氨氧化古菌——环境微生物生态学研究的一个前沿热点

新近在环境基因组学研究上的突破和常温型泉古菌纯培养株系的获得揭示出氨氧化古菌(AOA)是一个不同寻常的功能类群.通过对氨氧化过程的关键酶之一氨单加氧酶(AMO)α亚基的编码基因(amo A)的系统发育分析发现,AOA是一个独立于氨氧化细菌(AOB)进化枝之外的进化类群.目前已确认,AOA是自然界中最丰富的氨氧化生物,其amoA基因的拷贝数最高可超过AOB amoA基因拷贝数3个数量级.在自然生态系统,尤其是海洋生态系统中具有十分重要的生态地位.据热力学估算,海洋AOA每年生成的NO2与全球海洋新生产力(即海洋对大气碳封存)所需的N量相当;由AOA氧化海洋中的NH3获能所固定的CO2的总量远远超过了埋藏于全球海洋沉积物中的碳量.AOA已成为今后环境微生物生态学的研究热点之一.     

氨氧化古菌——环境微生物生态学研究的一个前沿热点

新近在环境基因组学研究上的突破和常温型泉古菌纯培养株系的获得揭示出氨氧化古菌（AOA）是一个不同寻常的功能类群．通过对氨氧化过程的关键酶之一氨单加氧酶（AMO）α亚基的编码基因（amoA）的系统发育分析发现,AOA是一个独立于氨氧化细菌（AOB）进化枝之外的进化类群．目前巳确认,AOA是自然界中最丰富的氨氧化生物,其amoA基因的拷贝数最高可超过AOBamoA基因拷贝数3个数量级．在自然生态系统,尤其是海洋生态系统中具有十分重要的生态地位．据热力学估算,海洋AOA每年生成的NO2与全球海洋新生产力（即海洋对大气碳封存）所需的N量相当;由AOA氧化海洋中的NH。获能所固定的CO2的总量远远超过了埋藏于全球海洋沉积物中的碳量．AOA已成为今后环境微生物生态学的研究热点之一．     

沼泽红假单胞菌CQV97对养殖水体无机三态氮的去除机制

针对不产氧光合细菌(APB)在养殖水体脱氮过程中是否积累氨氮和亚硝氮等有害产物的问题,以沼泽红假单胞菌CQV97为APB的代表菌株,系统地研究该菌株对无机三态氮的去除机制.结果表明:该菌株能以无机三态氮为唯一氮源生长,通过氨同化、氨氧化、反硝化、亚硝酸盐氧化和同化硝酸盐还原机制脱除无机三态氮;该菌株在氨氮去除过程中积累亚硝氮,在硝氮去除过程中积累氨氮和亚硝氮,在亚硝氮去除过程中积累硝氮.     

全球变暖影响地球系统自净功能加剧温室气体释放

正人类活动引起的活性氮添加和气候变暖已经成为全球性的生态环境问题[1].微生物介导的反硝化和厌氧氨氧化是地球系统中两个活性氮移除通路,其中反硝化能产生氧化亚氮(N2O);而厌氧氨氧化则不产生N2O,成为环境和气候友好型通路[2].反硝化与厌氧氨氧化的相对变化在一定程度上影响生态系统内部的活性氮储库大小,同时调控全球气候变化.陆海界面的沉积物是脱氮发生的热点场所,然而全球变暖背景下,沉积物微生物脱氮过程对升温的响应及其气候反馈仍属未知.厦门大学高树基教授课题组长期致力于海洋氮循环过程与全球气候变化研究.针对低纬度河口沉积     

海洋着色菌Marichromatium gracile YL28静息细胞对无机三态氮的相互转化作用

分析不产氧光合细菌海洋着色菌Marichromatium gracile YL28静息细胞对无机三态氮(氨氮、亚硝氮和硝氮)的去除和相互转化作用.结果表明:在适宜温度和pH值的厌氧环境中,YL28菌株静息细胞对亚硝氮和硝氮具有良好的去除能力,并且能将氨氮转化为少量的硝氮、将亚硝氮动态地转化为硝氮,硝氮也能动态地转化为亚硝氮,但未检测到将硝氮和亚硝氮转化为氨氮的过程.由此可知,YL28菌株的静息细胞具有良好的反硝化作用,能够去除水体中的亚硝氮和硝氮.     

夏季珠江口冲淡水对氨氧化古菌的空间演替及分布规律的影响

氮在海洋生物地球化学循环中起着重要的作用，通常能限制海洋生物的生产力.硝化反应是氮循环的核心环节，且氨氧化反应是硝化作用的限速步骤，再加上氨氧化古菌(Ammonia Oxidizing Archaea, AOA)是氨氧化反应的主力军，因此海洋氨氧化古菌成了研究热点.通过对夏季珠江口的不同深度水体进行研究，以氨氧化古菌的功能基因氨单加氧酶(amoA)作为分子标记，运用454高通量测序技术和定量PCR在DNA和cDNA水平上来分析氨氧化古菌的群落结构组成、多样性和基因丰度分布特征.结果表明，夏季珠江口的淡水来源站位(A2B)有着最高的氨氧化古菌群落多样性，但丰度最低；自由生活型的氨氧化古菌丰度是附着生活型的10～1 000倍，这可能是氨氧化古菌的主要生存策略；盐度是影响夏季珠江口氨氧化古菌群落结构组成的主要环境因子，而其amoA基因丰度与环境因子之间没有显著性差异；表层和底层AOA群落之间的差异较自由生活的与附着的群落之间更为明显.研究表明在cDNA水平上对功能微生物类群进行探究的必要性，有助于增进水体氨氧化古菌群落响应环境变迁的认识.     

功能化树脂催化的分子氧对醇的选择性氧化

有机小分子催化剂2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基(TEMPO)催化醇的选择氧化反应是一种温和条件下的绿色催化反应.以氯甲基化二苯乙烯/聚苯乙烯树脂固载化PS-TEMPO和丙烯酸弱碱性凝胶树脂Amberlite 53功能化的亚硝酰基Amberlite-NO2作为催化体系,分子氧为氧化剂,对小分子醇的选择性氧化反应进行研究.实验表明苄醇在上述体系下选择性氧化为相应的醛和酮取得非常好的产率,并且催化剂经5次循环使用后仍能保持催化活性,但非苄醇类化合物在此体系下反应条件尚需进一步优化.     

硝氮和紫外辐射对龙须菜碳氮利用的影响

【目的】探讨大型海藻龙须菜(Gracilaria lemaneiformis)碳氮利用对紫外辐射(UVR)的响应,揭示可利用氮在其中的调节作用。【方法】设置2种硝氮浓度(低氮,50μmol·L-1;高氮,500μmol·L-1)和3种不同波长的光辐射处理(P,395~700nm;PA,320~700nm;PAB,295~700nm),龙须菜叶状体在上述不同条件下适应培养25d后,测定藻体的硝氮和无机碳利用情况。【结果】PA和PAB条件下培养的龙须菜,对硝氮的最大吸收速率显著升高,尤其在高氮条件下升高更加明显。P条件下,高氮适应培养的藻体硝酸还原酶(nitrate reduscate,NR)活性显著降低;但在PA和PAB下没有发现这种氮营养史的影响。UVR显著降低了龙须菜的最大光合固碳速率(Pmax)和对外源无机碳的半饱和常数(KDIC),提高了总碳酸酐酶(carbonic anhydrase,CA)的活性。高氮适应下藻体的最大光合固碳速率和总CA活性显著升高,同时半饱和常数显著降低。【结论】UVR的存在能够促进龙须菜对外源硝氮的吸收利用,抑制海藻光合固碳能力,但可利用氮的加富可以缓解UVR对龙须菜光合作用的抑制。     

CANON系统中4种脱氮相关菌丰度和多样性

全程自养脱氮(Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite,CANON)是适用于低碳源、高氨氮水质的极具应用前景的新工艺,研究其中脱氮微生物种群和数量特征具有重要意义.利用PCR、克隆、实时荧光定量PCR等分子生物学技术,研究了小试(Lab-scale,L)和中试(Pilot-scale,P)2个CANON系统中4种与脱氮相关的细菌(分别是氨氧化细菌(Ammonia-Oxidizing Bacteria,AOB)、亚硝酸盐氧化菌(Nitrite-Oxidizing Bacteria,NOB)、反硝化细菌(De Nitrifying Bacteria,DNB)和厌氧氨氧化细菌(ANaerobic AMMonium Oxidation,Anammox))的数量和种属,并研究了污泥形态对这4种菌的数量影响.结果发现,(1)L和P系统中AOB、NOB、DNB和Anammox菌数量均值分别处于1010、109、108和1010copies/g(以干污泥计)数量级.AOB和Anammox菌是CANON系统的优势菌,而NOB和DNB数量较少.(2)AOB、NOB、DNB和Anammox菌多样性不同:DNB种属最丰富,10多个属划分为5大簇;其次是Anammox菌,主要划分为Candidatus Brocadia和Candidatus Kuenenia 2簇;再次是AOB,集中在Nitrosomonas属中的N.europaea和N.eutropha 2小簇;最后是NOB,它的种属最为单一,仅含Nitrospira marine小簇.(3)污泥形态不同影响这4种菌数量:絮体污泥更适合AOB生长,生物膜更适合DNB和Anammox菌生长,但不能确定哪种形态的污泥更适合NOB生存.研究结果将为CANON系统的脱氮机理揭示和工艺优化提供理论支撑.     

含盐生活污水处理中的硝化菌种群优化

为了实现稳定的短程硝化, 通过使用 NaCl 作为一种选择抑制剂(只抑制亚硝酸氧化菌(NOB)的生长而不会以抑制氨氧化菌(AOB) 的生长) 在序批式反应器处理含盐生活污水过程中实现硝化种群的优化。实验考察了不同盐度对 AOB 和 NOB 的抑制程度以及对系统硝化性能的影响, 选择 7. 6 g/ L的盐度作为种群优化的最佳盐度。长期抑制实验实施 4 个月后, 亚硝酸盐积累稳定在 95% 以上, 短程硝化稳定。利用荧光原位杂交技术(FISH) 检测到AOB (Nitrosospira) 已经成为硝化菌群的主导菌种, NOB(Nitrobacter)基本检测不出, 证明 NOB 已经被淘洗出系统,硝化种群得到优化。同时讨论了盐度对 NOB 的选择抑制机理。     

海洋酸化对固氮蓝藻束毛藻的影响及其作用机制

<正>海洋浮游植物贡献了地球上约一半的初级生产力,驱动着海洋生物泵将碳从海洋上层向深层输出.氮是浮游植物生长所必需的元素,而海洋固氮蓝藻束毛藻是海洋生态系统中"新氮"的重要来源之一,可贡献高达50%的全球海洋总固氮量[1],对海洋初级生产力以及碳、氮生物地球化学循环起着至关重要的影响.工     

高寒沼泽湿地土壤碳氮沿水分梯度的分布特征

研究了青海省乱海子沼泽湿地土壤碳、氮沿水分梯度的分布特征及其土壤因子之间的相互关系.结果表明青海省乱海子沼泽湿地土壤w(全氮)、w(有机碳)、w(铵态氮)、w(硝态氮)、w(微生物量碳)平均值分别为(14.74±2.72)×10~(-3)、(190.10±28.84)×10~(-3)、(35.95±6.10)×10~(-6)、(58.43±25.09)×10~(-6)、(1.81±0.63)×10~(-3).土壤含水量显著地影响着土壤有机碳、铵态氮和微生物量碳的水平分布,而对土壤全氮和硝态氮的水平分布影响不显著.冻胀丘与冻胀丘底相比较,冻胀丘w(全氮)和w(硝态氮)高于冻胀丘底的.通过相关分析表明,有机碳与仝氮、铵态氮、微生物量碳有着密切的联系,土壤容重是影响土壤有机碳、铵态氮和微生物量碳水平分布的一个很重要的因素.     

城市河道内源硫影响厌氧氨氧化过程的研究进展

评述了当前城市河道内源硫影响厌氧氨氧化过程的研究现状以及二者之间可能的微生物作用关系;指出了对于黑臭河道治理后呈现的高氮营养盐和较低碳氮比(C/N)生境,今后应重视新型化能自养的厌氧氨氧化过程在河道氮转化过程中的作用,包括"硫自养部分反硝化-厌氧氨氧化"、"硫酸盐型厌氧氨氧化"和"铁自养型厌氧氨氧化"等,以及内源硫如何影响厌氧氨氧化过程的发生和二者之间的耦合关系;不仅为强化氮营养盐的去除提供了崭新的视角,而且为阐明水圈微生物驱动氮与其他元素循环机制的基础理论提供了有益补充.     

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。     

杉木人工林土壤碳、氮、磷化学计量特征对短期氮添加的响应

阐明短期氮添加对杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林土壤化学特征的影响，可为杉木人工林的氮素管理提供科学依据.以11 a和18 a两个年龄杉木人工林的林地土壤为研究对象，在每个林龄林地中随机布设9个400 m2的标准样地，设置0、5、10 g/(m~2·a) 3个氮添加水平，每个氮添加水平包含3个重复样地.2019年4月—11月，每月中旬对各样地进行NH₄NO₃添加处理.在生长季和非生长季，研究林地不同深度(0～20 cm和20～40 cm)土壤中速效氮、总有机碳、全氮、全磷质量比特征及其化学计量比对氮添加的响应.短期氮添加增加了2个林龄林地土壤的硝态氮质量比，并表现出累积效应.与18 a相比，11 a杉木林土壤硝态氮质量比上升幅度更大.短期氮添加一定程度增加了两个林龄林地土壤的总有机碳、全氮和全磷质量比，高氮添加显著增加了11 a杉木林表层土壤(0～20 cm)的总有机碳和全氮质量比.与深层土壤(20～40 cm)相比，表层土壤的变化更明显. 2个林龄林地土壤的碳、氮、磷化学计量比受短期氮添加的影响较小，主要受到土层...     

电沉积制备氮化钴纳米片超级电容器

采用一种简单的电化学沉积和退火方法,实现了在碳布基底上碳氮结构修饰氮化钴(CC@Co2 N@CN)材料的制备,并将其用于高性能超级电容器.氮化钴表面修饰的碳氮结构不仅可以提高整个电极的电容,而且可以缓解氮化钴的氧化,从而提高整体的导电性能.同时,CC@Co2 N@CN表现出极长的寿命,在10000次循环后容量仍能保持其初始值的77％.在电流密度为1 m A·cm-2时,该电极的面积电容最高可达429.4 m F·cm-2.因为具有较大的面积电容和良好的循环稳定性能,此类基于碳布基底的氮化钴碳氮结构超级电容器在储能领域具有广阔的应用前景.     

半封闭一步热解法制备层状类石墨相C3N4及其性能表征

在半封闭系统中一步热解三聚氰胺,采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、化学元素分析(EA)、傅里叶红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)分析热解产物的结构和形貌,并用热重分析(TG)和荧光分析(PL)研究了产物的热稳定性和荧光性质.XRD分析表明随着热解温度的提高,产物由Melem逐步转变为石墨相结构;FTIR和XPS分析结果表明,产物主要由含有大量sp2C-N双键和sp3C-N单键的碳氮结构组成;TEM照片显示产物具有多层结构.研究结果显示,当热解温度达到650℃时,可以获得碳氮量比为O.738的类石墨相结构C3N4.所制备的C3N4起始热分解温度达到700℃,在460 nm具有较大半峰宽的荧光吸收峰.该文研究为大规模制备类石墨相C3N4提供了一种新方法.     

铟锡氧化物导电玻璃上高氮含量氮化碳薄膜的电化学沉积及其性能研究

在铟锡氧化物导电玻璃基底上,采用二氰二胺(C2N 4H4)的乙腈饱和溶液电化学沉积高氮含量的CNx薄膜.X射线光电子能谱(XPS)分析表明,薄膜主要由C,N组成,最高nN/nC=1.22(接近C3N4中氮与碳的化学计量数比1.33).傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析表明碳和氮主要以C-N, CN 的形式形成共价键.样品具有较宽的带隙,在50 ℃,1 250 V下得到的薄膜样品的光学能隙为2.32 eV.实验结果表明,电压在1 000～1 300 V、温度在30～50 ℃时能得到氮含量较高的薄膜.     

天津咸化湿地土壤碳、氮特征对长期垦殖的响应

为了解长期垦殖(超过60 a)对湿地土壤碳、氮特征的影响,以天津2个咸化芦苇沼泽(七里海和大黄堡)和湿地开垦后的农田为样地,通过元素分析法对不同层级的土壤有机碳、全氮含量、碳氮比、层化比率进行分析.结果表明,垦殖前七里海和大黄堡沼泽表层土壤(0~5cm)的有机碳含量、全氮含量、碳氮比、层化比率均远远高于下层土壤,土层深度增加至5~10 cm时,4项指标数值急剧降低,随着土层深度的进一步增加,数值缓慢降低.垦殖后的农田表层土壤的4项指标值远低于沼泽表层土壤,随着土层深度的增加,4项指标在整个土壤剖面上呈缓慢下降趋势,同沼泽相同土层的数值相近.由此可见,湿地表层土壤作为土壤、大气与人类活动相互作用的关键层次,其碳、氮特征对长期垦殖的响应较深层土壤更加敏感.     

华北平原4种主要农作物非根际和根际土壤活性碳氮和酶活性特征

以两种豆科作物(大豆和花生)和两种非豆科作物(玉米和甘薯)为研究对象,对比研究不同作物非根际土和根际土无机氮、微生物量碳氮含量及与活性碳氮转化有关的酶活性的季节变化特征.结果表明:不同生长期内豆科作物根际土铵态氮和硝态氮含量显著高于非豆科作物;玉米生长季内非根际土硝态氮含量显著高于根际土,其他3种作物非根际土硝态氮含量小于根际土;4种作物根际土微生物量碳(MBC)含量显著高于非根际土,根际土微生物量氮(MBN)在苗期显著高于非根际土;作物非根际土铵态氮与硝态氮和蔗糖酶存在显著负相关关系;非根际土硝态氮与蔗糖酶、脲酶和β-葡萄糖苷酶活性存在显著正相关关系;根际土铵态氮和硝态氮与MBC,MBN、蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶都存在显著正相关关系.