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不同利用方式对红壤坡地微生物多样性和硝化势的影响

不同利用方式对红壤坡地微生物多样性和硝化势的影响*

张　慧1,2

　袁红朝2

　朱亦君2

　陈春兰2

　谭周进3

　秦红灵

2**

(1湖南农业大学生物安全科技学院,长沙410128;2

中国科学院亚热带农业生态研究所,亚热带农业生态过程重点实验室,

长沙410125;

湖南中医药大学基础医学院,长沙410208)

摘　要　采集了中国科学院桃源农业生态试验站红壤坡地农田二自然恢复林和茶园土壤样品,采用末端限制性酶切片段长度多态性分析(T?RFLP )技术分析土壤细菌二古菌二氨氧化细菌(AOB )和氨氧化古菌(AOA )的多样性,采用好气培养法测定不同土壤的硝化势,研究不同土地利用方式对微生物多样性和硝化势的影响三结果表明:土壤AOB 和AOA 多样性指数差异不显著,且在3种不同土地利用方式中呈现相同的趋势,均为农田=茶园>自然恢复林;通过RDA 分析发现,不同利用方式造成土壤理化性状的改变是影响土壤AOA 和AOB 群落结构的主要原因;好气培养法测得不同土壤硝化势农田最高,茶园次之而自然恢复林最低;相关性分析显示,硝化势与细菌16S rRNA 二AOA 和AOB amo A 基因多样性指数呈显著正相关,其中与AOA amo A 基因关系最为密切;总体来说,红壤坡地不同利用方式改变了土壤细菌二古菌二AOA 和AOB 的多样性,土壤AOB 和AOA 积极参与了土壤的硝化过程,且AOA 在氨氧化微生物群落生态功能中占有重要地位,AOA 比AOB 与硝化势的关系更为密切三

关键词　细菌;古菌;氨氧化细菌(AOB );氨氧化古菌(AOA );T?RFLP *国家自然科学基金项目(40801098)资助三**通讯作者E?mail:huniu@https://www.doczj.com/doc/dc16846553.html,

收稿日期:2010?11?25 接受日期:2011?03?14

中图分类号　Q93　文献标识码　A　文章编号　1000-4890(2011)6-1169-08

Microbial diversity and nitrification potential of sloping land red soil under different land use patterns.ZHANG Hui 1,2,YUAN Hong?zhao 2,ZHU Yi?jun 2,CHEN Chun?lan 2,TAN Zhou?jin 3,QIN Hong?ling 2(1College of Biosafety Science and Technology ,Hunan Agricultural U?niversity ,Changsha 410128,China ;2Key Laboratory of Agro?ecological Processes in Subtropical Region ,Institute of Subtropical Agriculture ,Chinese Academy of Sciences ,Changsha 410125,China ;3Hunan University of Traditional Chinese Medicine ,Changsha 410208,China ).Chinese Journal of Ecology ,2011,30(6):1169-1176.

Abstract :Soil microbial community plays a crucial role in ecological sustainability in response to different land use patterns.In this paper,soil samples were collected from the cropland,natural?ly restored forestland,and tea garden on the red soil sloping land at the Taoyuan Agro?ecosystem Research Station (110°72″E,28°52″N)under Chinese Academy of Sciences to study the effects of different land use patterns on the soil microbial diversity and nitrification potential.T?RFLP technique was adopted to study the diversity of bacteria,ammonia?oxidizing bacteria (AOB),and ammonia?oxidizing archaea (AOA),and aerobic culture method was used to study the nitri?fication potential.Under the three land use patterns,the diversity index of soil bacteria,AOB,and AOA showed the same variation trend,i.e .,cropland =tea garden >naturally restored for?est land (P <0.05).RDA analysis showed that the variations of soil physical and chemical prop?erties under different land use patterns determined the community structure of soil AOB and AOA.Cropland soil had the highest nitrification potential,followed by tea garden soil,and natu?rally restored forestland soil.There was a significant positive correlation between the diversity in?

生态学杂志Chinese Journal of Ecology　2011,30(6):1169-1176

dex of soil bacteria,AOB,and AOA and the soil potential nitrification rate,especially for AOA, suggesting that AOA might play an important role in red soil nitrification.

Key words:bacteria;archaea;ammonia?oxidizing bacteria(AOB);ammonia?oxidizing archaea (AOA);T?RFLP.

中国现有红壤缓坡地(6°~15°)2.1×107hm2 (谢小立和王凯荣,2003),是中国发展粮食和亚热带经济作物及果二林二草的重要基地三但是人工干扰强度大,土地利用不当造成硝态氮淋失严重,坡地水土流失过程中,大量土壤氮素向水体迁移,造成水体的富营养化,加重农业面源污染程度(Quiroga?Garza et al.,2001;Rostagno&Sosebee,2001)三

氨的氧化即氨氧化成亚硝酸(NO2-)是整个氮素转化过程中的限速步骤(Holt et al.,1994),其由氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)完成(Oved et al.,2001)三AOB将氨转化为硝酸盐作为唯一的能源而进行氨氧化作用(Purkhold et al.,2000),并广泛分布于土壤二淡水和海洋等环境,已经成为分子微生物生态学的一种理想的模式微生物并被广泛应用为指示微生物(Kowalchuk&Stephen,2001)三AOA是最近几年才发现的具有氨氧化功能的古菌(K?nneke et al.,2005),而且AOA含有AOB的关键酶氨单加氧酶的全部亚基(Venter et al.,2004)改变了氨氧化菌仅局限在细菌界的传统观念三此外,所有的氨氧化微生物都含有氨单加氧酶基因amoA,因此amoA基因可作为氨氧化菌特异的分子标记(贺纪正和张丽梅,2009)三目前,针对不同土地利用方式对土壤微生物的多样性影响的研究,主要集中在整个微生物区系及其多样性上三姚槐应等(2003)通过BIOLOG及磷酸酯脂肪酸(PLFA)法研究了8种供试红壤微生物群落的功能多样性和结构多样性,表明有机质及pH较低的森林土壤及茶叶园土中有相对较高的真菌特征脂肪酸,格兰氏阳性菌与阴性菌的比值以荒土中为最高,茶叶园土次之,菜园红砂土中格兰氏阳性菌的比例最小三而且,不同土地利用方式下草地的土壤微生物类群多于乔木和灌木(韩芳等,2003)三土壤硝化功能微生物的多样性也与土地利用方式密切相关,然而直接通过功能基因的多样性研究土壤微生物功能种群的演变还处于起步阶段,对不同土地利用方式下土壤氨氧化功能基因的变化规律研究较少,特别是对AOA的氨氧化机制以及环境因素对AOA的影响等方面研究更少三

一般认为,硝化作用的影响因素主要有以下几个方面:pH二温度二凋落量及土壤有机质二全氮和碳氮比等(林日义等,2006)三此外,不同的土壤类型及土地利用类型对硝化作用强度的影响因素也不尽相同(刘义等,2006;吕艳华等,2008)三研究还发现,微生物多样性与硝化作用强度也有一定关系,但文献报道结果并不一致三在许多水域环境中AOA 与硝化势显著相关,而与AOB关系不密切(Lam et al.,2007;Beman et al.,2008)三在农业土壤中古菌amoA基因的表达随着氨浓度的提高而提高(Treusch et al.,2005),但是AOB比AOA与硝化势的关系更为密切(Leroux et al.,2008;Nicol et al., 2008;Shen et al.,2008)三由于AOA很难从土壤中

被分离出来,所以应将AOA和AOB群落组成与硝化活性系统中其他因素联系起来去理解其生理特性三

本研究以中国科学院桃源农业生态试验站不同土地利用方式长期定位试验为平台,通过分子生物学技术分析了红壤坡地不同利用方式对细菌二古菌二AOB二AOA多样性以及硝化势的影响,以期为调控土壤氮素流失二提高氮肥利用率及减少农业面源污染,提供理论依据三

1　材料与方法

1.1　土壤样品采集

土壤样品采自中科院亚热带农业生态研究所桃源农业生态试验站不同土地利用方式长期定位试验田(111°26′E,28°55′N)三试验始于1996年,土地利用方式包括农田(F)二自然恢复(G)和茶园(T)三土壤具体信息参见表1三

农田每年种植两茬旱作物,两年四熟(玉米?油菜?红薯?萝卜)轮作三无人为干扰的自然恢复区从1995年试验开始,到2003年已基本形成具有垂直结构的生态系统三草本层2003年前种类较少,分布较均匀,2006年以后物种数量急剧增加,出现了以青茅(Deyenxia henryi)为绝对优势种的草本结构层;灌木层发展迅速,分布较为均匀,没有绝对的优势种,只是地茶(Ardisia pusilla)和檵木(Loropetalum

0711 生态学杂志　第30卷　第6期　

表1　红壤坡地不同土地利用类型长期定位试验设计

Table1　Design of the long?term stationary field experiment on land use patterns on red soil slope lands 土地利用类型施肥状况肥料种类代表垫面处理方式

农田春秋施肥两次尿素二过磷酸钙和加拿大红色

钾肥耕地利用,季节作物植被梯土不撩壕,每年栽种2茬旱作

物,常规管理

自然恢复不施肥无自然植被演替建场时清除地表植被,停止干预,

植被自然恢复

茶园冬季施肥一次尿素二过磷酸钙和加拿大红色

钾肥

常绿灌丛植被梯土撩壕,条植茶树,常规管理

chinense)在数量上占有少量优势;乔木层发展较为缓慢,但是种类和数量也均有所增长,目前存在的主要乔木有山鸡椒(Litaea cubeba)二黄檀木(Dalbergia

hupeana)和盐肤木(Rhus chinensis)三

采样时间为2009年4月15日(农田施肥半月后)三采样过程均按无菌要求进行,各土样分3个小区,各小区按S形线路选取12个采样点,取表层0~20cm土样后混匀,有壕的地方不取样三一部分土壤(约200g)迅速用液氮冰冻后-80℃保存供分子生物学研究,另一部分土样用于测定土壤理化性质三土壤理化性质如表2所示三

1.2　硝化势的测定

硝化势的测定参照鲁如坤(1999)的方法(好气培养法),并稍加修改,具体操作如下:称取新鲜土壤样品(相当于300g烘干土重)2份,以100mg N四kg-1烘干土重的比例加入(NH4)2SO4,调节土壤含水量至田间持水量的60%,装于500ml烧杯中,用锡箔纸封口,于25℃避光培养3周,每周测定土壤NO3-?N含量(其间称重并定时补充失去的水分),以培养时间为横坐标,以NO3-?N含量为纵坐标,求出斜率,即土壤硝化势(mg四kg-1四d-1)三

1.3　DNA的提取

参照文献(杨建和洪葵,2006)中的SDS?GITC?PEG方法,用1%的琼脂糖凝胶电泳检测所提DNA 片段大小,并用NanoDrop核酸蛋白仪(ND?1000)测定DNA的浓度及质量三

1.4　特异性引物

本试验所用引物均由上海英骏生物有限公司合成,其中Arch?7F二Bacterium?27F二Arch?amoA23F和Bacterium?amoA1F的5′端用荧光(FAM)标记三具体序列如下:

1.5　PCR扩增

细菌16S rDNA的扩增,采用引物Ba?27F/Ba?1492R(表3)三25μl的PCR反应体系组成如下:

表2　不同利用方式下土壤样品的理化性状

Table2　Physical and chemical properties of different land use patterns

处理有效磷

(mg四kg-1)全氮

(g四kg-1)硝态氮

(mg四kg-1)速效钾

(mg四kg-1)有机质

((g四kg-1))pH

农田29.79±1.58a1.9±0.1a44.18±1.55a105.03±10.23a26.7±0.5b4.19±0.06b 自然恢复2.48±0.51b1.9±0.1a21.63±3.07b67.65±7.61b32.9±1.1a4.36±0.03b 茶园4.80±0.52b1.8±0.1a4.09±1.11c83.28±1.47b31.4±0.7a4.62±0.08a 表中同列不同的字母代表显著差异(Duncan test,P<0.05)三

表3　引物名称及序列

Table3　PCR primers and probes for16S rDNA and amoA genes

引物a引物序列(5′→3′)b目的基因参考文献

Arch?7F TTCYGGTTGATCCYGCC Arch?16S rDNA Lueders et al.,2004

Arch?1384R CGGTGTGCAAGGAGCA Arch?16S rDNA Lueders et al.,2004

Ba?27F AGAGTTTGATCMTGGCTCAG Ba?16S rDNA Wallrabenstein et al.,1995

Ba?1492R ACGGTTACCTTGTTACGACTT Ba?16S rDNA Wallrabenstein et al.,1995

Arch?amoA23F ATGGTCTGGCTWAGACG amoA(AOA)Sahan&Muyzer,2008

Arch?amoA616R GCCATCCATCTGTATGTCCA amoA(AOA)Sahan&Muyzer,2008

Ba?amoA2F AARGCGGCSAAGATGCCGCCC Ba?amoA Webster et al.,2002

Ba?amoA5R TTATTTGATCCCCTC Ba?amoA Webster et al.,2002

Ba?amoA1F GGGGTTTCTACTGGTGGT Ba?amoA Rotthauwe et al.,1997

Ba?amoA2R CCCCTCKGSAAAGCCTTCTTC Ba?amoA Rotthauwe et al.,1997

a,上下游引物分别标注为F和R三b,Y=C或T;M=A或C;W=A或T;R=A或G;K=G或T;S=C或G三

TaqDNA聚合酶缓冲液2.5μl,MgCl22.5mmol四L-1, dNTPs(each)0.2mmol四L-1,正向和反向引物各0.4μmol四L-1,模板100ng,TaqDNA聚合酶(TaKa?Ra)1U,ddH2O补水至20μl三PCR反应条件如下: 95℃,5min三40个循环为:95℃,30s;54℃,45s; 72℃,1min;72℃终延伸10min三

古菌16S rDNA扩增,采用引物Arch?7F/Arch?1384R(表3)三25μl的PCR反应体系组成如下: TaqDNA聚合酶缓冲液2.5μl,MgCl22.5mmol四L-1, dNTPs(each)0.2mmol四L-1,正向和反向引物各0.4μmol四L-1,模板100ng,TaqDNA聚合酶(TaKa?Ra)1U,ddH2O补水至20μl三PCR反应条件如下: 95℃,5min三40个循环为:95℃,30s;65℃,45s; 72℃,1min;72℃终延伸10min三

AOA amoA基因,采用引物Arch?amoA23F/ Arch?amoA616R(表3)三PCR扩增体系:引物(10μmol四L-1)上游1μl,下游0.5ul,10×Buffer(天根,中国)2.5μl,Taq酶(TIANGEN,China)0.5μl, dNTP(2.5mmol四L-1,天根,中国)2μl,DNA模板40ng,ddH2O补水至25μl三AOA amoA的扩增条件为:94℃预变性5min,94℃,45s;60℃,45s;72℃,45s;3个循环;94℃,50s;57℃,50s;72℃,50 s,35个循环,最后72℃延伸10min三

AOB amoA基因采用巢式PCR,第一次PCR引物采用Ba?amoA2F和Ba?amoA5R,25μl反应体系:10×Buffer2.5μl,dNTP(2.5mmol四L-1)2μl, MgCl2(2.5mmol四L-1)2μl,BSA0.3μl,DNA模板40ng,正向引物和反向引物各1μl,Taq酶0.5μl, ddH2O补水至25μl三PCR反应条件如下:95℃,5 min;55℃,5s;72℃,60s;94℃,40s,20个循环,每个循环退火温度降低1℃;45℃,5s;72℃,60s;94℃,40s,5个循环;最后72℃延伸10min三第二次PCR,正向引物1F,反向引物2R,25μl反应体系:10×Buffer2.5μl,dNTP(2.5mmol四L-1)2μl,MgCl2 (2.5mmol四L-1)2μl,BSA0.3μl,第一次PCR产物1μl,正向引物和反向引物各1μl,Taq酶0.5μl, ddH2O补水至25μl三PCR反应条件如下:95℃,5 min三40个循环为:60℃,60s;72℃,60s;94℃,45 s;72℃延伸10min三

1.6　PCR产物纯化二酶切及T?RFLP

将每个样品按上述同样条件各扩增3管,切胶回收后,用琼脂糖凝胶DNA回收试剂盒(TIAN?GEN,China)进行纯化,方法按说明进行三纯化产物采用Hha I(TaKaRa)消化,反应体系:10×Buffer5μl,内切酶25U,DNA500ng,ddH2O补足50μl三酶切条件:37℃消化5h,然后升温至65℃热击10 min三酶切产物送上海桑尼测序三末端带荧光标记的片段能被检测到,而其他没有带荧光标记的片段则检测不到三选择TRF的原则一般是:峰高>80 (Blackwood et al.,2003),相对误差不超过10%三T?RFLP图谱中限制性片段(T?RF)范围细菌和古菌在35~550bp,AOB在35~491bp,AOA在35~594 bp,荧光值超过100RFU,在平行实验的图谱中重复再现的峰纳入统计分析,并去除OTU丰度<1%的T?RFs三T?RFLP图谱中每一个限制性片段(T?RF)为一个OTU,T?RFs片段大小±1bp被认为是同一个OTU三根据图谱中OTU的数目及其丰度用PCORD 程序进行多样性指数计算,包括多样性指数(Shan?non diversity,H)和均匀度指数(Shannon evenness,

E),利用SPSS程序进行统计分析三

1.7　统计分析

所有测定结果均为3次重复的平均值,误差线均为标准差(SD)三使用SPSS16.0软件统计软件,数据采用统计描述二方差分析(one?way ANOVA)二Duncan检验和Pearson相关分析三

2　结果与分析

2.1　不同土地利用方式古菌二细菌二AOA和AOB 多样性变化

根据HhaⅠ酶切T?RFLP图谱中末端限制性片断的数目及其相对峰高值,计算了红壤坡地3种土地利用方式下土壤细菌二古菌二AOA和AOB多样性指数和均匀度指数三由图1可见,细菌的多样性指数和均匀度指数均高于古菌,且不同土地利用方式间存在显著差异,表现为农田>茶园>自然恢复;细菌均匀度指数农田显著高于自然恢复和茶园,自然恢复和茶园差异不显著三古菌多样性指数农田和自然恢复间差异不显著,茶园古菌多样性指数显著高于农田和自然恢复土壤;均匀度指数不同土地利用方式间差异显著,表现为茶园>自然恢复>农田三农田和茶园土壤AOA和AOB多样性指数和均匀度指数均显著高于自然恢复土壤,农田和茶园差异不显著三

2.2　土壤理化性状对土壤AOA和AOB分布的影响

对AOA的T?RFLP结果进行RDA分析,第1轴

2711 生态学杂志　第30卷　第6期　

图1　T?RFLP图谱分析多样性指数和均匀度指数Fig.1　Shannon index and evenness index based on T?RFLP profiles

不同的字母代表不同土地利用方式间显著差异(Duncan test, P<0.05)三

可以解释所有信息的97.3%,前2轴可以解释97.7%,而AOB的RDA分析结果显示,第1轴可以解释97.8%,前2轴可以解释98.2%三

利用Canocoo软件RDA分析土壤理化性状对土壤AOA和AOB分布的影响,由图2可以看出,农田二茶园和自然恢复土壤AOA和AOB群落聚集于不同的区域,且样品重复性较好,说明不同土地利用方式,土壤AOA和AOB群落结构差异显著三土壤理化性状是影响AOA和AOB群落结构的主要原因,速效钾对AOA和AOB群落组成均产生显著影响(蒙特卡罗检验值P<0.05),而有机质只对AOA 群落组成有显著影响,其他环境因子如速效磷二硝态氮二pH值等,与AOA和AOB群落组成均无显著相关性三

2.3　不同利用方式土壤硝化势的变化

由图3可见,农田和茶园土壤的硝化势分别为0.45和0.35mg四kg-1四d-1,显著高于自然恢复,农田土壤的硝化势显著高于茶园三

2.4　土壤硝化势与古菌二细菌二AOA以及AOB多样性的关系

由表4可见,硝化势与细菌二氨氧化古菌和氨氧化细菌呈显著或极显著相关关系,与总的古菌群落无显著相关性

三图2　RDA分析土壤理化性状对AOA和AOB群落分布的影响

Fig.2　RDA analyses of T?RFLP profiles for the ammonia?oxidizing archaeal and bacterial amoA gene composition from three different land use soils

1二2二3代表农田样品3次重复;4二5二6代表自然恢复;7二8二9代表茶园

三

图3　不同利用方式硝化势的变化

Fig.3　Nitrification potential in different land use types

表4　硝化势与AOA二AOB二细菌和古菌多样性的相关关系Table4　Correlation between nitrification potential and mi?crobial diversity

微生物知识点总结

一、名词解释： 1.温和噬菌体(temperate phage)：噬菌体基因与宿主染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制，并随细菌的分裂而传代。 2.溶原性：温和噬菌体这种产生成熟噬菌体颗粒（前噬菌体偶尔可自发地或在某些理化和生物因素的诱导下脱离宿主菌基因组而进入溶菌周期，产生成熟噬菌体，导致细菌裂解）和溶解宿主菌的潜在能力，称为溶原性。 3.溶原性细菌：带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌。 4.荚膜：荚膜是一些细菌在其细胞表面分泌的一种黏性物质，把细胞壁完全包围封住，这层黏性物质就叫荚膜。 5.菌胶团：有些细菌由于其遗传特性决定，细菌之间按一定的排列方式互相黏集在一起，被一个公共荚膜包围形成一定形状的细菌集团，叫做菌胶团。 6. 芽孢:某些细菌遇到不良环境时，在其细胞内形成一个内生孢子叫芽孢。 7.酶的活性中心：是指酶的活性部位，是酶蛋白分子直接参与和底物结合，并与酶的催化作用直接有关的部位。 8.生长因子：是一类调节微生物正常生长代谢所必需，但不能用简单的碳、氮源自行合成的有机物。 9.培养基：根据各种微生物对营养的需要（如水，碳源，能源，氮源，无机盐及生长因子等），按一定的比例配制而成的，用以培养微生物的基质，称为培养基。

10.选择培养基：根据某微生物的特殊营养要求，或对各种化学物质敏感程度的差异而设计、配制的培养基，称为选择培养基。 11.鉴别培养基：几种细菌由于对培养基中某一成分的分解能力不同，其菌落通过指示剂显示出不同的颜色而被区分开，这种起鉴别和区分不同细菌作用的培养基，叫鉴别培养基。 12.发酵：是指在无外在电子受体时，底物脱氢后所产生的还原力[H]不经呼吸链传递而直接交给某一内源性中间产物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。 13.好氧呼吸：是有外在最终电子受体（O2）存在时，对底物（能源）的氧化过程。 14.无氧呼吸*：无氧呼吸又称厌氧呼吸，是一类电子传递体系末端的受氢体为外源无机氧化物的生物氧化。 15.土壤自净：土壤对施入一定负荷的有机物或有机污染物具有吸附和生物降解的能力，通过各种物理、化学过程自动分解污染物使土壤恢复到原有水平的净化过程，称土壤净化。 16.水体自净：天然水体受到污染后，在没有人为的干预条件下，借助水体自身的能力使之得到净化，这种现象成为水体自净，其中包括生物学和生物化学的作用。17：水体富营养化（环化有） 18.硝化作用：氨基酸脱下的氨，在有氧的条件下，经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用转化为硝酸的过程。

硝化反硝化

硝化反硝化一、硝化反应在好氧条件下，通过自养型微生物亚硝酸盐菌和硝酸盐菌的作用，将氨氮氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的过程，称为生物硝化作用。硝化反应包括亚硝化和硝化两个步骤: 二、反硝化反应在缺氧条件下，由于兼性脱氮菌(反硝化菌)的作用，将NO2--N和NO3--N还原成N2的过程，称为反硝化。反硝化菌为异养型微生物，在缺氧状态时，反硝化菌利用硝酸盐中的氧作为电子受体，以有机物作为电子供体提供能量并被氧化稳定。反硝化反应方程式为： NO2-+3H(电子供给体-有机物) →0.5 N2+H2O+OH- NO3-+5H(电子供给体-有机物) →0.5 N2+2H2O+OH- 三、短程硝化反硝化短程硝化是指NH3生成亚硝酸根，不再生产硝酸根；而由亚硝酸根直接生成N2，称为短程反硝化。短程硝化反硝化是指NH3---NO2----N2，即可以从水中氨氮去除的一种工艺。影响因素： 1、pH 硝化反应的适宜的pH值为7.0～8.0之间，其中亚硝化菌7.0～7.8时，活性最好；硝化菌在7.7～8.1时活性最好。当pH降到5.5以下，硝化反应几乎停止。反硝化细菌最适宜的pH值为7.0～7.5之间。考虑到硝化和反硝化两过程中碱度消耗与产生的相互性，同步硝化与反硝化的最适的pH值应为7.5左右。 2、溶解氧（DO）硝化过程的DO应保持在2～3mg/L，反硝化过程的DO应保持0.2～0.5mg/L。反应池内溶解氧的高低，必将影响硝化反应的进程，溶解氧质量浓度一般维持在2～3mg/L，不得低于1mg/L，当溶解氧质量浓度低于0.5～0.7mg/L时，氨的硝态反应将受到抑制。反硝化通常需在缺氧条件下进行，溶解氧对反硝化有抑制作用，主要是由于氧会与硝酸盐竞争电子供体，同时分子态氧也会抑制硝酸盐还原酶的合成及其活性。 3、温度生物硝化反应适宜的温度在20～30℃，反硝化适宜温度在30℃左右。亚硝酸菌最佳生长温度为35℃，硝酸菌的适宜温度为20～40℃。15℃以下时，硝化反应速度急剧下降。温度对反硝化速率的影响很大，低于5℃或高于40℃，反硝化的作用几乎停止。 4、碱度一般污水处理厂碱度应维持在200mg/L左右。 NH4++1.83O2+1.98HCO3-→0.021C5H7O2N+0.98NO3-+1.04H2O+1.884H2CO3

硝化与反硝化池

■K硝化池反硝化池主要是去除废水中的氨氮，同时降解废水中其他的污染物质。反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放出分子态氮（N）或一氧化二氮（NO）的过程。微生物和植物吸收利用硝酸盐有两种完全不同的用途，一是利用其中的氮作为氮源，称为同化性硝酸还原作用：NO —NH+f有机态氮。许多细菌、放线菌和霉菌能利用硝酸盐做为氮素营养。另一用途是利用N02和NO 为呼吸作用的最终电子受体，把硝酸还原成氮（2）,称为反硝化作用或脱氮作用：NO —NO-NT。能进行反硝化作用的只有少数细菌，这个生理群称为反硝化菌。大部分反硝化细菌是异养菌，例如脱氮小球菌、反硝化假单胞菌等，它们以有机物为氮源和能源，进行无氧呼吸，其生化过程可用下式表示： GH2Q+12NO—6HO+6C312NO+能量 CHCOOH+8N e6H2O+1OC04N+8OF+ 能量少数反硝化细菌为自养菌，如脱氮硫杆菌，它们氧化硫或硝酸盐获得能量，同化二氧化碳，以硝酸盐为呼吸作用的最终电子受体。可进行以下反应： 5S+6KNO2HX 3N2+K2SO+4KHSO ■硝化池这里的硝化主要是指生化处理工艺段的好养段，将氨氮氧化成亚硝酸氮或者硝态氮的过程。由于污水氨氮较高。该反应历程为：亚硝化反应］' （2-6）硝化反 N~O2~-h-02 (2-7)

总反应亚硝酸菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属。硝酸菌有硝酸杆菌属、硝酸球菌属。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌。发生硝化反应时细菌分别从氧化NH -N 和NO 「-N 的过程中获得能量，碳源来自无机碳化合物，如 CO 3 一、HCO 、CO 等。假定细胞的组成为 GH 7NO ，则硝化菌合成的化学计量关系可表示为：亚硝化反 15CQ TlONO/ +3C 5H ?NO a +22H + +4巴0 硝化反 + NH. +10NO ； T + (2-10) 工艺中采用了两段硝化工艺设施。最大限度上降低生化手段降低氨氮的浓度, 同时减少其他污染物的浓度。同时废水中的其他污染物质在两段反硝化 +硝化的过程中得到有效降解。血 3 +202——NO,+ 屮 + (2-8) (2-9)

微生物物质循环中作用

生态系统的物质循环带有全球性，又叫生物地球化学循环，是指生物圈中的各种化学元素，经生物化学作用在生物圈中的转化和运动，是推动地球向更有利于生物生存繁衍方向演化的巨大动力，是地球化学循环的重要组成部分。地球上的大部分元素都以不同的循环速度参与生物地球化学循环。高中生物讲述的物质循环有c、N、s的循环，受两个主要生物过程控制，一是光合生物对无机营养物的同化，二是后来进行的异养生物的矿化。微生物在有机物的矿化中起决定性作用，地球上有机物的矿化9O％都是由细菌和真菌完成的。一、C循环中微生物的作用在组成生物体的大量元素中，c是最基本的元素，接近生命有机体干物质重量的50％，碳循环是最重要的物质循环，也是生物圈总循环的基础。大气中C元素以CO2形式存在。在C的循环过程中，初级生产者把CO2转化为有机碳，初级生产者主要是绿色植物，还包括很多自养微生物，例如硝化细菌、光合菌等。有机碳被异养消费者利用，并进一步进行循环，部分有机化合物经呼吸作用被转化为CO2，初级生产者和其他营养级的生物残体最终被分解者分解而转化成CO2。分解者包括一些体型较大的蚯蚓、蜣螂等异养宏体动物和微生物参与，但微生物的作用最重要，在有0的情况下，宏体生物和微生物都能分解简单的有机物和生物多聚物(淀粉、果胶、蛋白质等)，但微生物是唯一在厌氧条件下进行有机物分解的生物，微生物能使非常丰富的生物多聚物得到分解，腐殖质、蜡和许多人造化合物只有微生物才能分解。二、N循环中微生物的作用及比较氮是植物肥料三要素之一，它在植物营养中占有极其重要的地位，作物产量的高低首要的因素是氮素的供应，空气中氮素的含量高达79％左右，但植物不能利用空气中游离的氮。植物的氮素来源于土壤，土壤可通过两种途径获得氮，一种是含氮肥料的施用，另一种是生物固氮，且以生物固氮为主。能固氮的生物是一些原核生物，例如共生的根瘤菌、自生的圆褐固氮菌，将空气中的氮还原成氨(NH，)，植物能直接吸收少量的NH，但NH不能在植物体内积累，因为氨的浓度过高对植物有毒害作用，所以NH要转化为铵态氮(NH4+)或在硝化细菌作用下转化为硝态氮(NO，

微生物脱氮原理

简介：介绍了生物脱氮基本原理及影响因素，为环境工作者掌握生物脱氮。废水中存在着有机氮、氨氮、硝态氮等形式的氮，而其中以氨氮和有机氮为主要形式。在生物处理过程中，有机氮被异养微生物氧化分解，即通过氨化作用转化为成氨氮，而后经硝化过程转化变为NO3-N和NO2-N，最后通过反硝化作用使硝态氮转化成氮气，而逸入大气。由此可见，进行生物脱氮可分为氨化－硝化－反硝化三个步骤。由于氨化反应速度很快。在一般废水处理设施中均能完成，故生物脱氮的关键在于硝化和反硝化。关键字：生物脱氮基本原理影响因素废水中存在着有机氮、氨氮、硝态氮等形式的氮，而其中以氨氮和有机氮为主要形式。在生物处理过程中，有机氮被异养微生物氧化分解，即通过氨化作用转化为成氨氮，而后经硝化过程转化变为NO3-N和NO2-N，最后通过反硝化作用使硝态氮转化成氮气，而逸入大气。由此可见，进行生物脱氮可分为氨化－硝化－反硝化三个步骤。由于氨化反应速度很快。在一般废水处理设施中均能完成，故生物脱氮的关键在于硝化和反硝化。 1 氨化作用 1.1 概念氨化作用是指将有机氮化合物转化为氨态氮的过程，也称为矿化作用。 1.2 细菌参与氨化作用的细菌成为氨化细菌。在自然界中，它们的种类很多，主要有好氧性的荧光假单胞菌和灵杆菌，兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。 1.3 降解方式（分好氧和厌氧）在好氧条件下，主要有两种降解方式，一是氧化酶催化下的氧化脱氨。例如氨基酸生成酮酸和氨： [2-1] 丙氨酸亚氨基丙酸法丙酮酸另一是某些好氧菌，在水解酶的催化作用下能水解脱氮反应。例如尿素能被许多细菌水解产生氨，分解尿素的细菌有尿八联球菌和尿素芽孢杆菌等，它们式好氧菌，其反应式如下： [2-2]

硝化与反硝化

硝化与反硝化利用好氧颗粒污泥实现同步硝化反硝化 1 生物脱氮与同步硝化反硝化在生物脱氮过程中，废水中的氨氮首先被硝化菌在好氧条件下氧化为NO-X，然后NO-X 在缺氧条件下被反硝化菌还原为N2(反硝化)。硝化和反硝化既可在活性污泥反应器中进行，又可在生物膜反应器中进行，目前应用最多的还是活性污泥法。硝化菌和反硝化菌处在同一活性污泥中，由于硝化菌的好氧和自养特性与反硝化菌的缺氧和异养特性明显不同，脱氮过程通常需在两个反应器中独立进行(如Bardenpho、UCT、双沟式氧化沟工艺等)或在一个反应器中顺次进行(如SBR)。当混合污泥进入缺氧池(或处于缺氧状态)时，反硝化菌工作，硝化菌处于抑制状态；当混合污泥进入好氧池(或处于好氧状态)时情况则相反。显然，如果能在同一反应器中使同一污泥中的两类不同性质的菌群(硝化菌和反硝化菌)同时工作，形成同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification Denitrification简称SND)，则活性污泥法的脱氮工艺将更加简化而效能却大为提高。此外从工程的角度看，硝化和反硝化在两个反应器中独立进行或在同一个反应器中顺次进行时，硝化过程的产碱会导致OH-积累而引起pH值升高，将影响上述两阶段反应过程的反应速度，这在高氨氮废水脱氮时表现得更为明显。但对SND工艺而言，反硝化产生的OH-可就地中和硝化产生的H+，减少了pH值的波动，从而使两个生物反应过程同时受益，提高了反应效率。 2 实现同步硝化反硝化的途径由于硝化菌的好氧特性，有可能在曝气池中实现SND。实际上，很早以前人们就发现了曝气池中氮的非同化损失(其损失量随控制条件的不同约在10%～20%左右)，对SND的研究也主要围绕着氮的损失途径来进行，希望在不影响硝化效果的情况下提高曝气池的脱氮效率。

微生物问答题

微生物问答题 1.含碳有机物分解转化特点 2.纤维素分解微生物有哪些 3.参与淀粉向乙醇转化中的微生物 4.木质素降解微生物主要类型 5.硝化、氨化、反硝化、固氮作用 6.硫化、反硫化作用 7.硫循环与水体黑臭、管道腐蚀的关系 8.自然界磷化氢形成机制 9.水管铁锈形成机制 10.甲基汞的形成机制 11.污水微生物处理的形式 12.活性污泥的微生物群体组成，菌胶团细菌优势类型 13.活性污泥对有机物处理的3个步骤 14.活性污泥中原生动物和后生动物在污水处理中的作用 15.好氧生物膜中的微生物群落类型及其功能 16.好氧生物膜对有机物的净化过程 17.有机物厌氧降解为甲烷的三价段四类群理论 18.污水生物脱氮及其类型 19.聚磷菌特性及污水生物除磷过程机制 1、含碳有机物分解转化特点答：微生物对含碳有机物的分解转化特点 1）纤维素、淀粉、脂肪等：易降解；分解微生物类型多样，自然界广泛存在；分解速率快，循环速率快 2）木质素：较难降解；分解微生物类型以真菌为主；分解速率较慢，循环速率慢 3）石油烃、芳香烃：难降解；分解微生物种类单一，需特别驯化；分解速率很慢，循环速率非常慢 2、纤维素分解微生物有哪些答:1)细菌: A、好氧纤维素分解菌中，黏细菌最多，有生孢食纤维菌、食纤维菌及堆囊黏菌。革兰氏阴性菌，生孢食纤维菌中的球形生孢食纤维菌和椭圆形生孢食纤维菌较常见; B、镰状纤维菌和纤维弧菌。; C、厌氧的有产纤维二糖芽孢梭菌(Clostridium cellobioparum)、无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌(Clostridium thermocellum)，是专性厌氧菌。 2）真菌：青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。 3）放线菌：链霉菌属(Streptomyces)。 3、参与淀粉向乙醇转化中的微生物答：根霉和曲霉是糖化菌，先转化为葡萄糖，接着由酵母菌将葡萄糖发酵为乙醇和二氧化碳。 4、木质素降解微生物主要类型答：分解木质素的微生物主要是：

硝化反硝化

A、硝化反应过程：在有氧条件下，氨氮被硝化细菌所氧化成为亚硝酸盐和硝酸盐。他包括两个基本反应步骤：由亚硝酸菌（Nitrosomonas sp）参与将氨氮转化为亚硝酸盐的反应；硝酸菌（Nitrobacter sp）参与的将亚硝酸盐转化为硝酸盐的反应，亚硝酸菌和硝酸菌都是化能自养菌，它们利用CO2、CO32-、HCO3-等做为碳源，通过NH3、NH4+、或NO2-的氧化还原反应获得能量。硝化反应过程需要在好氧（Aerobic或Oxic）条件下进行，并以氧做为电子受体，氮元素做为电子供体。其相应的反应式为：亚硝化反应方程式： 55NH4++76O2+109HCO3→C5H7O2N﹢54NO2-+57H2O+104H2CO3 硝化反应方程式： 400NO2-+195O2+NH4-+4H2CO3+HCO3-→C5H7O2N+400NO3-+3H2O 硝化过程总反应式： NH4-+1.83O2+1.98HCO3→0.021C5H7O2N+0.98NO3-+1.04H2O+1.884H2CO3 通过上述反应过程的物料衡算可知，在硝化反应过程中，将1克氨氮氧化为硝酸盐氮需好氧4.57克（其中亚硝化反应需耗氧3.43克，硝化反应耗氧量为1.14克），同时约需耗7.14克重碳酸盐（以CaCO3计）碱度。在硝化反应过程中，氮元素的转化经历了以下几个过程：氨离子NH4-→羟胺NH2OH→硝酰基NOH→亚硝酸盐NO2-→硝酸盐NO3-。 B、反硝化反应过程：在缺氧条件下，利用反硝化菌将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气而从无水中逸出，从而达到除氮的目的。反硝化是将硝化反应过程中产生的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气的过程，反硝化菌是一类化能异养兼性缺氧型微生物。当有分子态氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体，当无分子态氧存在时，反硝化细菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的N3+和N5+做为电子受体，O2-作为受氢体生成水和OH-碱度，有机物则作为碳源提供电子供体提供能量并得到氧化稳定，由此可知反硝化反应须在缺氧条件下进行。从NO3-还原为N2的过程如下： NO3-→NO2-→NO→N2O→N2 反硝化过程中，反硝化菌需要有机碳源（如碳水化合物、醇类、有机酸类）作为电子供体，利用NO3-中的氧进行缺氧呼吸。其反应过程可以简单用下式表示： NO3-+4H(电子供体有机物)→ 1/2N2+H2O+2OH- NO2-+3H(电子供体有机物)→ 1/2N2+H2O+OH- 污水中含碳有机物做为反硝化反应过程中的电子供体。由上式可知，每转化1gNO2-为N2时，需有机物（以BOD表示）1.71g;每转化1gNO3-为N2时，需有机物（以BOD表示）2.86g。同时产生3.57g重碳酸盐碱度（以CaCO3计）。如果污水中含有溶解氧，为使反硝化完全，所需碳源有机物（以BOD表示）用下式计算： C=2.86Ni+1.71N0+DO0 其中： C为反硝化过程有机物需要量（以BOD表示），mg/l; Ni为初始硝酸盐氮浓度（mg/l） N0为初始亚硝酸盐氮浓度（mg/l） DO0为初始溶解氧浓度（mg/l）如果污水中碳源有机物浓度不足时，应补充投加易于生物降解的碳源有机物（甲醇、乙醇或糖类）。以甲醇为例，则 NO3-+1.08CH3OH+0.24H2CO3→0.056C5H7O2N+0.47N2↑+1.68H2O+HCO3- 如果水中有NO2-,则会发生下述反应： NO2-+0.67CH3OH+0.53H2CO3→0.04C5H7O2N+0.48N2↑+1.23H2O+HCO3- 由上式可见，每还原1gNO2-和1gNO3-分别需要消耗甲醇1.53g和2.47g。当水中有溶解氧存在时，氧消耗甲醇的反应式为： O2+0.93CH3OH+0.056NO3-→0.056C5H7O2N+1.64H2O+0.056HCO3-+0.59H2CO3 综上所述，可得反硝化过程需要有机碳源（甲醇）的投加量公式为：

硝化与反硝化去除氨氮的原理

硝化与反硝化去除氨氮的原理 Prepared on 22 November 2020

硝化与反硝化去除氨氮操作一、硝化与反硝化的作用机理： 1、硝化细菌包括亚硝化菌和硝化菌，亚硝化菌将废水中的NH3转化为亚硝酸盐，硝化菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐，称为硝化作用。硝化作用必须通过这两类菌的共同作用才能完成。 2、反硝化菌将硝酸盐转化为N2、NO、N2O，称为反硝化作用。 3、硝化细菌必须在好氧条件下作用。 4、反硝化菌必须在无氧或缺氧的条件下进行。二、作用方程式：硝化反应： 2NH3＋3O2――（亚硝化菌）――2HNO2＋2H2O＋能量（氨的氧化） 2HNO2＋O2――（硝化菌）――2HNO3＋能量（亚硝酸的氧化）反硝化反应： NO3— +CH3OH —— N2 + CO2+H2O+ OH—（以甲醇作为C源）三、操作： 1、将购买的硝化菌投加到曝气池5、6#，亚硝化菌投加到曝气池1、 2、 3、4#，反硝化菌投加到厌氧池。 2、控制指标：生物硝化 ①PH值：控制在— ②温度：25—30℃ ③溶氧：2—4mg/L

④污泥停留时间：必须大于硝化菌的最小世代时间，一般应大于2小时生物反硝化： ①PH值：控制在— ②温度：25—30℃ ③溶氧：L ⑤机碳源：BOD5/TN＞（3—5）过低需补加碳源

生物脱氮机理污水生物脱氮的基本原理就是在将有机氮转化为氨态氮的基础上，先利用好氧段经硝化作用，由硝化细菌和亚硝化细菌的协同作用，将氨氮通过硝化作用转化为亚硝态氮、硝态氮，即，将转化为和。在缺氧条件下通过反硝化作用将硝氮转化为氮气，即，将（经反亚硝化）和（经反硝化）还原为氮气，溢出水面释放到大气，参与自然界氮的循环。水中含氮物质大量减少，降低出水的潜在危险性，达到从废水中脱氮的目的。 ○1硝化——短程硝化：硝化——全程硝化（亚硝化+硝化）： ○2反硝化——反硝化脱氮：反硝化——厌氧氨氧化脱氮：反硝化——厌氧氨反硫化脱氮：废水中氮的去除还包括靠微生物的同化作用将氮转化为细胞原生质成分。主要过程如下：氨化作用是有机氮在氨化菌的作用下转化为氨氮。硝化作用是在硝化菌的作用下进一步转化为硝酸盐氮。其中亚硝酸菌和硝酸菌为好氧自养菌，以无机碳化合物为碳源，从或的氧化反应中获取能量。其中硝化的最佳温度在纯培养中为25-35℃，在土壤中为30-40℃，最佳pH值偏碱性。反硝化作用是反硝化菌（大多数是异养型兼性厌氧菌， DO

硝化菌的培养方法

硝化菌的培养方法硝化反应影响因素： 1、温度在生物硝化系统中，硝化细菌对温度的变化非常敏感，在5～35℃的范围内，硝化菌能进行正常的生理代谢活动。当废水温度低于15℃时，硝化速率会明显下降，当温度低于10℃时已启动的硝化系统可以勉强维持，硝化速率只有30℃时的硝化硝化速率的25%[1]。尽管温度的升高，生物活性增大，硝化速率也升高，但温度过高将使硝化菌大量死亡，实际运行中要求硝化反应温度低于３８℃[2]。 2、pH值硝化菌对pH值变化非常敏感，最佳pH值是8.0～8.4，在这一最佳pH值条件下，硝化速度，硝化菌最大的比值速度可达最大值。Anthonison认为pH对硝化反应的影响只是表观现象，实际起作用是两个平衡H++NH3 = NH4+和H++NO2-= HNO2中的NH3（FA）和HNO2（FNA），pH通过这两个平衡影响FA 和FNA的浓度起作用的。 3、溶解氧氧是硝化反应过程中的电子受体，反应器内溶解氧高低，必将影响硝化反应得进程。在活性污泥法系统中，大多数学者认为溶解氧应该控制在1.5～2.0mg/L内，低于0.5mg/L则硝化作用趋于停止。当前，有许多学者认为在低DO（1.5mg/L）下可出现SND现象。在DO＞2.0mg/L，溶解氧浓度对硝化过程影响可不予考虑。但DO浓度不宜太高，因为溶解氧过高能够导致有机物分解过快，从而使微生物缺乏营养，活性污泥易于老化，结构松散。此外溶解氧过高，过量能耗，在经济上也是不适宜的。 4、生物固体平均停留时间（污泥龄）为了使硝化菌群能够在连续流反应器系统存活，微生物在反应器内的停留时间（θc）N必须大于自养型硝化菌最小的世代时间（θc）minN，否则硝化菌的流失率将大于净增率，将使硝化菌从系统中流失殆尽。一般对（θc）N的取值，至少应为硝化菌最小世代时间的2倍以上，即安全系数应大于2。 5、重金属及有毒物质除了重金属外，对硝化反应产生抑制作用的物质还有：

微生物习题

第一章绪论一、填空题 1、微生物与人类关系的重要性，你怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利的双刃剑，它们在给人类带来的同时也来来。 2、1347年的一场由引起的瘟疫几乎摧毁了整个欧洲，有1/3的人（约2500万人）死于这场灾难。 3、2003年SARS在我国一些地区迅速蔓延，正常的生活和工作节奏严重地被打乱，这是因为SARS有很强的传染性，它是由一种新型的所引起。 4、微生物包括：细胞结构不能独立生活的病毒、亚病毒（类病毒、拟病毒、朊病毒）；具细胞结构的真细菌、古生菌；具细胞结构的真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、单细胞藻类、原生动物等。 5、世界上第一个看见并描述微生物的人是__ ___商人__ ___。 6、微生物学发展的奠基者是___ 的 ____，他对微生物学的建立和发展作出卓越的贡献，主要集中体现_____、____和__ ___。 7、公元6世纪（北魏时期），我国贾思勰的巨著“”详细地记载了制曲、酿酒、制酱和酿醋等工艺。 8、被称为细菌学奠基者是__ __国的_____ ____，他也对微生物学建立和发展作出卓越贡献，主要集中体现_______和__ ____。 9、20世纪中后期，由于微生物学的、等技术的渗透和应用的拓宽及发展，动、植物细胞也可以像微生物一样在平板或三角瓶中分离、培养和在发酵罐中进行生产。 10、目前已经完成基因组测序的3大类微生物主要是、及。二、选择题 1、当今，一种新的瘟疫正在全球蔓延，它是由病毒引起的（）。（1）鼠疫（2）天花（3）艾滋病（AIDS）（4）霍乱 2、微生物在整个生物界的分类地位，无论是五界系统，还是三域（domain）系统，微生物都占据了（）的“席位”。（1）少数（2）非常少数（3）不太多（4）绝大多数 3、微生物学的不断发展，已形成了基础微生物学和应用微生物学，它又可分为（）的分支学科。

环境微生物作业,硝化,反硝化细菌

反硝化细菌和反硝化聚磷菌在污水处理中的运用摘要：微生物法在污水处理过程中起到十分重要的作用。其中反硝化细菌与反硝化聚磷菌在污水处理中运用更为广泛，本文就对这两种细菌的研究情况作一些简单概述。关键词：反硝化细菌；反硝化聚磷菌；自养反硝化；好氧反硝化随着人类生活水平的不断提高和工业生产的快速发展，带来越来越严重的水质污染问题。寻求新的高效污水处理办法也是现在的一大研究方向，微生物处理法在污水处理中有着广泛的运用。本文着重介绍两种细菌：反硝化细菌和反硝化聚磷菌在污水处理中的一些运用。一．反硝化细菌反硝化细菌(Denitrifying bacteria) 是一类兼性厌氧微生物,当处于缺氧环境时,反硝化细菌可用硝酸盐、氮化物等作为末端电子受体。有些反硝化细菌能还原硝酸盐和亚硝酸盐,有些反硝化细菌只能将硝酸盐还原为亚硝酸盐。反硝化细菌与污水除氮原理：污水中的含氮有机物经过异养菌的氨化作用转变为氨氮,再经过硝化细菌的硝化作用将氨氮转变为亚硝酸盐和硝酸盐态氮,最后经过反硝化细菌的反硝化作用将亚硝酸盐和硝酸盐还原为NO、N 2 O ,并最终变为N 2 ,从而将含氮物质从污水处理系统中排出。当环境中有分子态氧存在时,反硝化细菌氧化分解有机物,利用分子态氧作为最终电子受体。在无分子态氧存在下,反硝化细菌利用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体,有机物则作为碳源及电子供体提供能量。在污水处理中,当溶解氧(DO) 小于或等于0.15mgPL 情况下,反硝化细菌利用污水中的有机碳源(污水中的BOD) 作为氢供体,以硝酸态盐作为电子受体,将硝酸盐还原为NO、N 2O 或N 2 ,这既可消除污水中的氮,又可恢复环境的pH 稳定性,对污水处理系统的正常运行起重要作用。在污水处理中反硝化细菌种类很多。影响污水脱氮过程中反硝化反应的因素： 1.有机碳源：一般认为,当污水中的BOD 5 PT2N 值> 3～5 时,即可认为碳源是充足的,此时不需要补充外加碳源。甲醇作为碳源时反硝化速率高,被分解后的产物为 CO 2和 H 2 O ,但处理费用较高。污水处理系统中碳源的种类不同可导致反硝化细菌的类群及反硝化活性不同。

硝化细菌的培养及作用

硝化细菌的培养及作用近年来，硝化细菌已逐渐成为水产养殖界的热门话题，它在水产养殖中的重要性开始引起广泛的注意。可以说，迄今为止，在大规模、集约化的水产养殖模式中，如果没有硝化细菌参与其中的净水作用，想获得成功的养殖，是相当困难的。鱼、虾等水产动物吃、喝、排泄、生活、休息都是在水体中进行的，那么，如何管理水体的水质以便适合它的生长、生存、健壮就成了重要的问题。尤其是现代集约化养殖长期累积了大量养殖生物排泄物，所有有机物的排泄物，甚至其尸体，在异养性细菌的作用下，其中的蛋白质及核酸会慢慢分解，产生大量氨等含氮有害物质。氨在亚硝化菌或光合细菌作用下转化成亚硝酸，亚硝酸与一些金属离子结合以后可以形成亚硝酸盐，而亚硝酸盐又可以和胺类物质结合，形成具有强烈致癌作用的亚硝胺。因此，亚硝酸盐常与恶名昭彰的氨相提并论，由于亚硝酸盐长期蓄积中毒，会使鱼、虾等抗病力降低，易招致各种病原菌的侵袭，故常被视为是鱼、虾的致病根源。然而，当亚硝酸在硝化菌的硝化作用下转变成硝酸后，很容易形成硝酸盐，从而成为可以被植物吸收利用的营养物质。所以说，硝化细菌与养殖环境的关系十分密切。目前市面上宣称具有硝化作用的一些异养菌及真菌，虽然也能将氨氧化成硝酸盐，但通常只能利用有机碳源获取能量，不能利用无机碳源，其对氨的氧化作用十分微弱，反应速率远比自养性硝化细菌慢，不能被视为真正的硝化作用。硝化作用必须依赖于自养性硝化细菌来完成。养殖池中有丰富的氮源，原本很适于硝化细菌生长，不过由于养殖池中存在大量的异养菌，受到异养性细菌的排斥作用，适合硝化细菌栖息的地方，相对自然环境显然少得多，因此无足够数量的自养性硝化细菌来消费过量的亚硝酸氮，这就是问题所在。硝化细菌系指利用氨或亚硝酸盐作为主要生存能源，以及能利用二氧化碳作为主要碳源的一类细菌。硝化细菌是古老的细菌之一，其广泛分布于土壤、淡水、海水及污水处理系统中，却在自然界鲜少大量出现，原因在于硝化细菌的分布会受到许多环境因素的影响，如氮源、温度、氧气浓度、渗透压、酸碱度和盐度等等。硝化细菌分为亚硝化菌与硝化菌，亚硝化菌的主要功能是将氨氮转化为亚硝酸盐；硝化菌的主要功能是将亚硝酸盐转化为硝酸盐。氨氮和亚硝酸盐都是在水产养殖过程中产生的有毒物质且亚硝酸盐还是强烈的治癌物质，因此如何降解这两种物质，是科学工作者近年来的工作重点，由于亚硝化菌的生长速度比较快且光合细菌也具有降解氨氮的作用，因此现代养殖已能成功地将氨氮控制在较低的水平上。而对于亚硝酸盐，由于自然界中的硝化菌生长极慢且还没有发现有其它的任何微生物可代替硝化菌的功能，所以养殖过程中产生的亚硝酸盐就成为阻碍养殖发展的关键因素。在此当中，硝化细菌就起到了关键的作用。

微生物的硝化作用

高级微生物学综述微生物的硝化作用学生姓名：任伟帆学号：4 指导教师：唐文竹所在学院：生物工程学院专业：生物学

大连工业大学微生物的硝化作用摘要：本文主要介绍了硝化作用微生物的种类,包括氨氧化菌、亚硝酸氧化菌、异养氨氧化菌和厌氧氨氧化菌。分析了硝化微生物的系统发育，还介绍了在硝化作用微生物生态学研究进展，以及同类群细菌中与硝化作用相关的酶类。文章的最后还分析了微生物脱氮在污水处理中的应用。关键词：氨氧化细菌；系统发育分析；硝化作用；微生物脱氮 Microbial nitrification Abstract:This paper introduces the types of nitrifying microorganisms, including ammonia-oxidizing bacteria, nitrous acid, oxidizing bacteria, heterotrophic ammonia-oxidizing bacteria and anaerobic ammonium-oxidizing bacteria. The phylogenetic analysis of microbes was also studied, as well as advances in microbial ecology of nitrification and the enzymes associated with nitrification in the same group of bacteria. Finally, the application of microbial denitrification in sewage treatment was analyzed. Key words： ammonia-oxidizing bacteria; phylogenetic analysis; nitrification; microbial denitrification 前言氮元素在自然界中大量存在，是非常丰富的元素之一,它在自然界中主要以分子氮、有机氮化合物和无机氮化合物的形式存在。它们在微生物、动物、植物体内相互转移、转化，构成了氮循环[1]。而微生物在其中起着非常重要的作用，主要通过氨化作用、硝化作用、反硝化作用以及固氮作用来实现的。而目前，水体污染越远越严重，处理难度越来越大，生物处理工艺受到了更多的重视。因此，通过深入分析硝化作用微生物的种类及作用机理，不断改进生物脱氮工艺具有重要意义。

第十三章微生物物种的多样性

第十三章微生物物种的多样性生物多样性包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性等。它们是由进化而形成的，不仅直接为人类提供了食品、药物、纺织品、燃料、材料等，而且还通过参与物质循环来维持地球上生命所必需的生存环境。因此，保护生物的多样性，就是保护人类自己。微生物多样性是生物多样性的重要组成部分，而且有其独特之处，起着不可替代的作用。前几章已对微生物遗传多样性、生态系统多样性等作了阐述。本章将阐明其物种的多样性，简要的介绍原核微生物(真细菌、古生菌)和真核微生物(真菌、粘菌、单细胞藻类、原生动物)的多样性。第一节真细菌的多样性一、真细菌系统发育总观对细菌的系统发育以往的概念是根据类群的表型特征(主要是形态特征和生理生化特征及少量的遗传特征)来判断它们的系统发育和进化途径。而通过细菌16s rRNA的序列分析已经揭示出，不同细菌本身保守的16SrRNA寡核苷酸序列才是识别系统发育的标记。据此，细菌的系统发育包括12个独特的类群(图13-1)。图13-1 细菌的系统发育树类群1. 紫色光合细菌及其有关细菌：目前将类群1称为变形细菌(Proteobacterium)。是细菌中包括的属最多而且在生理特性上最具有多样性，由α、β、γ、δ、和ε5个亚门组成。其中能进行光合作用的紫色细菌包括在α、β和γ3个亚门中，但一些有机化能营养的属，如：埃希氏菌属、假单胞菌属、醋单胞菌属和一些无机化能营养的属，如：硝化杆菌属、亚硝化单胞菌属、贝日阿托氏菌属等也包括在这3个亚门中。δ和ε2个亚门只包括非光合作用的细菌。尽管所有的肠道细菌、大多数的假单胞菌、自生和共生固氮细菌以及大多数化能无机营养细菌在形态、生理和生态分布的表型上与紫色细菌有明显的区别，但是，在系统发育上却都与紫色细菌有关。由紫色细菌谱系可以引申出各种各样在生理特性和生态分布上有差异的重要细菌。16s rRNA 序列分析的结果指明，AAAUUGG序列用以鉴别α亚门的紫色细菌；CYUUACACAUG(Y表示任意一个嘧啶)是β亚门的序列特征；ACUAAAACUCAAAG序列存在于大多数δ亚门紫色细菌的16SrRNA中。目前尚未发现γ和ε亚门的特殊特征。类群2.绿硫细菌：由于绿硫细菌具有独特的光合色素(菌绿素c或d)、绿色体(chlorosome)以及其自养代谢，所以绿硫细菌与其它细菌之间缺乏密切的系统发育关系。绿菌属的所有种均不运动，只有绿色细菌类群中的绿滑菌属（Chloroherpeton）以滑行运动。寡核苷酸AUACAAUG序列是绿色细菌的特征性识别标记。类群3.无硫绿细菌：从生理特性、所含色素和细胞的细微结构上看，绿曲挠菌属(Chloroflexus)与绿菌属关系密切，但在系统发育上无关系。绿屈挠菌群包括两个非光合作用的属，即滑柱菌属(Herpetosiphon)和高温微菌属(Thermomicrobium),它们是细菌中一个独特和古老的谱系。CCUAAUG寡核苷酸序列为无硫绿细菌提供了一个标记。类群4.蓝细菌：

污水处理微生物硝化菌种

微生物污水处理硝化菌种硝化菌种- GANDEW-DEN 硝化细菌统归于硝化杆菌9个属：硝化杆菌属、硝化刺菌属、硝化球菌属、亚硝化单胞菌属、亚硝化螺菌属、亚硝化球菌属和亚硝化叶菌属，共14种,除上述9属外还有另外2属（硝化螺菌属Nitrospira和亚硝化弧菌属共20种。硝化作用分为两个阶段，即亚硝化（氨氧化）和硝化（亚硝酸氧化），分别由两类化能自养微生物完成，亚硝化细菌进行氨的氧化，硝化细菌完成亚硝酸氧化。 GD硝化细菌是由5个属共27种不同的硝化细菌组成的复合菌系，所以可以在不同的污水水质中选择性的筛选驯化出合适的硝化污泥，适用面及其广阔。成分分析： 1.主要菌珠为硝化杆菌属和亚硝化单胞菌属； 2.性状为牙白色粉末状。应用范围：广泛应用于各种二级处理工艺中好氧处理阶段，广泛应用生活污水、食品加工厂、屠宰废水、养殖场废水、焦化废水、制革废水、印染废水、垃圾渗滤液等高氨氮废水处理。功效分析： 1.高效将氨氮先氧化成亚硝酸氮再氧化成硝酸氮； 2.加速污水中的污泥沉降，增大污泥絮体颗粒，调整污泥絮体结构； 3.选择性筛选出合适的特异性强的硝化细菌，从而缩短驯化时间，增加硝化效率。 4.可与反硝化系统联动，形成共生互补作用，提高系统脱氮能力； 5.有效抑制病毒、病菌与寄生虫； 6.针对藻类过度繁殖的水体，能够大量消耗氮素营养，切断藻类氮素营养，抑制藻类繁殖，有效净化水体与良好水色； 7. 大自然中筛选出的菌种结合顶尖驯化技术，繁殖迅速，应激能力强，能因应恶劣环境自然进化；

8.在好氧及缺氧条件下均可进行硝化反应，其中缺氧硝化效果较弱。方法用量： 1.使用量：按好氧构筑单元有效容积800ppm-1000ppm，投加比例可以依污水情况适量增减。其中河道治理和市政污水投加比例一般控制在100ppm-300ppm。 2.按照1:6比例和污水溶解，投加到好氧段池体中，曝气量控制在溶解氧达到 3.5-4左右，经过24小时，使微生物激活，附著菌床并进行繁殖，达到活跃状态。 3.建议采用阶段式调试进水，以减小对微生物之冲击，运行初期打开正常进水量的1／3，后期逐步增加水量直至满负荷运行，时间一般为两周。如进水量设计负荷偏小，则可一次性全开。 4.监测与调适系统运行，约30天后查看系统是否稳定即可。使用参数：经测试表明，以下物理和化学参数对细菌成长最有效： pH值：作用范围为6～9之间，最佳使用范围在7.8～8.2之间。温度：作用范围在10℃～35℃之间，最佳作用温度为25-30℃。高于40℃会导致细菌内酶的变性；低于10 ℃时，细胞生长会受到很大的限制。溶解氧：在污水处理中的反硝化池，溶氧量为0.5毫克/升以下。盐度：在海水和淡水中都适用，最高可耐受35g/L的盐度（以氯化钠计）。抗毒性：可以较有效地抵抗化学毒性物质，包括余氯、氰化物和重金属等。当受污染区含有杀菌剂时，应预先研究它们对微生物的作用。注意事项： 1.应密封贮存于阴凉、干燥处，远离火源，同时不要与有毒物品一起存放。接触产品后，应用热肥皂水将手洗净，以避免吸入或接触眼部； 2.在推荐的储存条件下，保质期为2年； 3.受污染区含有杀菌剂或其他有毒试剂时，应预先研究它们对微生物的作用； 4.特殊情况包括但不限于水质中存有大量毒性物质、不明生物体、浓度过高等。

第九章微生物生态答案

第八章习题答案一.名词解释 1.硝化作用：氨态氮经硝化细菌的氧化,转化为硝酸态氮的过程. 2土壤微生物区系：指在某一特定环境和生态条件下的土壤微生物所存在的微生物种类,数量以及参与物质循环的代谢物质强度. 3 土著性微生物：指土壤中那些对新鲜有机物质不很敏感的微生物,如革兰氏阳性球菌,色杆菌,芽孢杆菌,节杆菌,分支杆菌,放线菌,青霉,曲霉和从霉,他们常年维持在某一数量水平上,即使由于有机物质的加入或温度,湿度等变化而引起数量变化,其数量变化也很少. 4发酵性微生物：指土壤中那些对新鲜有机物质很敏感的微生物,在有新鲜动植物残体存在是可爆发性的旺盛发育,而在新鲜残体消失后又很快消退的微生物,包括各类革兰氏阳性阴性无芽孢杆菌,酵母菌,芽孢杆菌,链霉菌和根霉等. 5 生物降解：是指环境微生物被生物主要是微生物分解为小分子物质甚至是彻底分解为CO2和水的过程. 6 BOD5 ：表示在20℃下，1L污水中的有机物进行微生物氧化时5天所消耗溶解氧的毫克数。 7 COD：化学需氧量，是指采用强氧化剂将1升污水中的有机物完全氧化后所消耗氧的毫克数。 8根土比：即根际微生物数量与非根际土壤微生物数量的比值来表示。 9根圈：也称根际，指生长中的植物根系直接影响的土壤范围。二．填空 1．微生物之间的相互关系有:偏利共栖,互利共栖,共生关系,竞争关系,拮抗关系,寄生关系和捕食等. 2．根际微生物对植物的有益影响有::改善对植物的营养源,产生生长调节物调节植物生长,分泌抗生素类物质抑制植物潜在病原菌生长和增加矿物质的溶解性. 3.沼气发酵的三个阶段分别由厌氧或兼性厌氧的水解性细菌或发酵性细菌、产酸产乙酸的细菌群、严格厌氧的产甲烷菌群三种菌群的作用。 4.我国生活饮用水水质标准规定1L水中大肠杆菌群数不超过3个 5．细胞型微生物包括的主要类群为细菌，放线菌，霉菌，酵母菌。 6一种种群因另一种种群的存在或生命活动而得利，而后者没有从前者受益或受害，此两种群之间的关系为___偏利作用___。三. 判断 1. 在制作泡菜和青贮饲料过程中存在有拮抗关系。（正确） 2. 反硝化作用只有在无氧条件下进行。（正确） 3有机物质是产生沼气的物质基础，产甲烷细菌可以利用大分子有机物质做为碳源。（错误）4协同共栖的两个物种生活在一起时彼此受益，互相获得利，是一种互生关系。（正确）四. 单选题 1. 亚硝化细菌和硝化细菌的关系可称为：（A） A 协同共栖 B偏利共栖 C 共生D中立 2.下述那个过程需要亚硝化细菌和硝化细菌：（D） A 脱氮作用 B 氨化作用 C固氮作用 D 硝化作用 3. 下述那种方法处理污水可产生甲烷：（C） A 曝气池 B 活性污泥 C 厌氧消化 D 生物转盘法 4.缺钼可能影响那个过程：（D）

(推荐)硝化与反硝化池

■反硝化池反硝化池主要是去除废水中的氨氮，同时降解废水中其他的污染物质。反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放出分子态氮（N 2 ）或一氧化二氮（N 2 O）的过程。微生物和植物吸收利用硝酸盐有两种完全不同的用途，一是利用其中的氮作为氮源，称为同化性硝酸还原作用：NO 3-→NH 4 +→有机态氮。许多细菌、放线菌和霉菌能利用硝酸盐做为氮素营养。另一用途是利用NO2-和NO 3 - 为呼吸作用的最终电子受体，把硝酸还原成氮（N 2 ），称为反硝化作用或脱氮作用：NO 3-→NO 2 -→N 2 ↑。能进行反硝化作用的只有少数细菌，这个生理群称为反硝化菌。大部分反硝化细菌是异养菌，例如脱氮小球菌、反硝化假单胞菌等，它们以有机物为氮源和能源，进行无氧呼吸，其生化过程可用下式表示： C 6H 12 O 6 +12NO 3 -→6H 2 O+6CO 2 +12NO 2 -+能量 CH 3COOH+8NO 3 -→6H 2 O+10CO 2 +4N 2 +8OH-+能量少数反硝化细菌为自养菌，如脱氮硫杆菌，它们氧化硫或硝酸盐获得能量，同化二氧化碳，以硝酸盐为呼吸作用的最终电子受体。可进行以下反应： 5S+6KNO 3+2H 2 O→3N 2 +K 2 SO 4 +4KHSO 4 ■硝化池这里的硝化主要是指生化处理工艺段的好养段，将氨氮氧化成亚硝酸氮或者硝态氮的过程。由于污水氨氮较高。该反应历程为：亚硝化反应(2-6) 硝化反应 (2-7)

总反应式(2-8)

亚硝酸菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属。硝酸菌有硝酸杆菌属、硝酸球菌属。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌。发生硝化反应时细菌分别从氧化NH 3-N和NO 2 －-N的过程中获得能量，碳源来自无机碳化合物，如CO 3 2 －、HCO－、CO 2等。假定细胞的组成为C 5 H 7 NO 2 ，则硝化菌合成的化学计量关系可表示为：亚硝化反应(2-9) 硝化反应 (2-10) 工艺中采用了两段硝化工艺设施。最大限度上降低生化手段降低氨氮的浓度，同时减少其他污染物的浓度。同时废水中的其他污染物质在两段反硝化+硝化的过程中得到有效降解。（注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）

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