直接种间电子传递对缓解厌氧消化抑制效应的研究进展

厌氧消化是将生物质废弃物进行资源化利用的有效途径之一。然而，复杂的原料性质以及反应器高负荷的运行条件会使厌氧消化过程产生多种抑制效应，易导致反应器运行不稳定，产气效率低等问题。因此，提升厌氧消化反应器运行性能、减缓抑制效应成为当前的研究热点。区别于以氢气和甲酸为媒介的间接种间电子传递（Mediated Interspecies Electron Transfer，MIET）过程，微生物间的直接种间电子传递（Direct Interspecies Electron Transfer，DIET）能够在菌群间直接进行电子转移，传递效率更高。DIET的建立有助于强化厌氧反应的稳定性，提高反应效率，减缓抑制效应。基于此，本论文总结了DIET的研究进展，分析了主要的种间电子传递机制，探讨了DIET对不同类型抑制效应的缓解作用，归纳了DIET潜在微生物的富集效果；在此基础上展望了DIET在减缓厌氧消化抑制效应方面的重点研究方向和应用前景。     

湿地变形菌门甲烷氧化菌群的缺氧能量代谢

甲烷氧化菌以甲烷作为碳源和能源，在全球甲烷平衡和温室效应控制中扮演着重要角色。甲烷生物氧化过程跨越不同氧化还原生态位，近年来的研究表明，在湿地缺氧生态位下变形菌门甲烷氧化菌具有代谢潜力，但其能量代谢机制尚不清楚。本研究基于生物电化学技术、矿物学实验及微生物组学方法，结果表明变形菌门甲烷氧化菌主导的菌群具有直接和间接胞外电子传递潜力；在氧气耗尽时，甲烷氧化菌群可利用水铁矿作为电子受体完成能量代谢过程，缺氧体系中γ-Proteobacteria纲的甲烷氧化菌和非甲烷氧化微生物共同驱动铁矿还原。本研究探讨了变形菌门甲烷氧化菌主导菌群的缺氧能量代谢过程，拓展了反硝化厌氧甲烷氧化菌及厌氧甲烷氧化古菌主导的缺氧甲烷氧化理论，为甲烷生物控制提供了理论支持。     

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。     

湿地变形菌门甲烷氧化菌群的缺氧能量代谢

甲烷氧化菌以甲烷作为碳源和能源,在全球甲烷平衡和温室效应控制中扮演着重要角色。甲烷生物氧化过程跨越不同氧化还原生态位,近年来的研究表明,在湿地缺氧生态位下变形菌门甲烷氧化菌具有代谢潜力,但其能量代谢机制尚不清楚。本研究基于生物电化学技术、矿物学实验及微生物组学方法,结果表明变形菌门甲烷氧化菌主导的菌群具有直接和间接胞外电子传递潜力;在氧气耗尽时,甲烷氧化菌群可利用水铁矿作为电子受体完成能量代谢过程,缺氧体系中γ-Proteobacteria纲的甲烷氧化菌和非甲烷氧化微生物共同驱动铁矿还原。本研究探讨了变形菌门甲烷氧化菌主导菌群的缺氧能量代谢过程,拓展了反硝化厌氧甲烷氧化菌及厌氧甲烷氧化古菌主导的缺氧甲烷氧化理论,为甲烷生物控制提供了理论支持。     

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。     

土壤微生物—腐殖质—矿物间的胞外电子传递机制研究进展

微生物胞外电子传递是地球表层系统元素循环与能量交换的重要驱动力。近年来,以微生物—腐殖质—矿物之间电子转移为核心的生物地球化学过程得到重视,拓展了以带电的土壤胶体与离子之间的相互作用为重心的土壤界面过程的内涵,成为地球表层系统物质间相互作用新的关注点,启示我们从化学与生物两个角度重新认识地球表层系统过程。本文从微生物、腐殖质和矿物等要素入手,综述了其地球化学角色与功能,讨论了它们之间的相互关系以及胞外电子传递的途径与方式;从热力学的角度探讨了胞外电子传递过程的能量变化,从动力学的角度探讨了胞外电子传递的传质与速率;介绍了若干胞外电子传递的研究方法;并提出了今后需要重点关注的重要科学问题。     

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。     

微生物纳米导线的结构与功能：争议及进展

土壤胞外呼吸是驱动元素生物地球化学循环的引擎，而微生物纳米导线是实现土壤胞外呼吸的重要途径。微生物纳米导线是一类生长于微生物表面，可长达数十微米的具有导电性的纤维状结构。它直接作用于微生物与土壤矿物、产甲烷与甲烷氧化微生物间的电子传递，从而影响了土壤矿物的迁移转化及温室气体减排。Geobacter sulfurreducens是研究微生物纳米导线的模式微生物。长久以来，基于分子生物学实验证据表明，G. sulfurreducens纳米导线是PilA-N菌毛。而最近基于冷冻电镜技术的纳米导线结构分析发现，G. sulfurreducens实际上表达着各种形式的细胞色素c纳米导线。自此，关于“纳米导线本质”的问题成为学术界争论的焦点。以G. sulfurreducens纳米导线理论发展为主线，综述了不同时期对纳米导线结构与功能的认识，并系统分析了作为“纳米导线本质”争议的证据基础，将推动该争议的早日解决，并助力土壤胞外呼吸理论的成熟及微生物纳米导线的应用研究。     

水淹条件下水稻土中砷的生物化学行为研究进展

水稻土中砷的氧化还原和甲基化等生物化学过程是影响水稻砷毒性的主要作用机制;同时,水淹厌氧条件是驱动水稻土中砷的生物化学过程关键环节,且是导致水稻对砷大量吸收累积的主要原因,对以水稻为主食的人们造成健康威胁。本文综述了水稻土中砷的氧化还原和甲基化现象、砷的生物化学作用机制以及影响水稻土砷迁移转化的关键因素,并探讨了水淹厌氧条件对水稻土砷代谢微生物群落、微生物基因表达水平以及对砷归趋的影响。最后,展望了未来的研究方向,以期识别不同水管理模式下土壤微环境对水稻土中砷代谢微生物群落结构与基因表达水平的影响机制,为深入理解砷的生物化学行为和降低水稻对砷的吸收累积提供科学的理论参考。     

人工湿地中氮代谢微生物的共存策略及机理

人工湿地中氮元素的脱除主要依靠多种微生物的联合作用,因此氮代谢微生物的和谐共存成为人工湿地高效脱氮的基础。本文分析回顾了氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化菌、反硝化细菌及厌氧氨氧化菌等主要氮代谢微生物的共存策略及反应机理。     

高通量测序技术在微生物分子生态学研究中的应用

微生物在众多的自然和人工生态系统中发挥着核心的作用,但能够被培养分离的微生物在大部分生态系统中只占极少一部分,极大地限制了人们对微生物组成、功能及其潜在应用的认识。分子生物学方法,尤其是高通量测序技术应用到微生物生态学研究中,为认识微生物多样性、群落结构组成及其生态功能提供了有利手段。高通量测序作为一种新兴的免培养分子生物学技术,具备检测快速、准确、信息全面丰富等特点。随着高通量测序技术的不断升级换代,测序通量、读长和准确度的不断提升以及成本的大幅下降,该技术在过去十几年间被迅速应用于土壤、水体和肠道等微生物区系的研究中。本文简述了基于高通量测序技术的PCR产物测序技术和宏基因组学测序技术的原理、发展历程、数据分析方法与应用,以及宏基因组学测序技术在病毒学领域的应用,以期为微生物分子生态学研究提供参考。     

江汉油田区典型农田土壤烃类降解微生物功能基因bssA的遗传多样性研究

油田区土壤易受烃类物质影响并可能富集了特异的石油烃降解微生物类群。针对江汉油田区5个不同油井口附近的典型旱地农田土壤,采用石油烃(Petroleum hydrocarbons,PHs)中苯系物代谢的关键功能基因-bssA(苯甲基琥珀酸合成酶基因)作为分子标识物,通过克隆文库结合末端限制性片段长度多样性(Terminal-restriction fragment length polymorphism,T-RFLP)的方法,研究该油田区土壤含有bssA基因的烃类降解微生物群落结构,并探讨其环境驱动机制。结果表明,土壤中PAHs含量在0.21~2.01mg kg~(-1)之间,石油烃污染程度较低。T-RFLP的分析表明不同土壤样品中的bssA基因多样性差异明显,PAHs(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,多环芳烃)含量最高土壤中bssA基因多样性最高,其优势bssA基因类群与硫酸盐还原菌或地杆菌有较近的亲缘关系。冗余分析进一步表明,土壤硝态氮、有效磷、PAHs含量均是影响bssA基因多样性的重要因子。这些结果表明:江汉油田区典型农田土壤中含有bssA基因的主要类群为β-变形菌和δ-变形菌,并与地杆菌属(Geobacter)、索氏菌属(Thauera)和固氮菌属(Azoarcus)具有较近的系统发育亲缘关系。这些微生物可能通过硝酸盐、硫酸盐及铁还原代谢过程降解土壤PAHs。     

Specific features of the structure of microbial biomass in soils of annular mesodepressions in Lipetsk and Volgograd oblasts

In the studied mesodepressions, the total microbial biomass in the gray forest and chernozemic soils decreases by two-three times under the impact of hydrogen flux from the subsoil horizons and soil waterlogging. The biomass decrease is especially pronounced in the lower soil horizons. The population density of bacteria in the soil samples subjected to the impact of hydrogen fluxes and temporary waterlogging decreases by two-three times in the upper horizons and by ten times in the lower horizons in comparison with that in the control samples. These factors also affect the length of fungal mycelium: it decreases by three-four times in the upper horizons and may completely disappear in the lower horizons. The reduction of the microbial biomass can be explained by the fact that hydrogen and waterlogging sharply decrease the soil redox potential, which retards the development of most microbes, except for methanogens and some other specialized groups of microorganisms. The domination of bacteria with diameter ≥0.23 and ≥0.38 μm and the decrease in the total number of bacteria have been found with the use of the cascade filtration method.     

Characterization of denitrification activity in zones of groundwater exfiltration within a riparian wetland ecosystem

Movement of agricultural nitrogen (N) into riparian buffers often occurs within discrete seepage or upwelling zones which can limit the ability of the ecosystem to process the nutrient delivered by exfiltrating groundwater. Characterization of the biogeochemical processing of N within these zones is important in assessing the effectiveness of riparian buffers for mitigating nutrient loading of surface waters. The biogeochemical potential for denitrification in zones of exfiltration within a riparian buffer wetland dominated by high-carbon mucky soils was found to be highly stratified by profile depth with substantially higher activity in the surface layer of soil. The denitrification enzyme activity (DEA) within these zones was partly related to the population size of denitrifying microorganisms as measured by the most probable number (MPN) as well as the general microbial population as measured by substrate-induced respiration. The addition of glucose to the DEA assay stimulated enzyme activity indicating that carbon substrate was limiting activity. The stratification patterns of microbial populations and DEA are consistent with new carbon inputs to the ecosystem being most important driver of biogeochemical reactions such as denitrification in this high-carbon environment. A survey of carbon inputs to the ecosystem under study identified two major sources that contribute most of the annual biomass carbon inputs to the wetland: skunk cabbage in early summer and tree leaf litter in the fall. Tests of the ability of annually deposited wetland plant residues to stimulate denitrification and microbial respiration indicated that the degree of stimulation was inversely related to the C/N ratio of these carbon sources.     

Diversity and Characterization of Potential H2-Dependent Fe(Ⅲ)-Reducing Bacteria in Paddy Soils

Microbial ferric iron reduction, with organic carbon or hydrogen as the electron donor, is one of the most important biogeochemical processes in anoxic paddy soils; however, the diversity and community structure of hydrogen-dependent dissimilatory iron-reducers remain unknown. Potential H2-dependent Fe(III)-reducing bacteria in paddy soils were explored using enrichment cultures with ferrihydrite or goethite as the electron acceptor and hydrogen as the electron donor. Terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) analysis and cloning/sequencing were conducted to reveal bacterial community structure. Results showed that Geobacter and Clostridium were the dominant bacteria in the enrichment cultures. Fe(III) oxide mineral phases showed a strong effect on the community structure; Geobacter and Clostridium were dominant in the ferrihydrite treatment, while Clostridium spp. were dominant in the goethite treatment. These suggested that H2-dependent Fe(III)-reducing bacteria might be widely distributed in paddy soils and that besides Geobacter, Clostridium spp. might also be an important group of H2-dependent Fe(III)-reducing microorganisms.