微生物直接种间电子传递:机制及应用

微生物种间电子传递(Interspecies electron transfer,IET)是指电子供体微生物与电子受体微生物之间通过直接或间接方式传递电子形成互营生长关系,从而共同完成单一微生物不能完成的代谢过程的现象。IET分为间接种间电子传递(MediatedIET,MIET)和直接种间电子传递(Direct IET,DIET)。其中,前者一般需要氢、甲酸、核黄素等作为电子载体,而后者是指微生物间通过纳米导线、氧化还原蛋白、导电颗粒等进行直接电子交换。DIET是最新发现的IET方式,DIET的发现改变了微生物互营代谢必须依赖氢/甲酸等能量载体的传统认识。本文在论述MIET的同时,重点阐述了DIET的三种介导机制,列举了参与IET的典型微生物种类,系统介绍了IET在厌氧消化产甲烷、甲烷厌氧氧化、微生物脱氯等重要环境过程中的作用机制及应用潜力,并展望了微生物种间电子传递的未来研究方向。本综述有助于加深对微生物IET发生机制的认识,为理解微生物IET在自然界碳氮等元素循环、温室气体排放、污染物降解等关键生物地球化学过程中的作用提供理论基础,为IET的实际工程应用提供可能。     

葡萄酒生产废弃物与剩余污泥厌氧共消化研究进展

厌氧消化技术被广泛应用于多种行业废弃物的处置。然而,葡萄酒生产废弃物浓度高、pH值低以及季节性变化的特性容易造成负荷冲击,导致反应器微生物流失、运行不稳定。同时,剩余污泥组分复杂、水解率低导致产气效率低。厌氧共消化具有均衡营养素、减缓抑制效应、丰富菌群多样性和提高甲烷产量等优势,也逐渐成为一种重要的葡萄酒生产废弃物与剩余污泥的处置方式。尽管已有二者在不同运行策略下共消化性能的研究,但仍未有报道阐明其共消化的影响因素以及基于葡萄酒生产废弃物特性建立直接种间电子传递的研究进展。因此,该文介绍了葡萄酒生产废水与剩余污泥、葡萄酒生产固体废弃物与剩余污泥的共消化进展,并分别归纳了2种体系中影响消化效能的主要因子;随后总结了共消化体系中基于乙醇建立的直接种间电子传递的研究进展;最后,围绕以上内容展望了共消化技术在葡萄酒生产废弃物与剩余污泥协同处理的前景。     

花生壳磁性生物炭对颜料污泥厌氧消化及重金属形态的影响

投加外源添加剂磁性生物炭（Magnetic Biochar,MBC）是解决颜料污泥厌氧消化效率低和重金属钝化效率低的有效途径。该研究选取农业废弃物花生壳制备生物炭（Biochar,BC）,而BC对厌氧消化和重金属钝化的影响有限,对其赋磁改性制得MBC以提升影响效果。设置3组厌氧消化批式试验,A组为对照组,B组投加BC,C组投加MBC,探索花生壳MBC对颜料污泥厌氧消化效率及重金属Cr和Ni钝化的影响。结果表明,MBC投加可有效提升消化系统挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids,VFAs）的产量,最高VFAs浓度达914.5 mg/L,较对照组（最高浓度603.9 mg/L）提升51.4%。同时MBC可实现生物炭和Fe3O4的双重直接种间电子传递（Direct Interspecies Electron Transfer,DIET）效应的耦合,缓解消化系统的酸化并提高有机物去除率和CH4累积产量。与对照组相比,挥发性固体（Volatile Solid,VS）去除率、累积甲烷产量、平均日甲烷产量和平均日甲烷产率分别提升37.8%、56.3%、56.3%和37.2%。此外,MBC投加可有效降低颜料污泥的重金属生物可利用态分配率和提升钝化效率,与原料相比,Cr的可交换态、可还原态质量占比降低43.6%、61.6%,而可氧化态、残渣态质量占比提升53.2%、243.6%;Ni的可交换态、可还原态质量占比降低41.0%、59.2%,而可氧化态、残渣态质量占比提升65.2%、181.4%。研究结果表明MBC可有效提高颜料污泥厌氧消化效率并降低重金属Cr和Ni的生物利用度,该研究有助于实现颜料污泥的稳定化、无害化、资源化利用。     

用于污泥厌氧消化的温室-太阳能热水器组合增温系统

利用温室-太阳能热水器组合增温工艺提高和保持厌氧消化反应器的消化温度,实现厌氧消化反应器在中温（春、秋、冬季）和高温（夏季）条件下高效稳定运行。以剩余污泥为原料,考察了该组合工艺一年四季的保温效果和污泥厌氧消化产气性能,并对各季节的能源产出和消耗情况进行对比分析。结果表明：与自然环境下的反应器I相比,温室内反应器II的温度在春夏秋三季分别提高了13.0～28.5℃、15.0～26.5℃和10.7～12.2℃,具有良好的增温和保温效果。春夏秋三季污泥厌氧消化的累积产气量分别提高了176.1%、98.8%和109.9%;总固体（TS）和挥发性固体（VS）去除率分别提高了6.8%～27.1%和7.5%～24.1%。通过能源产出和消耗情况分析,发现反应器II在春夏秋三季度的能源转化效率比反应器I提高了21.0%、38.5%和30.3%,冬季的耗能大于产能,但能保证厌氧消化的持续高效运行。     

畜禽养殖场沼气工程厌氧消化技术优化分析

为推进畜禽养殖场沼气工程高效运行,提高其厌氧消化效率,该文选择了3座沼气工程,对其厌氧消化工艺、工程运行管理和投入产出情况进行分析探讨。在此基础上,提出中国畜禽养殖场沼气工程建设厌氧消化技术的优化运行方案：完全混合式厌氧反应器、升流式固体反应器和高浓度推流式反应器适用于高悬浮固体浓度、高固体发酵原料的“能源生态型”沼气工程;与厌氧消化工艺相匹配的要素是沼气工程日常调控的重点;热电肥联产能够实现沼气工程效益的最大化;利用太阳能加热、沼液回用发酵可以节约能源,降低工程运行成本。     

Anammox反应器的启动及其菌群演变的研究

为了研究工艺条件对反应器内微生物多样性的影响,该论文采用城市污水处理厂活性污泥接种,通过培育硝化污泥,进行了启动厌氧氨氧化(Anammox)反应器的试验,并对启动过程中细菌的多样性变化作了跟踪研究。研究结果表明,以好氧活性污泥作为接种物,可成功地培育硝化生物膜;通过反应器运行条件的控制,硝化生物膜可从进行好氧氨氧化反应过渡到进行厌氧氨氧化反应。在此过程中,异养型细菌的数量大幅度下降,硝化细菌、反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌的数量增大,推测它们都与厌氧氨氧化作用有关。运用PCR-DGGE技术证明,随着反应器运行时间的延长,菌群发生明显变化并呈现简化趋势。     

水热预处理对猪粪厌氧消化系统中磺胺嘧啶降解的影响

为进一步了解水热预处理对猪粪连续厌氧消化过程中磺胺嘧啶（sulfadiazine, SDZ）降解机制的影响,以及对厌氧消化系统性能的影响效果。该研究以猪粪为对象,对比研究了水热预处理对厌氧发酵模式下SDZ的降解变化规律与途径及其对猪粪产气性能的影响。研究结果表明：水热预处理（150 ℃）使中温连续厌氧反应器中的SDZ的综合去除率显著提升（P <0.05）,由40.5%～58.5%提高到54.4%～75.2%;并且通过中间降解产物推测SDZ的生物降解途径主要包括SDZ水解、羟基化、硫脱氧、氨基氧化、嘧啶环裂解等;在厌氧消化性能方面,水热预处理使稳定运行后反应器的日产沼气量提高了约34.05%（P <0.05）。此外,对反应器中微生物群落分析后,发现Syntrophomonas、Sedimentibacter与SDZ的降解高度相关,并且经过水热预处理后Sedimentibacter的相对丰度较未水热预处理显著提升。因此,水热预处理耦合厌氧消化工艺具有同步提高SDZ降解和厌氧消化性能的作用,有助于进一步提高沼液的生态安全性。     

原料差异对厌氧消化微生物群落的影响

以餐厨垃圾、果蔬垃圾、麦秸3种不同原料分别进行厌氧消化,研究了各反应器在最佳运行条件下的消化特性和微生物群落组成。结果表明：VS产气率由高到低依次为餐厨垃圾（756.4mL·g-1VS-1）、麦秸（696.5mL·g-1VS-1）和果蔬垃圾（433.5mL·g-1VS-1）,甲烷含量在51.5%～55.1%之间,利用PCR-DGGE技术系统地分析了不同原料消化系统内细菌和古菌的群落结构构成及差异。结果表明,虽然3组样品中细菌和古菌的群落存在相同的优势微生物,但其数量和群落结构差异也较为明显,细菌中以拟杆菌（Bacteroidetes）以及古菌中甲烷鬃菌属（Methanosaeta）和甲烷螺菌属（Methanospirillum）均为样品共有的优势微生物。     

添加尿素和无机盐土对秸秆厌氧消化的影响

向厌氧消化体系加入外源添加剂是一种有效且简单的用于提高产气效率的方法。为了解决秸秆厌氧消化原料转化率低、易酸化、厌氧消化时间长等问题,该文选取尿素和无机盐土作为秸秆厌氧消化的添加剂,研究比较不同添加量对玉米秸秆厌氧消化过程产气特性、发酵环境、微生物活性以及物能转化效率的影响。结果表明,对于出现酸化问题且甲烷菌活性较低的厌氧消化系统,添加尿素和无机盐土有利于缓解酸化并促进微生物生长繁殖,三磷酸腺苷（ATP）峰值时的微生物数量可增加2.76×1011-5.31×1011个/L。添加一定量的尿素和无机盐土可使产气高峰提前,添加10%的无机盐土处理组与纯秸秆处理相比,产气高峰可提前4d;但酸化也会削弱尿素和无机盐土对产甲烷过程的促进作用,添加量越大,削弱效果越显著。研究结果可为秸秆厌氧消化的工程应用提供参考。     

农村垃圾厌氧-准好氧时空联合生物反应器中微生物群落分析

生物反应器是处理农村中小型固体废物的有效技术,该研究以时空联合型厌氧-准好氧生物反应器（STASAB）为研究对象,利用16S rRNA高通量测序分析了STASAB中的微生物群落,以期为该反应器的高效运行提供理论依据。结果表明,各生物反应器处理单元中的优势菌门为Proteobacteria(18.5%~26.6%)、Firmicutes(14.9%~26.6%)、Chloroflexi(6.6%~25.2%)、Bacteroidetes(8.2%~24.0%)、Actinobacteria(6.9%~13.8%)。C3处理单元在厌氧阶段中的优势菌属为Lentimicrobiume、vadinBC27_wastewater-sludge_group、Treponema_2、norank_f_Synergistaceae（产甲烷菌）等。在STASAB各处理单元（C1、C2、C3）中发现了硝化细菌Deinococcus-Thermus以及大量的反硝化细菌norank_f_Anaerolineaceae、unclassified_o_Rhizobiales、Hyphomicrobiu、AKYG587、Bacillus、norank_f_Caldilineaceae等。Venn图与PCA分析显示C1、C2具有相似的微生物群落结构,C3中的特有菌属显著高于其它反应器;RDA分析表明C1、C2（STASAB）中的微生物群落具有更高的稳定性,不易受到外界环境因素的影响。因此,STASAB的空间布局和运行方式能够有效发挥厌氧和准好氧生物反应器的优势,高效促进产甲烷菌、硝化菌和反硝化菌的共存和生长代谢,实现农村生活垃圾的快速降解。     

胞外呼吸菌在污染物迁移与转化过程中的应用进展

胞外呼吸菌是在厌氧条件下氧化有机物产生电子,进而将电子传递至胞外电子受体并产生能量维持自身生长的一类微生物,在重金属和有机污染物迁移转化过程中发挥着重要作用,且菌群的协同作用效果较单一微生物更为显著。胞外呼吸菌在自然环境中广泛存在,主要集中在变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Acidobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes),且多数为革兰氏阴性菌,其中希瓦氏菌(Shewanella oneidensisi MR-1)和地杆菌(Geobacter sulfurreducens)是研究较为深入的胞外呼吸模式菌。目前已知的5种胞外电子传递机制包括直接电子传递、电子穿梭体、应电运动、纳米导线和细胞间电子传递机制,各种机制非独立存在而是共同作用以促进污染物降解。文章从胞外呼吸菌的种类、胞内与胞外电子传递机制等方面进行综述,并着重论述了胞外呼吸菌在污染物迁移转化中的最新应用进展,为更好地发挥其环境效应提供参考。     

湿地甲烷厌氧氧化机制研究进展

微生物主导的甲烷厌氧氧化（AOM）一直是甲烷（CH₄）氧化研究的前沿热点问题,对控制全球湿地CH4排放具有重要意义。介绍了硫酸盐还原型（SAMO）、反硝化型（DAMO）、金属氧化物驱动型（Metal-AOM）和中间电子直接转移型（DIET）四种AOM途径,其中,SAMO以SO₄^2-作为AOM的最终电子受体,DAMO以 NO₂^-/ NO₃^-作为AOM的最终电子受体,Metal-AOM以铁锰等金属离子/金属氧化物作AOM的最终电子受体,而种间电子转移是一种不需要中间产物的转移方式。详细阐述了途径中主要功能微生物菌群的相关研究,重点讨论了AOM途径中可能发生的反应机理和进展,论述了目前常用的微生物群落结构和丰度检测分析的分子生物学方法。最后,从湿地环境因子对参与AOM微生物的影响机制、功能微生物富集培养以及湿地微生物参与环境污染控制等方面进行展望。这对于进一步研究全球湿地碳、氮循环提供了微生物学方面的参考。     

接种物耐酸驯化对菌糠厌氧干发酵产气的影响

为了提高厌氧干发酵体系运行稳定性,使中间产物酸及时转化为甲烷,避免出现酸抑制现象,该研究采用逐步提高乙酸浓度降低pH值的方式对接种物进行驯化,得到了在乙酸浓度10200mg/kg、pH值6.0条件下仍能快速产气的耐酸接种物,并以易水解酸化的菌糠为原料进行了厌氧干发酵试验。结果表明,驯化过程中产甲烷古菌类群的多样性下降,乙酸营养型甲烷八叠球菌丰度大幅提高,乙酸转化率和甲烷浓度逐渐提高;耐酸接种物的脱氢酶活性下降,辅酶F420和纤维素酶活性升高;添加耐酸接种物可以加快菌糠厌氧干发酵启动速度,避免酸抑制现象的发生;接种物含有75%耐酸接种物的试验组甲烷产量提高了56.1%。该研究成果能够为有效解决厌氧干发酵过程酸抑制现象提供一定的理论指导。     

Importance of hydrogenotrophic, aceticlastic and methylotrophic methanogenesis for methane production in terrestrial, aquatic and other anoxic environments: A mini review

Microbial methanogenesis is a major source of the greenhouse gas methane(CH4).It is the final step in the anaerobic degradation of organic matter when inorganic electron acceptors such as nitrate,ferric iron,or sulfate have been depleted.Knowledge of this degradation pathway is important for the creation of mechanistic models,prediction of future CH4 emission scenarios,and development of mitigation strategies.In most anoxic environments,CH4 is produced from either acetate(aceticlastic methanogenesis)or hydrogen(H2)plus carbon dioxide(CO2)(hydrogenotrophic methanogenesis).Hydrogen can be replaced by other CO2-type methanogenesis,using formate,carbon monoxide(CO),or alcohols as substrates.The ratio of these two pathways is tightly constrained by the stoichiometry of conversion processes.If the degradation of organic matter is complete(e.g.,degradation of straw in rice paddies),then fermentation eventually results in production of acetate and H2 at a ratio of>67%aceticlastic and<33%hydrogenotrophic methanogensis.However,acetate production can be favored when heterotrophic or chemolithotrophic acetogenesis is enhanced,and H2 production can be favored when syntrophic acetate oxidation is enhanced.This typically occurs at low and elevated temperatures,respectively.Thus,temperature can strongly influence the methanogenic pathway,which may range from 100%aceticlastic methanogenesis at low temperatures to 100%hydrogenotrophic methanogenesis at high temperatures.However,if the degradation of organic matter is not complete(e.g.,degradation of soil organic matter),the stoichiometry of fermentation is not tightly constrained,resulting,for example,in the preferential production of H2,followed by hydrogenotrophic methanogenesis.Preferential production of CH4 by either aceticlastic or hydrogenotrophic methanogenesis can also happen if one of the methanogenic substrates is not consumed by methanogens but is,instead,accumulated,volatilized,or utilized otherwise.Methylotrophic methanogens,which can use methanol as a substrate,are widespread,but it is unlikely that methanol is produced in similar quantities as acetate,CO2,and H2.Methylotrophic methanogenesis is important in saline environments,where compatible solutes are degraded to methyl compounds(trimethyl amine and dimethyl sulfide)and then serve as non-competitive substrates,while acetate and hydrogen are degraded by non-methanogenic processes,e.g.,sulfate reduction.     

低温产甲烷菌群对玉米秸秆低温厌氧消化的生物强化作用

为研究产甲烷菌群对秸秆低温厌氧消化的生物强化作用,试研究将长期驯化的低温产甲烷菌群投加至秸秆厌氧消化体系中,对比不同添加剂量(3%、6%、9%、12%、15%和18%)对低温(20℃)批式厌氧消化性能的影响。对产甲烷性能、中间代谢产物进行统计学和动力学分析,评价生物强化效果,确定最佳剂量,结合微生物群落分析揭示生物强化作用机制,结果表明：生物强化可促进秸秆低温厌氧消化,提高甲烷率1.27～2.24倍,促进乙酸和丙酸的降解,避免酸抑制,相比对照组缩短厌氧消化时间(T₈₀)12～19d;动力学分析表明：生物强化可缩短厌氧消化的延滞期;统计学分析表明：强化甲烷产量的最佳剂量为12%,单位质量菌群强化甲烷产量的最佳剂量为6%;微生物群落分析显示生物强化促进低温厌氧消化的主要原因是提高了产甲烷菌Methanothrix和Methanosarcina相对丰度。     

餐厨垃圾干发酵滚动式质热交换反应器设计与性能试验

为解决干式厌氧发酵传质传热效果差,易造成微生物生长代谢不均匀等问题,该研究设计一款反应器,利用罐体滚动代替搅拌,使底物自由混合,大幅度解决了干式发酵的阻碍。通过中温批次发酵验证反应器性能,并与搅拌式反应器进行对比,结果表明:滚动式反应器发酵过程中甲烷体积分数最高达74.89%;发酵前期挥发性脂肪酸有一定程度的积累,但在中期被迅速消耗,且未对产气和pH值造成明显影响;底物挥发性固体去除率高达68.74%,发酵体系稳定。微生物群落结构随着发酵进行,不同时期呈现动态变化,厚壁菌门(Firmicutes)是发酵体系中绝对的优势细菌门,最主要的古菌门是广古菌门(Euryarchaeota)。混合营养型的甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)伴随着发酵的推进成长为绝对优势甲烷菌属。     

Reductive Dechlorination of Hexachlorobenzene under Various Additions

Microorganisms collected from sediments of Ho-Tsin River in southern Taiwan were used in this study. The ability to dechlorinate hexachlorobenzene (HCB) was induced by enrichmentincubation in yeast extract amended culture and acclimation withHCB. Addition of lactate or replacement of yeast extract by lactate did not enhance the dechlorination ability. With strong electron capturing capability, denitrifying bacteria resulted incomplete inhibition of dechlorination in the mixed culturecontained nitrate. In the culture amended with sulfate, sulfate reducing bateria shared electrons and nutrient with HCB-dechlorinating consortium but grabbed more electrons when treated with vancomycin. Results from multi-factors tests indicate that the influences of factors on dechlorination werecomplicated. Dechlorinating microbes, electron suppliers, sulfatereducing bacteria and denitrifying bacteria, all possibly caused a great effect on dechlorination.