低温微生物及其在环境工程中的应用

主要介绍了低温微生物的族群构成,对低温微生物在环境工程中的应用做详尽分析。     

废水生物脱氮低温硝化研究进展

叙述了低温对硝化效果的影响和低温对硝化微生物的作用机理,低温下污水生物处理过程中硝化效率显著下降,从而影响出水水质。总结了国内外提高低温硝化效果的强化措施,并指出未来可从低温酶活响应机制、多领域交叉研究及AOA古菌等方面着手研究低温硝化。     

石油烃污染场地低温修复机制研究进展

生物修复一直是石油烃污染场地修复技术的研究热点,已经取得了很多实验和理论认知。但是,现有研究主要集中在中高温环境下,而在实地修复中,生物修复往往要跨越中低温期,此时,无论是土著还是外源微生物的生理特性都将发生改变;由于细胞活力低,这一时期经常在修复过程中被忽视,或是采用缺乏针对性的常规工艺而事倍功半。本文围绕低温生物修复技术,概述了低温石油烃降解微生物的研究现状,重点介绍了长链烷烃、苯及其同系物、多环芳烃三大类典型石油烃的低温代谢机制和主要代谢途径;在此基础上,从脂肪酸的组成、蛋白的低温表达、特殊蛋白的合成以及酶的结构适应性等4个方面,进一步剖析了低温环境下细胞生理生化特性的微观变化,这种低温微生物独有的适冷机制决定了其特有的低温降解特性,并成为低温修复的核心。分析表明,低温期生物修复应该得到足够重视：一方面,充分而合理地利用漫长的低温期,针对性实施低温期受控修复,提高营养盐利用率,可以有效提高生物修复效率;另一方面,深入研究细胞低温代谢和适冷机制有助于指导低温修复手段的实施,将成为切实可行的发展方向。     

低温条件微生物沉积碳酸钙试验研究

研究表明微生物固化技术可用于砂土固化及混凝土材料修复等方面,但由于微生物的特殊性,其应用受到温度、营养液等环境条件的限制。选用耐低温菌种(菌种A)与巴氏芽孢杆菌,开展了微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)的试验研究,对比了两者在不同温度下的MICP性能。研究首先测量两个菌种在不同温度中的细菌生长繁殖特性,然后对比分析两者的脲酶活性,最后研究两者生成碳酸钙的速率和效率。研究结果表明,相比于巴氏芽孢杆菌,菌种A在低温条件下不论是生长繁殖能力还是脲酶活性都较强,同时诱导碳酸钙沉淀的速率和效率也较高。该研究成果对MICP技术在低温环境的应用研究具有指导意义。     

低温人工湿地水质净化技术研究进展

低温作为主要影响因素,限制了人工湿地在我国北方的大规模推广应用。基于文献报道,梳理了低温对人工湿地主要组成部分的影响机理,从内部组分优化和外部资源配置两方面分析总结了现有应对低温的人工湿地技术措施。内部组分优化包括植物选择、基质选配、微生物驯化和底栖动物投放等,外部资源配置包括曝气、保温、工艺组合和运行调控等。核心在于提高人工湿地在低温条件下的水质净化效率,实现人工湿地全年稳定运行。低温对人工湿地的影响是一个没有单一解决方案的综合问题。通过内外部措施组合、建立宏观措施与湿地内部微观结构之间的关系,从而进一步强化水质净化效率是未来人工湿地研究的重要方向。     

耐冷细菌适应低温机制研究进展及应用

耐冷细菌是能够长期生活在寒冷环境中,并正常生长繁殖的微生物。耐冷细菌能生存于这样的环境中与它们长期适应低温形成的独特的细胞组成及分子机制密切相关。目前,对耐冷细菌的研究在低温蛋白、低温酶及次级代谢产物领域做了大量工作,并在保健品、洗涤剂及生物技术领域投入使用。本文介绍了耐冷细菌在低温环境中的种类分布,从细胞结构变化及分子水平概述了耐冷细菌的适冷机制及当前主要研究进展。讨论了耐冷细菌对食品工业、环境工程及生物工程等领域发展的意义,并对耐冷菌在今后科研与其他领域的应用前景进行探讨。     

低温下活性污泥处理2种染料废水及微生物群落结构研究

现有工艺难以满足低温下染料废水的生物处理要求,为进一步提高低温染料废水的处理效率,分析了低温下活性污泥处理酸性红B和活性红2染料废水的处理效果及微生物群落结构。结果表明,系统稳定运行周期内,低温时酸性红B染料废水的去除效率高于活性红2染料废水,R_1、R_2、R_3、R_44组反应器的平均酶活性分别为8.87、6.98、7.24 mg(TF)/g(SS)和6.53 mg(TF)/g(SS)。低温时反应器中活性污泥微生物主要以Proteobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi、planctomycetes、Acidobacteria、Actinobacteria、Gemmatimonadetes核心菌群为主。     

低温下改良型ICEAS工艺处理生活污水

采用改良型ICEAS工艺进行低温污水处理,考察了低温条件下改良型ICEAS工艺去除有机物及脱氮除磷的效果。实验结果表明：在温度为5～13℃时,改良型ICEAS工艺对生活污水中的有机物、氨氮、总氮及总磷的平均去除率分别达到87％、64％、60％和78％,较常温下的去除率分别降低了4％、20％、28％和4％。低温时活性污泥中微生物种群有所减少,但污泥沉降性能良好,因此改良型ICEAS有利于防止污泥膨胀。     

混凝水处理法应用现状及强化措施探讨

首先分析了混凝效果影响因素,总结了传统混凝技术在处理低温低浊水、去除藻类、含油废水中磷去除等方面的特点及其存在问题.同时,介绍了新型的混凝处理技术,如污泥回流工艺、混凝—气浮法、微生物絮凝剂、钛盐混凝剂、基于果皮类的混凝技术的应用现状,并归纳其优缺点.最后针对不同废水特性,探讨相应的混凝强化技术,如污泥回用强化混凝处理低温低浊水、混凝—气浮法处理含油废水和微生物絮凝剂强化混凝处理污水厂二级出水的处理效果,为进一步挖掘其在水处理领域的应用潜力提供参考依据.     

耐低温生物脱氮机制与对策研究进展

废水处理系统中不可避免存在着低温环境,低温使得硝化菌和反硝化菌的活性下降,如何在低温条件下提高污水生物脱氮效果是废水处理研究工作中亟待解决的问题。本文对近年来研究发现的低温微生物耐低温机制进行了梳理,提出了最近发现的胞外聚合物（EPS）和聚羟基脂肪酸酯（PHA）的作用机理;介绍了几种已被研究证实能在低温下进行脱氮的功能菌与一些可以提高低温污水脱氮效果的新技术/工艺（包括使用新型填料、改变碳源投加方式、投加特定的重金属）;阐述了目前研究所遇到的一些问题,如缺乏工程实践、处理水质与研究菌株单一,研究结论与实际废水处理应用还有着差距。指出未来可以通过特异性功能菌的固定与使用、生物倍增技术与工程实践结合等方法来降低运行成本,提高低温污水的脱氮效果。     

一株高产低温纤维素酶南极细菌的筛选、鉴定及酶学性质初步研究

从82株南极细菌中筛选出1株高产低温纤维素酶菌株NJ64,通过16SrDNA序列分析对其进行鉴定,并对其产酶条件及酶学性质进行了初步研究。结果表明,NJ64菌株为假交替单胞菌属（Pseudoalteromonassp．）;最适产酶条件为：培养时间72h、初始pH值7．5、培养温度10℃;所产纤维素酶在pH值9．0左右、40℃条件下的酶活性最高,属于低温酶。     

一株产低温脂肪酶酵母菌的鉴定及酶学性质

低温脂肪酶已成为工业低温工艺良好候选物,在生物质能源、食品、皮制品、废水处理等领域发挥重要作用。本文从实验室保藏的55株产低温脂肪酶酵母菌株中筛选出一株高产菌株NYNU 19160,通过形态学、生理生化以及ITS和26S rDNA序列分析,将该菌株鉴定为Papiliotrema fonsecae。经过硫酸铵分级沉淀、透析、浓缩将该脂肪酶纯化后,对酶学性质进行了研究。结果表明,该脂肪酶最适反应温度为20℃,最适作用pH为7.5,属于低温碱性脂肪酶;Cu²⁺显著促进该酶的水解活性,而Li⁺表现为显著抑制作用;有机溶剂乙腈、甲醇、乙酸对酶活性有较强的促进作用,而苯和正己烷则抑制了该酶的活性;该酶对对硝基苯酚丁酸脂(pNPC₄)底物表现出较强特异性。     

Liquid-liquid extraction of protease from cold-adapted yeast Rhodotorula mucilaginosa L7 using biocompatible and biodegradable aqueous two-phase systems

This work aimed to optimize the extraction of an extracellular protease produced by the cold-adapted yeast Rhodotorula mucilaginosa L7 using aqueous two-phase systems (ATPS) comprising polyethylene glycol (PEG) and sodium citrate or sodium tartrate. First, the biocompatibility of the phase forming agents was assessed. The results obtained with PEG-2000, PEG-4000, and PEG-6000 demonstrated that even at large PEG concentrations (32 wt%) the protease maintains its activity after 3 h of reaction, whereas an increase in salt concentration provokes a gradual decrease in protease stability. Subsequently, the partitioning of the protease in both types of ATPS was assessed, evaluating the effect of temperature, molecular weight, and concentration of PEG on protease purification, using two 2³-full factorial designs. The best partitioning conditions were obtained in PEG-6000/sodium tartrate-based ATPS, at 30ºC (with a yield of 81.09 ± 0.66% and a purification factor of 2.51 ± 0.03). Thus, considering the biodegradable characteristics of the system, the PEG/sodium tartrate ATPS is a viable and economic low-resolution step in protease purification, with a strong potential for future industrial application.     

A Novel Cold-Adapted Lipase from Sorangium cellulosum Strain So0157-2: Gene Cloning, Expression, and Enzymatic Characterization

Genome sequencing of cellulolytic myxobacterium Sorangium cellulosum reveals many open-reading frames (ORFs) encoding various degradation enzymes with low sequence similarity to those reported, but none of them has been characterized. In this paper, a predicted lipase gene (lipA) was cloned from S. cellulosum strain So0157-2 and characterized. lipA is 981-bp in size, encoding a polypeptide of 326 amino acids that contains the pentapeptide (GHSMG) and catalytic triad residues (Ser114, Asp250 and His284). Searching in the GenBank database shows that the LipA protein has only the 30% maximal identity to a human monoglyceride lipase. The novel lipA gene was expressed in Escherichia coli BL21 and the recombinant protein (r-LipA) was purified using Ni-NTA affinity chromatography. The enzyme hydrolyzed the p-nitrophenyl (pNP) esters of short or medium chain fatty acids (≤C(10)), and the maximal activity was on pNP acetate. The r- LipA is a cold-adapted lipase, with high enzymatic activity in a wide range of temperature and pH values. At 4 °C and 30 °C, the K(m) values of r-LipA on pNP acetate are 0.037 ± 0.001 and 0.174 ± 0.006 mM, respectively. Higher pH and temperature conditions promoted hydrolytic activity toward the pNP esters with longer chain fatty acids. Remarkably, this lipase retained much of its activity in the presence of commercial detergents and organic solvents. The results suggest that the r-LipA protein has some new characteristics potentially promising for industrial applications and S. cellulosum is an intriguing resource for lipase screening.     

Thermostable ethanol tolerant xylanase from a cold-adapted marine species Acinetobacter johnsonii

A xylanase-producing bacterium, isolated from deep sea sediments, was identified as the cold-adapted marine species Acinetobacter Johnsonii. A cold-adapted marine species Acinetobacter Johnsonii could grow at 4 ℃. The optimum temperature and pH of xylanase from a cold-adapted marine species Acinetobacter Johnsonii were 55 ℃ and pH 6.0. Xylanase from a cold-adapted marine species Acinetobacter Johnsonii remained at 80% activity after incubation for 1 h at 65 ℃. The xylanase activity was 1.2-fold higher in 4% ethanol solution than in ethanol free solution. Gibbs free energy of denaturation, ΔG, was higher in 4% ethanol solution than in ethanol free solution. Thermostable ethanol tolerant xylanase was valuable for bioethanol production by simultaneous saccharification and fermentation process with xylan as a carbon source.     

响应面法优化产低温脂肪酶工程菌Cl02的发酵条件

目的采用响应面法优化产低温脂肪酶工程菌Cl02的发酵条件。方法通过单因素试验考察培养基中酵母氮源含量、pH值、甘油含量和甲醇含量对酶活的影响,确定产酶的主要影响条件,在此基础上,根据Box-Benheken中心组合试验设计原理,采用三因素三水平的响应面分析法,综合考察各因子对低温脂肪酶酶活的影响,建立低温脂肪酶酶活的二次回归模型。结果培养基中酵母氮源含量、pH值和甲醇含量对酶活的影响显著。最适产低温脂肪酶条件为:酵母氮源含量7.3 g/L、pH 6.0、甲醇含量9.1 g/L,在此条件下,低温脂肪酶酶活可达42.25 IU/ml,比优化前(28.0 IU/ml)提高了50.9%。结论利用响应面法优化的发酵条件可显著提高工程菌的产酶能力,为规模化生产低温脂肪酶奠定了基础。     

耐冷氨氧化功能菌群的富集及其对A2/O系统的生物强化

为提高北方地区冬季污水生物处理系统的脱氮效果,利用序批式反应器(SBR)和选择性培养基在(14±1)℃下驯化并富集耐冷氨氧化功能菌群,并采用软性填料进行固定,对(14±1)℃运行的A²/O系统好氧段进行生物强化。结果表明,连续运行5个周期后,SBR中的活性污泥逐渐演替为氨氧化功能菌群,在进水NH₃-N为205～236 mg·L^-1时,SBR的NH₃-N去除率可达79.5%;将组合式纤维填料置于SBR中并继续运行5个周期,可将氨氧化功能菌群以生物膜的形式固定于填料表面。以固定化氨氧化功能菌群对A²/O系统进行生物强化,在投加量为3.24%(污泥干重)的条件下,A²/O系统的氨氮平均去除率由投加前的65%提高到78%,COD和总氮去除率也有明显提高。在生物强化后的持续运行中,A²/O系统的氨氮去除效能有缓慢下降趋势,其长期强化效果有待进一步探讨。     

Laboratory bioremediation experiments with soil from a diesel-oil contaminated site—significant role of cold-adapted microorganisms and fertilizers

Laboratory bioremediation experiments were performed with soil from a diesel-oil contaminated waste disposal site; contamination was 5580 mg hydrocarbons per kg soil dry mass. The effects of incubation temperatures (10°C and 25°C), of the addition of an inorganic fertilizer at C: N ratios of 10:1 and 50:1, of the indigenous soil microorganisms and of a psychrotrophic and a mesophilic inoculum capable of degrading diesel-oil were investigated. The highest diesel-oil decontamination rates were 43% at 10°C and 55% at 25°C after 30 days. The biodegradation activity of the indigenous soil microorganisms was highly increased by the use of fertilizers. The diesel-oil degradation activity of the added inocula was highest when no fertilizer was present and was inhibited by nutrient supply. Abiotic processes did not contribute to diesel-oil elimination. ©1997 SCI     

金属离子对产油微生物油脂积累影响的研究进展

利用产油微生物合成含量丰富的油脂,对于解决石化能源日益紧缺问题,改善人类生活水平具有重要意义.金属离子能影响产油微生物生长形态、细胞内外渗透压和油脂合成关键酶活力等,对产油微生物油脂合成有重要的调控作用.本文首先介绍了产油微生物的产油机制,随后重点阐述了金属离子对产油微生物油脂积累的影响及其分子机理,最后对进一步探讨金属离子在产油微生物发酵过程中的作用研究提出一些建议.文章指出由于产油微生物油脂合成途径不尽相同,在工业上利用产油微生物生产油脂时,应从该微生物油脂合成的主要途径入手,找出该途径中的关键酶,随后充分考虑不同微生物对金属离子的耐受性、不同金属离子对微生物形态和胞内关键酶活力的影响,以及不同金属离子之间对同种关键酶的活性中心是否存在竞争或协同的关系等,从而制定可行的金属离子添加控制策略.