N2 production by the anammox reaction in the anoxic water column of Golfo Dulce,Costa Rica

In oxygen-depleted zones of the open ocean, and in anoxic basins and fjords, denitrification (the bacterial reduction of nitrate to give N2) is recognized as the only significant process converting fixed nitrogen to gaseous N2. Primary production in the oceans is often limited by the availability of fixed nitrogen such as ammonium or nitrate, and nitrogen-removal processes consequently affect both ecosystem function and global biogeochemical cycles. It was recently discovered that the anaerobic oxidation of ammonium with nitrite--the 'anammox' reaction, performed by bacteria--was responsible for a significant fraction of N2 production in some marine sediments. Here we show that this reaction is also important in the anoxic waters of Golfo Dulce, a 200-m-deep coastal bay in Costa Rica, where it accounts for 19-35% of the total N2 formation in the water column. The water-column chemistry in Golfo Dulce is very similar to that in oxygen-depleted zones of the oceans--in which one-half to one-third of the global nitrogen removal is believed to occur. We therefore expect the anammox reaction to be a globally significant sink for oceanic nitrogen.     

Molecular mechanism of anaerobic ammonium oxidation

Two distinct microbial processes, denitrification and anaerobic ammonium oxidation (anammox), are responsible for the release of fixed nitrogen as dinitrogen gas (N(2)) to the atmosphere. Denitrification has been studied for over 100 years and its intermediates and enzymes are well known. Even though anammox is a key biogeochemical process of equal importance, its molecular mechanism is unknown, but it was proposed to proceed through hydrazine (N(2)H(4)). Here we show that N(2)H(4) is produced from the anammox substrates ammonium and nitrite and that nitric oxide (NO) is the direct precursor of N(2)H(4). We resolved the genes and proteins central to anammox metabolism and purified the key enzymes that catalyse N(2)H(4) synthesis and its oxidation to N(2). These results present a new biochemical reaction forging an N-N bond and fill a lacuna in our understanding of the biochemical synthesis of the N(2) in the atmosphere. Furthermore, they reinforce the role of nitric oxide in the evolution of the nitrogen cycle.     

碳源和盐度对好氧反硝化细菌脱氮特性的影响

采用16S rDNA序列分析对菌株LZX301进行了初步鉴定,在150 r/m摇瓶好氧培养,探讨了碳源及盐度对菌株好氧反硝化特性的影响. 结果表明,该菌株16S rDNA序列与Pseudomonas stutzeri ATTC 17594（AY905607.1）等3株施氏假单胞菌序列相似度为99%,系统发育树分析显示菌株LZX301与P.stutzeri 的关系比同属的P.aeruginosa 和P.putida更近,因此初步确定菌株LZX301为Pseudomonas stutzeri. 培养液初始含7 mg/L亚硝酸盐和28 mg/L硝酸盐、C/N比为10:1条件下,以葡萄糖、乙酸钠和蔗糖为碳源时无机氮去除率分别为79.1%、67.9%和38.8%,氨氮积累量分别为1.978、1.224、0.727 mg/L. 以葡萄糖为唯一碳源时,在5、15、25等3个盐度下无机氮总去除率分别为73.2%、85.8%和78.7%,其中硝酸盐去除率分别为89.8%、86.1%和76.5%,亚硝酸盐去除率分别为36.2%、94.7%和96.4%,氨氮质量浓度分别为2.117、0.691、0.595 mg/L. 研究结果表明菌株LZX301在盐度5~25 范围内具有较强的好氧反硝化能力,以葡萄糖为碳源脱氮效果最好,对该菌株的应用具有指导意义.     

不同电子受体影响下的反硝化除磷过程

为进一步了解反硝化除磷菌的代谢行为,以序批式反应器(SBR)在厌氧/好氧条件下培养的活性污泥为对象,进行批次试验,研究了不同电子受体对反硝化缺氧吸磷的影响.结果证实:只要有电子受体存在,不论是硝氮(NO3--N)还是亚硝氮(NO2--N),缺氧吸磷都会发生,但NO2--N的缺氧吸磷量相对较少;反应开始时的电子受体质量浓度对反应过程影响很大,试验中NO3--N质量浓度为30mg/L、NO2--N质量浓度为20mg/L时吸磷量和吸磷速率均达到最高值;低于该值时,吸磷量和吸磷速率随着电子受体质量浓度的提高而增加;高于该值时,吸磷量和吸磷速率随着电子受体质量浓度的提高而减少;NO2--N质量浓度达80mg/L时,没有发现对反应的抑制作用;好氧吸磷效果好于缺氧吸磷.试验还发现反应器在厌氧/缺氧条件下连续运行时,反硝化除磷菌的厌氧释磷和缺氧吸磷能力将很快丧失.     

Nitrification by plants that also fix nitrogen

Nitrification is a key stage in the nitrogen cycle; it enables the transformation of nitrogen into an oxidized, inorganic state. The availability of nitrates produced by this process often limits primary productivity and is an important determinant in plant community ecology and biodiversity. Chemoautotrophic prokaryotes are recognized as the main facilitators of this process, although heterotrophic nitrification by fungi may be significant under certain conditions. However, there has been neither biochemical nor ecological evidence to support nitrification by photoautotrophic plants. Here we show how certain legumes that accumulate the toxin, 3-nitropropionic acid, generate oxidized inorganic nitrogen in their shoots, which is returned to the soil in their litter. In nitrogen-fixing populations this 'new' nitrate and nitrite can be derived from the assimilation of nitrogen gas. Normally, the transformation of elemental nitrogen from the atmosphere into a fixed oxidized form (as nitrate) is represented in the nitrogen cycle as a multiphasic process involving several different organisms. We show how this can occur in a single photoautotrophic organism, representing a previously undescribed feature of this biogeochemical cycle.     

惠州大亚湾大气湿沉降中氮营养盐变化特征的研究

通过对降水中氮营养盐质量浓度及其沉降通量变化特征的研究,研究了大气湿沉降中氮营养盐对大亚湾水生生态系统的影响.结果表明,观测期间NH4+-N、NO3--N/NO2--N和TN降雨量加权平均质量浓度分别为0.474、0.536和1.23mg/L,氮质量浓度在8月份出现了明显的峰值;湿沉降通量分别为58.93、78.13和158.75kg/( km2.月),其中无机氮占总氮含量的86.34%,大亚湾大气湿沉降中氮营养盐主要以NO3--N/NO2--N的形式存在.与2009年的观测结果相比较,2012年大气中氮的沉降通量增加了约1倍.通过大气湿沉降输入的氮营养盐在大亚湾水体富营养化过程中产生了重要作用,在研究水体富营养盐问题时应考虑降水的贡献.     

沸石载体恢复受饥饿影响厌氧氨氧化菌的性能研究

利用沸石良好的吸氨能力和微生物载体功能,将受饥饿影响的厌氧氨氧化菌在含沸石的反应器内进行活性恢复,研究沸石对长期饥饿影响下厌氧氨氧化菌恢复过程中菌群活性及结构的影响.结果表明,经过82天的运行,沸石反应器和对照反应器(无沸石添加)内厌氧氨氧化菌均获得恢复.沸石反应器的脱氮效率从第59天开始与对照反应器拉开差距,运行第8...     

多因子对日本囊对虾Marsupenaeus japonicus氮磷代谢的影响

 对日本囊对虾Marsupenaeus japonicus在不同条件下的无机磷、亚硝酸氮、硝酸氮、氨氮的代谢率进行了测定。结果表明：温度、体质量、盐度、pH值和摄食状态对其代谢存在影响。无机磷、硝酸氮、氨氮的代谢率与体质量呈负相关, 而亚硝酸氮的代谢率与体质量随体质量的上升而增大;在20~30 ℃的温度范围内,随着温度的上升,日本囊对虾磷、亚硝酸氮、硝酸氮、氨氮的代谢率均上升;在10‰~31‰的盐度范围内,随着盐度的升高,日本囊对虾（6.739±0.023）g磷、亚硝酸氮的代谢率升高,当盐度为31‰盐度时,磷代谢率达到（0.736±0.002）μg·g^-1·h^-1,亚硝酸氮代谢率为（0.0778±0.011）μg·g^-1·h^-1,而硝酸氮、氨氮的代谢率与盐度呈负相关,当盐度为31‰时,硝酸氮的代谢率降为（0.257±0.207）μg·g^-1·h^-1,氨氮代谢率降为（4.445±0.259）μg·g^-1·h^-1;在7.5～9.0的pH值范围内,随着pH值的升高,日本囊对虾（6.749±0.013）g磷的代谢率明显下降,氨氮、硝酸氮的代谢率提高,亚硝酸氮的代谢率在pH值为8.5时达到最大值,后又呈下降趋势;日本囊对虾（6.729±0.028）g摄食配合饲料,饱食状态下磷、亚硝酸氮、硝酸氮、氨氮的代谢率比饥饿状态下分别提高了272.02%、91.67%、795.38%、98.54%。     

FA和pH值对低C／N污水生物亚硝化的影响

采用活性污泥法SBR工艺研究低C／N含氮污水实现亚硝化要求的适宜pH值和游离氨（FA）浓度．结果表明：低C／N含氮污水可实现稳定的亚硝化，其亚硝化率最高可达90％；pH值为6．5～8．5适宜亚硝化细菌的生长；当游离氨刚升高时，亚硝化菌对游离氨的抑制反应迅速，而硝化菌对游离氨的抑制反应滞后，经过一段时间适应之后，亚硝化菌逐渐赢得了生长或／和活性上的竞争优势，而硝化菌处于劣势，导致亚硝化现象出现，即处于较高FA环境有利于亚硝化菌的优势竞争；试验得出亚硝化系统适宜的FA浓度为7-10mg／L；而长SRT系统长期运行污泥将会逐渐失去活性；亚硝化现象的出现与消失是各种环境因素的综合表现导致污泥本质结构发生变化的结果，杆状絮体可能是良好亚硝化现象的特征污泥相．     

Unicellular cyanobacteria fix N2 in the subtropical North Pacific Ocean

Fixed nitrogen (N) often limits the growth of organisms in terrestrial and aquatic biomes, and N availability has been important in controlling the CO2 balance of modern and ancient oceans. The fixation of atmospheric dinitrogen gas (N2) to ammonia is catalysed by nitrogenase and provides a fixed N for N-limited environments. The filamentous cyanobacterium Trichodesmium has been assumed to be the predominant oceanic N2-fixing microorganism since the discovery of N2 fixation in Trichodesmium in 1961 (ref. 6). Attention has recently focused on oceanic N2 fixation because nitrogen availability is generally limiting in many oceans, and attempts to constrain the global atmosphere-ocean fluxes of CO2 are based on basin-scale N balances. Biogeochemical studies and models have suggested that total N2-fixation rates may be substantially greater than previously believed but cannot be reconciled with observed Trichodesmium abundances. It is curious that there are so few known N2-fixing microorganisms in oligotrophic oceans when it is clearly ecologically advantageous. Here we show that there are unicellular cyanobacteria in the open ocean that are expressing nitrogenase, and are abundant enough to potentially have a significant role in N dynamics.     

东江沉积物-水界面氮素迁移转化的影响因素

对东江东莞河段上覆水及底泥氮素的分布特征进行研究.采用室内土柱模拟实验方法,分析水体中和底泥-水体中氮素的转化过程,探讨环境因素对水体中氮素迁移转化的影响.试验结果表明,东江东莞河段总氮质量浓度范围为2.13~4.48mg/L,硝酸盐氮是主要的污染物存在形态,占总氮的64.9%;沉积物是水体氨氮的源,是酸盐硝氮和亚硝酸盐氮的汇;光照和扰动都能够降低氨氮的质量浓度;温度和初始pH值越高,越有利于氨氮的转化.     

水体扰动对黑臭河道内源氮营养盐赋存形式的影响

设计了一套模拟河道底泥再悬浮装置,设定4个不同水体扰动强度的工况以及1个不扰动对照组,测量了不同水体扰动强度产生的流速以及溶解氧(DO)浓度变化情况,并据此计算出不同工况的雷诺数(Re).研究了不同扰动强度下氨氮、亚硝氮、硝氮和总氮在上覆水、浮泥层间隙水和黑泥层间隙水中的迁移转化规律.结果表明:不同曝气扰动强度引起不同溶解氧梯度分布,并导致底泥中内源氮营养盐赋存形式之间的不同转化途径,其中流速为28.8～32.0cm/s时,Re为1810～2113,DO平均值为5.08～7.50mg/L,上覆水中氨氮和总氮去除效果最好,表明曝气扰动对底泥内源氮中氨氮和总氮的转化行为影响最大.与不产生曝气扰动时相比,由于曝气复氧作用,浮泥层呈现较高的亚硝氮和硝氮浓度,这导致二者分别向上覆水和黑泥层扩散.对于扩散至黑泥层的亚硝氮和硝氮,会在缺氧或厌氧环境的黑泥层中进一步通过反硝化或厌氧氨氧化途径实现对内源氮的完全脱除.     

贵州喀斯特地区植被修复对土壤氮素的影响

喀斯特地区正开展一系列的生态恢复工程措施,研究生态修复过程与土壤氮循环过程的交互作用对喀斯特地区生态系统植被修复具有重要的科学意义。本研究以贵州草海保护区不同地貌(非喀斯特、喀斯特及植被修复)为研究对象,采用时空互代法研究地貌环境对土壤氮组分(全氮、碱解氮、硝态氮、铵态氮)分布特征的影响,并分析它们与土壤理化因子之间的关系。结果表明：(1)非喀斯特样带氮含量与喀斯特样带对比,前者土壤氮素累积呈现向上富集的规律,在土壤表层呈表聚现象,土壤硝态氮和铵态氮含量均高于喀斯特样带,铵态氮占无机氮主要部分;(2)喀斯特样带由于地质条件、植被覆盖度低、凋落物归还量少和土壤侵蚀导致活性有机碳较低,进而影响土壤氮素累积;植被恢复初始阶段,土壤中氮素供应强度会得到改善,土壤硝化和氨化速率均有显著提升,土壤侵蚀作用减弱,土壤对养分的固持能力加强,进而土壤硝态氮和铵态氮含量显著高于喀斯特样带。     

水库底泥氮释放及其好氧微生物脱氮研究

以丹江口水库为例, 考察水库底泥在不同温度、扰动和曝气等条件下, 总氮、硝氮、氨氮和亚硝氮的释放规律。设置模拟反应器, 探究高效好氧脱氮微生物强化消除水库底泥内源氮污染的效果, 并运用高通量测序技术, 分析高效好氧脱氮微生物对底泥微生物群落结构的影响。结果表明, 温度升高会减少氨氮的释放,增加硝氮和亚硝氮的积累; 水体扰动会加速底泥中氮素释放, 且上覆水中的氮素释放累积量与扰动速度成正比; 溶解氧对底泥氮素释放有显著影响, 曝气处理可以明显地降低底泥中总氮和硝氮的释放及其在水体中的累积。在反应器中底泥–上覆水界面投加高效好氧脱氮微生物Pseudomonas stutzeri (PCN-1)后, 反应器内各种形态的氮素都出现先上升、后下降的趋势; 在反应器运行的第65天, 底泥释放的总氮和硝氮的去除率分别高达75.87%和79.96%, 底泥内源氮污染得到有效的控制。对比投加菌株前后的微生物群落结构, 发现底泥中Proteobacteria, Bacteroidetes和Spirochaetes的相对丰度明显增加, PCN-1强化脱氮处理能够改变底泥的微生物群落结构。     

氮源对杜鹃花菌根真菌氮吸收及硝酸还原酶活性的影响

采用菌丝干重法、半微量凯氏定氮法和磺胺比色法分别测定了HD19、ZT13和D1 3个树粉孢属杜鹃花菌根真菌菌株在铵态氮、硝态氮和有机氮培养基中的生物量、含氮量和硝酸还原酶活性。结果表明:3个菌株在3种氮源培养基中生长良好,而且无机氮培养基中菌株生物量和氮吸收量均显著高于有机氮培养基; 其中菌株HD19在硝态氮培养基中氮吸收量显著高于铵态氮,而菌株ZT13和D1在铵态氮培养基中氮吸收量较高; 菌株在硝态氮培养基中硝酸还原酶活性均较高,说明树粉孢属杜鹃花菌根真菌不仅具有较好的利用硝态氮的能力,还可以吸收利用其他形态的氮源,外源硝态氮可以诱导该类真菌硝酸还原酶活性的提高。     

DO对短程反硝化过程中N2O产量的影响

利用SBR反应器,考察不同溶解氧(DO)条件下NO2-反硝化过程中N2O产生及释放过程。研究结果表明:控制曝气量为0.3 L/min,进水NO2--N质量浓度为40 mg/L,体系DO质量浓度分别为0,0.1,0.3,0.5和0.7 mg/L时,反硝化过程N2O释放量分别为0.41,0.60,2.62,4.98,6.83 mg/L;随DO质量浓度的增加,反硝化速率明显降低;当DO质量浓度由0 mg/L增至0.7 mg/L时,每克混合液悬浮固体(MLSS)的NO2-反硝化速率由14.9 mg/(L.h)降至10.2 mg/(L.h),每克MLSS的N2O产生速率由0.2 mg/(L.h)增至1.9 mg/(L.h)。其原因为:高DO质量浓度对氧化亚氮还原酶具有较强的毒性,抑制了N2O的进一步还原过程;高NO2-的存在导致抑制了氧化亚氮还原酶的活性。降低A/O和A2/O等生物脱氮过程中缺氧反应器内部DO质量浓度,保证严格缺氧条件,是减少短程生物反硝化过程中N2O产量的关键因素。     

2类氨氧化菌的生态特性及其应用研究进展

氮素作为组成生物体的重要元素，一直以其独特的方式在自然界中循环。经典氮循环理论认为细菌的好氧氨氧化是氧化氨氮的唯一途径，然而，随着生物技术的发展，新的氮循环途径被不断发现，其中的古菌好氧氨氧化以及厌氧氨氧化过程，由于其突出的生态及工程应用重要性，成为学术界的研究热点。本文主要综述了氮循环新途径中的厌氧氨氧化以及古菌好氧氨氧化过程的发现及研究现状，并进一步探讨了这两类氨氧化菌的研究及应用前景。     

胞壁结合型生物破乳菌Alcaligenes sp. S-XJ-1氮源利用特性

以六种氨基酸及硝酸铵为氮源培养胞壁结合型生物破乳剂产生菌Alcaligenes sp.S-XJ-1,进而分析菌体对谷氨酸和硝酸铵的利用过程,并建立菌体的生长及氮源利用模型.结果表明:氮源种类和投量是影响菌体产量和性能的重要因素;菌体对氮源的利用顺序依次为有机氮、氨态氮、硝态氮;谷氨酸为氮源时对生物破乳菌产量的促进效果最佳,相比于硝酸铵为氮源时,菌体最大比增长速率和产率系数更高,用于菌体代谢供能的氮源消耗量更低.     

基于内循环折流式反应器的同步硝化反硝化

采用一种内循环折流式生物反应器进行脱氮实验.分别用硝酸盐、亚硝酸盐和氨作为氮源配制模拟废水进行研究.结果表明:该反应器具有良好的除氮功能.当以硝酸盐或亚硝酸盐为氮源时,总氮与硝酸盐、亚硝酸盐的去除速率几乎相同,其降解规律可以用分数级动力学进行很好地拟合,其反应级数为0.88.当以氨作为氮源时,可以实现同步硝化和反硝化.此时氨氮的去除仍可以0.88级动力学进行描述.而总氮的去除规律符合3级反应动力学.在相同的碳氮比(C/N)情况下,硝酸盐和亚硝酸盐的去除速率远大于氨氮的去除速率,且总氮的去除速率随C/N的增加而增加.     

厌氧氨氧化过程中无机碳对脱氮效能的影响

采用上流式厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX)反应器,通过氮去除效能的变化,研究无机碳(inorganic carbon, IC)在厌氧氨氧化过程中的作用及IC质量浓度对厌氧氨氧化过程的影响.结果表明:当进水不投加IC时,反应器脱氮效能明显下降,当进水IC和总无机氮(total inorganic nitrogen,TIN)的质量浓度之比ρ_IC/ρ_TIN为0.2~0.4时,脱氮效能得到恢复并逐步提高.ρ_○IC/ρ_○TIN从0.4继续提高至1.0时,脱氮效能不再发生明显变化.在ρ_○IC/ρ_○TIN为0.4的条件下启动新反应器,运行61天后氮去除负荷达到1.04kg·m^-3·d^-1,ANAMMOX菌活性明显高于原反应器.表明厌氧氨氧化过程中,IC主要提供碳源并充当反应催化剂,充足的IC供应是提高ANAMMOX活性和维持稳定脱氮的必要条件,厌氧氨氧化启动过程中进水IC和TIN最佳质量浓度之比为0.4.