕士

作为南方农田最常用的水利设施,具有悠久历史的人工水塘在我国范围内分布广泛。随着农业的发展和人类活动的影响,灌溉用水需求与降水的时空异质性之间的矛盾越发突显。同时因为资源的不合理开发与利用,水源面临着含氮营养物质污染的问... 详细信息

作为南方农田最常用的水利设施,具有悠久历史的人工水塘在我国范围内分布广泛。随着农业的发展和人类活动的影响,灌溉用水需求与降水的时空异质性之间的矛盾越发突显。同时因为资源的不合理开发与利用,水源面临着含氮营养物质污染的问题。虽然人工水塘表面积小于其他大型湖泊或河流,但作为含氮营养物质迁移和转化的重点区域,具有更高的NO排放潜力。因此,掌握人工水塘NO排放时空分布特征对评估小型水体在排放温室气体中所做的贡献显得尤为重要。但目前关于人工水塘的环境特征与时空分异尚不清楚,其中的微生物参与的氮循环过程以及重点造成NO排放的作用机制与环境因素等研究同样尚不成熟。本文以山区小流域中具有代表性的人工水塘为研究对象,基于为期一年的四次原位采样调查,对各个季节以及水塘沉积物的理化性质与原位监测NO的溶存以及排放情况进行研究,从而明晰山区小流域中人工水塘系统的NO排放的时间与空间上分布的差异。同时,结合同位素示踪和分子生物学技术,探究人工水塘系统排放NO的规律,揭示了人工水塘系统中NO排放的微生物机制。最后进一步探究主要环境因子——温度对人工水塘系统NO排放的影响作用,结合室内调控实验,阐明在不同温度下淡水生态系统NO排放的不同特征。主要结论如下:(1)本研究从不同采样季节角度分析了人工水塘沉积物物理和化学性质的特征。从整体来看,水塘上覆水的pH呈中性或弱碱性;作为沉积物中无机氮(DIN)主要存在形式的NH,夏季的含量显著高于秋冬季;沉积物中拥有较高的TN平均浓度(2.85g/kg);冬季沉积物的TP含量显著高于其他三个季节。(2)采用原位监测与水-气界面NO排放通量计算模型相结合的方法,对水塘上覆水中溶存的NO浓度开展常规季节测定与24 h连续监测。发现夏季上覆水中溶存的NO浓度较高,在一天之中上覆水中溶存的NO浓度存在波动,且起始时刻和终止时刻的浓度并不一致。与上覆水中NO溶存浓度规律相对应,水塘水-气界面NO的排放通量在2021年夏季最高,且一天之中NO的排放通量也存在波动。(3)基于同位素示踪和泥浆培养实验,研究人工水塘沉积物含氮营养物质转化过程以及NO产生过程的季节分布。水塘沉积物反硝化速率较高,变化范围为7.79μmol/kg·h-27.15μmol/kg·h;pH、NH、NO、NO和TP显著的影响着反硝化速率。与水塘沉积物反硝化速率相比,厌氧氨氧化速率整体处于较低水平,范围为0.17μmol/kg·h-1.34μmol/kg·h,且冬季的速率显著高于其他采样季节。影响厌氧氨氧化速率的主要环境因素为NO和TP。此外,NO的排放潜势明显在2022年2月与7月更高,并且在不同水塘不同深度的沉积物中,除三号塘外的水塘表层沉积物均表现出NO排放“源”的特征。(4)结合水塘沉积物排放NO过程的特点,研究人工水塘沉积物中反硝化细菌多样性、基因丰度和群落组成,初步分析了在水塘沉积物中产生排放NO过程中的反硝化微生物机制。水塘nir K基因丰度显著高于nir S基因丰度,其中冬季(2021年11月与2022年2月)nir K基因丰度最高。nir S基因丰度在不同采样月份无明显规律。Pearson相关性分析结果表明,nir K基因丰度与pH、NO、NO和反硝化速率之间呈现显著正相关关系,但与NH为负相关。与nir K基因不同,nos ZⅠ和nos ZⅡ基因与NH呈现显著正相关关系。除此之外,水塘沉积物的nir S型反硝化细菌在纲水平上(除无法注释)主要由α、β和γ变形菌组成,在不同采样季节以及不同水塘间存在着明显的时空分异。(5)选取对反硝化过程影响较为明显的温度作为室内调控实验的研究对象。以研究中发现能够显著影响反硝化过程的温度为研究对象,通过调控实验,进一步探究淡水沉积物NO排放对温度的响应规律。结果表明,淡水沉积物在高温下具有最高的NO排放通量,在室温下拥有最高的排放潜力。并且随着温度的升高,沉积物反硝化速率逐渐提升,NO含量逐渐减少。结合分子生物学得出,nir K型反硝化功能基因在反硝化过程和NO产生过程中占主导地位。

关键词：人工水塘系统 N2O排放时空分布微生物机制影响因素

高原生境下A^(2)O工艺对污水处理的微生物机制

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中国环境科学 2021年第5期41卷 2240-2251页

作者：郝凯越李远威宗永臣尤俊豪郭明哲西藏农牧学院水利土木工程学院西藏林芝860000

基于Illumina MiSeq高通量测序技术,以高原生境下A^(2)O工艺的活性污泥为研究对象,探讨不同温度下微生物群落结构、丰度及相关性.结合污染物分解、吸附及转化等代谢过程中的主要功能蛋白、功能基因、酶的种类及丰度在碳、氮、磷等污染... 详细信息

基于Illumina MiSeq高通量测序技术,以高原生境下A^(2)O工艺的活性污泥为研究对象,探讨不同温度下微生物群落结构、丰度及相关性.结合污染物分解、吸附及转化等代谢过程中的主要功能蛋白、功能基因、酶的种类及丰度在碳、氮、磷等污染物代谢途径中的作用,从生物化学和分子水平的角度分析了高原地区A^(2)O工艺对污水处理的微生物学机制.结果表明:优势细菌门为变形菌门、拟杆菌门、放线菌门、厚壁菌门及绿弯菌门,优势细菌属为norank_f__AKYH767、腐败螺旋菌、Ottowia、伯克氏菌、IMCC26207、Novosphingobium.污染物去除和微生物群落发挥作用的效果在15℃为最优,微生物群落的COG、代谢途径、基因和酶活性最适宜的温度为20℃.主要功能蛋白为一般功能预测、氨基酸运输与代谢和基因转录;主要代谢途径为:ABC转运蛋白,细菌双组分调节系统,嘌呤、核糖体及嘧啶等代谢,主要功能基因的产物(酶)为:烯酰辅酶A水合酶、乙酰辅酶A C-乙酰转移酶、醛脱氢酶(NAD+)、硫代硫酸盐及外多磷酸酶.

关键词：微生物机制 A^(2)O工艺高原生境 Illumina MiSeq测序功能基因

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新型生物岛栅中污染物去除的微生物机制研究

环境科学 2012年第5期33卷 1550-1555页

作者：高明瑜谢慧君王文兴山东大学环境研究院济南250100

生物岛栅是一种新型的原位水质净化技术.本研究在分析植物生长初期生物岛栅系统(ZLT)对污染物去除效果的基础上,分别利用二喹啉甲酸(BCA)蛋白法和荧光素二乙酸(FDA)酶脂活性法测定微生物量及活性,结合PCR-变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术研... 详细信息

生物岛栅是一种新型的原位水质净化技术.本研究在分析植物生长初期生物岛栅系统(ZLT)对污染物去除效果的基础上,分别利用二喹啉甲酸(BCA)蛋白法和荧光素二乙酸(FDA)酶脂活性法测定微生物量及活性,结合PCR-变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术研究了系统中微生物的结构特征.结果表明,ZLT系统对污染物的去除率均明显高于传统浮岛系统(ZL)和仅有填料的对比系统(ZT).ZLT系统中各层填料样品的荧光素和蛋白浓度相差不大,其最高浓度分别为277.5μg.g-1和50.8mg.g-1,但根部样品的浓度仅为95.8μg.g-1和18.1 mg.g-1,相差近3倍.另外2个系统的变化趋势与此类似.DGGE图谱多样性指数分析表明,ZLT中随着水深增加微生物的多样性指数从1.66下降到1.23,但这种趋势在ZL样品中并不明显.在植物生长初期,生态浮岛生物膜上的微生物有超过80%属于γ-变形菌或拟杆菌门.

关键词：生物岛栅生物膜载体微生物机制污染物去除微生物群落

外源碳输入对陆地生态系统碳循环关键过程的影响及其微生物学驱动机制

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生态学报 2017年第2期37卷 358-366页

作者：贺云龙齐玉春彭琴董云社郭树芳闫钟清王丽芹李兆林中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室北京100101 中国科学院大学北京100049

外源碳输入对土壤碳源可利用性的改变不仅直接影响着微生物参与陆地生态系统的碳循环过程,而且也制约着微生物对其它营养元素的需求。在大气氮沉降持续增加的全球变化背景下,部分地区已出现生态系统氮养分条件的显著变化甚至土壤中活性... 详细信息

外源碳输入对土壤碳源可利用性的改变不仅直接影响着微生物参与陆地生态系统的碳循环过程,而且也制约着微生物对其它营养元素的需求。在大气氮沉降持续增加的全球变化背景下,部分地区已出现生态系统氮养分条件的显著变化甚至土壤中活性氮素的过量积累,进而带来微生物对碳源需求的增加。通过人为调控碳源的可利用性,改善微生物的碳限制状况,将对科学的增加陆地生态系统固碳能力具有极为重大的意义。综述了国内外有关外源碳输入对土壤碳排放、凋落物分解以及土壤碳库影响及其主要的微生物作用机制的相关研究结果,以期能够为未来氮沉降持续增加情景下,如何科学有效地提高生态系统的碳汇潜力提供一定的参考。

关键词：可利用碳源碳循环微生物机制

物料预处理对堆肥减量化、腐殖化和稳定化的影响及其微生物机制

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工业微生物 2015年第1期45卷 7-14页

作者：张阅王磊陈金海同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室上海200092

堆肥是有机固体废弃物处理与资源化的主要途径之一,包括矿化和腐殖化两个过程,且都和微生物活动有关。矿化过程会产生二氧化碳(CO2)等温室气体,是一个典型的温室气体释放过程。腐殖化过程则会产生稳定的腐殖质,则是优良的土壤改良剂。... 详细信息

堆肥是有机固体废弃物处理与资源化的主要途径之一,包括矿化和腐殖化两个过程,且都和微生物活动有关。矿化过程会产生二氧化碳(CO2)等温室气体,是一个典型的温室气体释放过程。腐殖化过程则会产生稳定的腐殖质,则是优良的土壤改良剂。在堆肥稳定化的前提下,如何有效减少堆肥过程中的CO2释放,强化堆肥的腐殖化过程,增加作为优良土壤改良剂的腐殖质产量,对于发展低碳化堆肥技术,实现堆肥的资源化利用具有重要意义。本文选取水稻秸秆和餐厨垃圾作为堆肥原料,研究不同预处理对堆肥过程中矿化和腐殖化过程的影响,并探讨了不同预处理影响矿化和腐殖化过程的微生物机理。结果表明堆料加热预处理后,堆肥的矿化作用被明显削弱,总碳(TC)减量率仅为23.4%,并且最后形成了可观产量的稳定腐殖质(每kg堆料70 d后腐殖质含量为22.09 g±0.35 g,腐殖化系数达2.0),因此加热预处理后的堆肥过程在保证稳定腐殖质的产量前提下更低碳化。预处理通过影响堆料的性质和初始状态下堆料中微生物的种类和数量从而影响堆肥的矿化和腐殖化过程。活性微生物量与脱氢酶活性是矿化过程的主要决定因素,而多酚氧化酶活性主要影响堆肥的稳定腐殖化过程。

关键词：堆肥预处理减量化腐殖化微生物机制

餐厨垃圾厌氧消化产甲烷强化策略及其微生物机制研究

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餐厨垃圾厌氧消化产甲烷强化策略及其微生物机制研究

作者：马佳莹华东师范大学

学位级别：硕士

随着我国随着经济和城市化进程的持续发展,特别是垃圾分类实行以来,餐厨垃圾(food waste,FW)的清运量迅速增长,急需妥善的处理处置。厌氧消化技术不仅能够实现FW的减量化和稳定化,还可回收可持续能源。然而,一方面FW厌氧单消化易因体系... 详细信息

随着我国随着经济和城市化进程的持续发展,特别是垃圾分类实行以来,餐厨垃圾(food waste,FW)的清运量迅速增长,急需妥善的处理处置。厌氧消化技术不仅能够实现FW的减量化和稳定化,还可回收可持续能源。然而,一方面FW厌氧单消化易因体系内营养不平衡导致产甲烷效率低下;另一方面当有机负荷过高时,易发生酸抑制导致系统稳定性差。此外,FW已成为新兴污染物抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)的来源和储存库之一,但其厌氧生物处理过程中ARGs的赋存与传播特征尚不清楚。因此,本论文针对于FW厌氧消化中“产甲烷效率低、系统稳定性差和ARGs迁移规律不明”等问题,在序批式厌氧反应体系中,开展协同共消化和活性炭添加强化产甲烷策略以及过程中ARGs行为特征研究,从以下3个方面展开:(1)探究FW与果蔬垃圾(fruit vegetable waste,FVW)共消化产甲烷的协同效应及其微生物机理;(2)探究FW与油脂共消化时不同油脂含量对产甲烷效率和ARGs变化的影响及其微生物机理。(3)在高有机物含量系统中,探究不同粒径的活性炭对产甲烷效率和ARGs变化的影响及其微生物作用机制。主要研究结果如下:1)采用FW和FVW进行共消化,探究不同FW:FVW对甲烷产生和有机物降解的影响,分析微生物群落变化以揭示其微生物机理。研究表明当FW:FVW为0.5:0.5时,甲烷产量最高(411.2±26.5 m L/g-VS),是甲烷产量最低组(FVW单消化)的1.2倍。FW和FVW共消化协同效应引起的有机物持续溶出和挥发性脂肪酸(volatile fatty acids,VFAs)持续产生与转化是甲烷产量提升的关键。共消化过程中Proteiniphilum等参与VFAs产生的功能细菌富集,为产甲烷过程持续提供了底物,从而提升了甲烷产量。2)采用FW和油脂进行共消化,探究不同油脂含量对甲烷产生和ARGs变化的影响,解析微生物群落演替以揭示其微生物机理。结果显示高油脂体系(Oil:FW比例为0.3:0.7和0.5:0.5)能够提升共消化甲烷产量,相较于单消化组,分别提升了3.5%和8.0%;显著延长产甲烷滞后期(P?0.05),分别延长了9.1%和25.3%。厌氧消化早期与最终阶段中微生物群落结构发生了明显变化,且高油脂体系改变了微生物群落并富集了LCFAs-β-氧化细菌(Syntrophomonas)和VFAs降解细菌(Gelria),从而可能促进脂质降解和甲烷产生。此外,与消化初始相比,FW单消化以及共消化过程均有助于削减ARGs,且高油脂体系显著增强了ARGs的削减效果(P?0.05)。在高油脂体系中,潜在宿主细菌丰度的降低可能导致几种ARGs削减,从而影响总ARGs的变化,因此,潜在宿主微生物是ARGs迁移转化的主要驱动因子。3)在高有机物含量的体系中,引入不同粒径的两种活性炭材料,探究活性炭添加对产甲烷效率、系统稳定性和ARGs变化的影响,解析微生物群落、功能基因和甲烷代谢变化以揭示其微生物作用机制。研究表明,在厌氧消化初期,无论有无添加活性炭,系统内VFAs均快速积累,总VFAs达到8900.2-11412.8 mg/L,发生酸化抑制,降低了产甲烷菌活性,导致产甲烷过程停滞。颗粒活性炭(granular activated carbon,GAC)和粉末活性炭(powdered activated carbon,PAC)添加均能够促进VFAs消耗,缓解酸化抑制,从而加速产甲烷启动和提升甲烷产量,并且PAC的表现显著优于GAC。具体地,5 g/LPAC添加组中累积甲烷产量最高(508.1±27.1 m L/g-VS),相较于对照组,显著提高了22.0%(P?0.05);10 g/LPAC添加组中产甲烷滞后期最短(17.8 d),显著缩短了62.5%(P?0.05)。PAC添加明显改变了微生物群落且富集了互营VFAs氧化细菌(Gelria和Syntrophomonas)和直接电子传递相关微生物(Geobacter和Methanosarcina)。宏基因组学分析表明PAC和GAC可能作为电桥促进微生物间能量和电子传递,并强化了氢营养型和乙酸营养型产甲烷途径,从而促进VFAs降解和甲烷产生。此外,厌氧消化过程对总ARGs具有削减作用,而最终PAC添加组中ARGs总相对丰度显著高于对照组(P?0.05),即PAC添加削弱了ARGs的削减效果。网络分析表明,ARGs的潜在宿主细菌主要为Firmicutes、Bacteroidetes和Synergistetes门细菌,且PAC添加引起的某些宿主微生物的富集是目标基因增加的主要驱动力。综上,本研究得出FW与FVW以及油脂进行协同共消化能够提高甲烷产量;PAC添加能够有效缓解酸化抑制,提升系统稳定性从而促进甲烷产生。厌氧消化过程有助于削减ARGs,但是高油脂体系和活性

关键词：餐厨垃圾厌氧共消化活性炭甲烷产生抗生素抗性基因微生物机制

外加固体碳源强化生活污水处理研究进展与展望

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重庆理工大学学报(自然科学) 2024年第6期 298-304页

作者：黄东郑亚楠邢志林杨天宇黄冰冰吴恒重庆市能源利用监测中心(重庆市节能技术服务中心) 西北农林科技大学资源与环境学院重庆理工大学化学化工学院西北农林科技大学生命科学学院西北农林科技大学机械与电子工程学院

生活污水低碳化趋势导致了生物脱氮技术的低效率。固体碳源在用作载体的同时可以提供电子供体，强化生活污水的脱氮过程。目前对于固体碳源的应用进展从应用性能、微生物机制、经验模型到潜在挑战均缺乏系统性综述。将固体碳源分为合成... 详细信息

生活污水低碳化趋势导致了生物脱氮技术的低效率。固体碳源在用作载体的同时可以提供电子供体，强化生活污水的脱氮过程。目前对于固体碳源的应用进展从应用性能、微生物机制、经验模型到潜在挑战均缺乏系统性综述。将固体碳源分为合成碳源、天然碳源和共混碳源3类，并分别对这3类碳源应用的影响因素进行讨论，提出了高效运行策略；随后对微生物机制和经验模型进行综述，指出了后续深入研究的方向；最后对冶金、矿场等重金属工业园区生活污水处理所面临的挑战提出了应对措施和建议。系统性对固体碳源应用进展进行了综述，可为后续该技术的应用和改进提供参考。

关键词：固体碳源低碳污水经验模型微生物机制重金属

发酵周期对初沉污泥厌氧发酵产酸影响及微生物机制研究

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环境科技 2019年第2期32卷 33-39页

作者：黄潇董文艺赵福祥冯洋洋王宏杰哈尔滨工业大学(深圳)土木与环境工程学院广东深圳518055 深圳市水资源利用与环境污染控制重点实验室广东深圳518055

初沉污泥发酵产酸是作为污水处理厂脱氮除磷工艺补充碳源的有效手段之一。为探讨最佳的发酵周期,考察了不同发酵周期化学需氧量(COD)、蛋白质、碳水化合物和总挥发性脂肪酸(TVFAs)的影响,并利用高通量测序手段解析不同发酵周期初沉污泥... 详细信息

初沉污泥发酵产酸是作为污水处理厂脱氮除磷工艺补充碳源的有效手段之一。为探讨最佳的发酵周期,考察了不同发酵周期化学需氧量(COD)、蛋白质、碳水化合物和总挥发性脂肪酸(TVFAs)的影响,并利用高通量测序手段解析不同发酵周期初沉污泥发酵产酸的微生物机制。结果表明:最佳的发酵周期为8 d;随着发酵周期的增加,COD和TVFAs均呈先增高后降低的趋势,第8天质量浓度分别为4 088和3 444 mg/L;此时蛋白质和碳水化合的质量浓度为516,116 mg/L(以COD计);最大的氮、磷释放出现在发酵周期10和6 d。高通量测序结果表明:发酵周期的延长降低了微生物菌群的丰度和多样性,在发酵周期为8 d时,发酵产酸相关菌群在该时期的丰度较高,进而促进底泥中有机物的水解和转化挥发性脂肪酸(VFA)。当随着发酵周期的增加,VFA积累抑制了产酸菌,并促进了产甲烷优势菌群的增加。

关键词：发酵周期初沉污泥厌氧发酵微生物机制

浅谈再生水灌溉对氮素生物有效性影响的微生物机制

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南方农机 2018年第7期49卷 113-113页

作者：陈孟沈阳师范大学生命科学学院辽宁沈阳110034

再生水灌溉技术的应用可以在很大程度上缓解水资源压力,但受再生水处理技术所限,水质问题可能会对氮素生物及土壤微生物产生不利影响。本文首先对再生水灌溉技术指标进行简单介绍,在此基础上,研究再生水灌溉对氮素生物有效性影响的微生... 详细信息

再生水灌溉技术的应用可以在很大程度上缓解水资源压力,但受再生水处理技术所限,水质问题可能会对氮素生物及土壤微生物产生不利影响。本文首先对再生水灌溉技术指标进行简单介绍,在此基础上,研究再生水灌溉对氮素生物有效性影响的微生物机制,包括对土壤理化性质影响、氮素植物影响和微生物影响机制等。

关键词：再生水灌溉氮素生物微生物机制