趙昕宇,范鈺瑩,3,席北斗*,檀文炳,何小松,張 慧,李 丹

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不同來(lái)源堆肥腐殖質(zhì)還原菌異化鐵還原能力評(píng)估與調(diào)控

趙昕宇1,2,范鈺瑩1,2,3,席北斗1,2*,檀文炳1,2,何小松1,2,張 慧1,2,李 丹1,2

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100012；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院國(guó)家環(huán)境保護(hù)地下水污染模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱 150030)

通過(guò)富集不同來(lái)源堆肥過(guò)程中的腐殖質(zhì)還原菌,并分析比較其異化鐵還原能力差異,發(fā)現(xiàn)其電子轉(zhuǎn)移能力從大到小依次為:蛋白類>纖維素類>木質(zhì)素類.相關(guān)性分析表明,和是極顯著影響異化鐵還原的腐殖質(zhì)還原菌屬.利用冗余分析探究關(guān)鍵腐殖質(zhì)還原菌與堆肥過(guò)程微環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)可溶性有機(jī)氮是影響這些關(guān)鍵腐殖質(zhì)還原菌變化的主要微環(huán)境因素.在此基礎(chǔ)上,基于堆肥微環(huán)境因子與關(guān)鍵腐殖質(zhì)還原菌菌群結(jié)構(gòu)之間的響應(yīng)關(guān)系,提出一種促進(jìn)異化鐵還原相關(guān)的腐殖質(zhì)還原菌生長(zhǎng)的調(diào)控方法.本研究可以深入了解堆肥中影響腐殖質(zhì)還原菌群落的關(guān)鍵因素,而且對(duì)于環(huán)境中污染物生物地球化學(xué)循環(huán)也具有重要的生態(tài)學(xué)意義.

腐殖質(zhì)還原菌；16S rDNA；異化鐵還原；冗余分析；堆肥

微生物可通過(guò)調(diào)節(jié)特定的生物化學(xué)途徑,降解或還原有機(jī)、無(wú)機(jī)污染物[1-2].這在污染物原位修復(fù)、污水處理以及生物燃料提取等方面呈現(xiàn)出不可替代的優(yōu)越性和重要的應(yīng)用前景,電子轉(zhuǎn)移是新陳代謝的基礎(chǔ),地球所有能量都來(lái)源于氧化還原過(guò)程.腐殖質(zhì)呼吸是近年來(lái)新發(fā)現(xiàn)的可參與環(huán)境修復(fù)生物降解過(guò)程的能量代謝方式,能夠進(jìn)行腐殖質(zhì)呼吸的微生物稱之為腐殖質(zhì)還原菌[3],腐殖質(zhì)還原菌作為一個(gè)龐大且復(fù)雜的生物類群,對(duì)重金屬及有機(jī)污染物的降解起到重要作用,腐殖質(zhì)還原菌是以AQDS或腐殖質(zhì)作電子受體時(shí)進(jìn)行胞外電子傳遞的一類微生物,腐殖質(zhì)和腐殖質(zhì)還原菌之間的這種電子穿梭被認(rèn)為是促進(jìn)重金屬與有機(jī)污染物降解轉(zhuǎn)化的主要原因[4-6].腐殖質(zhì)還原菌還原腐殖質(zhì)的生物化學(xué)途徑與腐殖質(zhì)還原菌還原Fe(III)的生化機(jī)制很相似[7-8],并且大多數(shù)的腐殖質(zhì)還原菌都具有還原鐵的功能[9-11].

腐殖質(zhì)還原菌普遍存在于自然環(huán)境中,學(xué)者們已經(jīng)在土壤、泥炭地、污泥、湖泊沉積物、河流沉積物、海洋沉積物以及水體等環(huán)境介質(zhì)中分離富集出多種具有腐殖質(zhì)呼吸功能的微生物[12].并且在許多極端環(huán)境下,也分離出多種具有電子傳遞能力的微生物,例如嗜熱菌、嗜酸菌和嗜堿菌等[13].按照對(duì)氧氣的需求不同,腐殖質(zhì)還原菌又可以分為兼性厭氧菌和嚴(yán)格厭氧菌,主要集中在以下3個(gè)門: Proteobacteria、Acidobacteria與Firmicutes[12].堆肥是一個(gè)以微生物為驅(qū)動(dòng)力,大量合成腐殖質(zhì)的生物化學(xué)過(guò)程.腐殖質(zhì)的形成可能誘導(dǎo)堆肥過(guò)程中腐殖質(zhì)還原菌的生長(zhǎng),并且該過(guò)程中微環(huán)境因子的變化可能會(huì)影響腐殖質(zhì)還原菌的群落組成與活性[14-15].然而,對(duì)于不同來(lái)源物料在堆肥過(guò)程中腐殖質(zhì)還原菌的鐵還原能力差異及其影響因素卻鮮有報(bào)道.并且,現(xiàn)如今從自然環(huán)境中分離的腐殖質(zhì)還原菌僅占可培養(yǎng)微生物的0.1%.

本研究主要目的為:探究不同物料堆肥過(guò)程腐殖質(zhì)還原菌對(duì)異化鐵還原電子轉(zhuǎn)移能力差異;篩選具有高效異化鐵還原能力的腐殖質(zhì)還原菌;探究其關(guān)鍵影響因素,并提出一種促進(jìn)篩選出的腐殖質(zhì)還原菌生長(zhǎng)的調(diào)控方法.

本研究主要探究6種物料:雞糞(CM)、牛糞(DCM)、果蔬(FVW)、雜草(WW)、秸稈(SW)及枯枝(GW)在堆肥過(guò)程中腐殖質(zhì)還原菌的電子轉(zhuǎn)移能力及其影響因素,并構(gòu)建一種可促進(jìn)腐殖質(zhì)還原菌生長(zhǎng)的微環(huán)境調(diào)控方法.為堆肥物料中的污染物降解或應(yīng)用富含腐殖質(zhì)堆肥產(chǎn)品修復(fù)污染土壤提供參考.

1 材料與方法

1.1 主要儀器及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)樣品采集、堆肥實(shí)驗(yàn)搭建詳見(jiàn)前期文章[11].采集階段為升溫期(CM1、DCM1、FVW1、WW1、SW1和GW1)、高溫期(CM2、DCM2、FVW2、WW2、SW2和GW2)和腐熟期(CM3、DCM3、FVW3、WW3、SW3和GW3).

有機(jī)質(zhì)(organic matter, OM)采用灼燒法測(cè)定;含水率采用馬弗爐測(cè)燒失量法測(cè)定,在105℃下灼燒6h后測(cè)量燒失量;可溶性有機(jī)碳(Dissolved organic carbon, DOC)、可溶性有機(jī)氮(Dissolved organic nitrogen, DON)均采用島津TOC-VCPH有機(jī)碳分析儀測(cè)定;總氮采用凱氏消煮法測(cè)定;NH4+-N采用納氏比色法測(cè)定;NO3--N采用分光光光度計(jì)法測(cè)定.以上指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果曾發(fā)表于先前研究中,詳見(jiàn)文章[16].

1.2 腐殖質(zhì)還原菌培養(yǎng)及異化鐵還原試驗(yàn)

腐殖質(zhì)還原菌培養(yǎng)采用富集培養(yǎng)基(BAS培養(yǎng)基),具體成分詳見(jiàn)前期文章[16].

6種物料經(jīng)5mm篩,用去離子水沖洗,沉降30min后棄上層混濁液,取下層泥漿,重復(fù)多次再使用.取5mL堆肥泥漿于裝有50mL富集培養(yǎng)基的西林瓶中,室溫下80% N2和20% CO2充20min,蓋橡膠塞.為了使富集培養(yǎng)基環(huán)境與原始物料環(huán)境盡可能保持一致,調(diào)節(jié)CM1、CM2、CM3、DCM1、DCM2、DCM3、FVW1、FVW2、FVW3、WW1、WW2、WW3、SW1、SW2、SW3、GW1、GW2及GW3的pH值為8.0、8.8、8.6、8.0、8.9、8.4、8.1、8.7、8.2、6.7、8.9、8.4、8.0、8.8、8.6、6.2、7.7及8.2,分不同堆肥階段放置于不同溫度的厭氧培養(yǎng)箱(升溫期40℃,高溫期58℃及腐熟期43℃)中培養(yǎng).3d后將其開(kāi)蓋至上清液橙紅色褪去,8h內(nèi)使AQDS還原率達(dá)到80%可視為腐殖質(zhì)還原菌馴化成功.

分別將MR-1菌株[12](對(duì)照)及堆肥腐殖質(zhì)還原菌在LB液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期(約18h),培養(yǎng)溫度為30℃,然后將其在4℃下離心10min(8000r/min),傾去上清液.用已滅菌的BAS培養(yǎng)液洗滌菌體,再次離心,重復(fù)多次,最終用等體積BAS培養(yǎng)液重新制成菌懸液,以無(wú)菌液BAS培養(yǎng)基作空白對(duì)照,在紫外吸收波長(zhǎng)為600nm下,將所有菌體濃度均調(diào)至0.18,以保證一致性.在100mL西林瓶中進(jìn)行反應(yīng),配制20mmol/L Fe (III)-critrate溶液作電子受體,以5mmol/L乳酸鈉作電子供體,加入200 μL菌液,最終反應(yīng)體系為50mL.室溫下用80% N2和20% CO2充20min,pH值調(diào)至7.4.將樣品搖勻后,用注射器取2mL,過(guò)0.22μm纖維素濾膜,采用鄰菲啰啉分光光度法于510nm測(cè)定濾液吸光度,計(jì)算Fe(II)濃度,每24h測(cè)定一次直到最終達(dá)到穩(wěn)定.利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合[17],求得不同堆肥中腐殖質(zhì)還原菌還原Fe(III)的常數(shù).方程的表達(dá)式:

Fe= Fe0[1-exp (-×)]

式中:Fe為時(shí)刻Fe(II)的生成量, mmol/L;Fe0為Fe(II)的潛在生成量, mmol/L;為培養(yǎng)時(shí)間,h;為反應(yīng)速率常數(shù),h-1.

1.3 DNA 提取及16SrDNA測(cè)序

使用E.Z.N.A.TM土壤DNA提取試劑盒(Omega Bio-tek,廣州)提取六種物料的DNA,使用Illumina MiSeq測(cè)序儀測(cè)序,采用合成測(cè)序法,對(duì)最終獲得clean數(shù)據(jù)進(jìn)行OTU聚類分析和物種分類學(xué)分析.在物種分類學(xué)上,對(duì)于序列進(jìn)行精細(xì)至分類學(xué)上屬的劃分.

1.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用SPSS 19.0、Origin 8.0、Canoco for windows 4.5進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 腐殖質(zhì)還原菌異化鐵還原特征

圖1 不同物料堆肥中腐殖質(zhì)還原菌與S.oneidensis MR-1對(duì)Fe(III)還原的影響

為反映腐殖質(zhì)還原菌還原腐殖質(zhì)的能力,利用腐殖質(zhì)還原菌與Fe(III)-citrate進(jìn)行直接接觸反應(yīng),絕大部分腐殖質(zhì)還原菌具有還原Fe(III)的功能[18], Fe(III)逐漸被腐殖質(zhì)還原菌還原為Fe(II),以Fe(III)還原量間接代表腐殖質(zhì)還原菌還原腐殖質(zhì)的能力.如圖1所示,不同物料類型堆肥過(guò)程中腐殖質(zhì)還原菌的還原能力呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì).與相應(yīng)對(duì)照組比較,不同來(lái)源堆肥過(guò)程中的腐殖質(zhì)還原菌均能明顯還原Fe(III).

一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程可以較好的描述Fe(III)-citrate還原動(dòng)態(tài)變化(表1),方程擬合的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到顯著水平(<0.1).不同物料堆肥的3個(gè)階段的值變化存在差異,而在堆肥的升溫期,纖維素類物料(FVW、WW)反應(yīng)速率顯著高于其它物料(<0.05).而蛋白類物料(CM、DCM)在高溫期的反應(yīng)速率達(dá)到最高,至腐熟期反應(yīng)速率仍保持較高水平.這說(shuō)明不同物料的物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)對(duì)腐殖質(zhì)還原菌還原異化鐵能力有不同的影響.堆肥初期腐殖質(zhì)還原菌利用纖維素分解的單糖等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)代謝[19],異化鐵電子受體利用量增多,其還原能力隨之增強(qiáng).而蛋白類物料中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富,且在高溫期的蛋白質(zhì)大量降解[20],造成腐殖質(zhì)還原菌代謝活動(dòng)反應(yīng)劇烈,反應(yīng)速率隨之升高.

表1 Fe(III)還原能力的一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合結(jié)果

與MR-1的還原能力相比(圖2a),堆肥腐熟期CM3、DCM3、FVW3、WW3、GW3及SW3中腐殖質(zhì)還原菌的還原能力分別是模式菌株MR-1還原能力的1.22、1.23、0.99、0.97、0.92及0.71倍.由此可以說(shuō)明,經(jīng)過(guò)堆肥后,蛋白類物料(CM、DCM)中腐殖質(zhì)還原菌電子轉(zhuǎn)移能力相比其他物料堆肥更強(qiáng).CM、DCM、FVW及WW中腐殖質(zhì)還原菌的還原能力隨堆肥過(guò)程呈明顯增加趨勢(shì).這可能是由于蛋白類與纖維素類物料在初始階段較易降解,可相對(duì)快速地形成氧化還原功能基團(tuán),并影響腐殖質(zhì)還原菌的電子轉(zhuǎn)移力.而與之相比,木質(zhì)素類物料(GW、SW)中腐殖質(zhì)還原菌的電子轉(zhuǎn)移能力相對(duì)較低,且隨堆肥過(guò)程變化不顯著.這主要是由于木質(zhì)素類物料在堆肥過(guò)程中較難降解,腐殖質(zhì)還原菌獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)較少,堆肥過(guò)程中形成氧化還原功能基團(tuán)相對(duì)緩慢,導(dǎo)致期腐殖質(zhì)還原菌電子轉(zhuǎn)移能力相對(duì)較弱.總之,不同堆肥中形成腐殖質(zhì)的分子量及結(jié)構(gòu)不同,腐殖質(zhì)還原菌通過(guò)堆肥過(guò)程中形成的腐殖質(zhì)做電子受體從而獲得自身生長(zhǎng)的能力不同[21],進(jìn)而影響堆肥中腐殖質(zhì)還原菌的還原能力.圖2(b)可更為清晰的分析不同物料堆肥過(guò)程中腐殖質(zhì)還原菌的電子轉(zhuǎn)移能力差異.從總體上看,腐殖質(zhì)還原菌的電子轉(zhuǎn)移能力的變化量從大到小依次為CM>DCM>WW>FVW>GW>SW.因此,也可進(jìn)一步證明,堆肥過(guò)程對(duì)蛋白類物料中腐殖質(zhì)還原菌的提升能力最強(qiáng),其次為纖維素類與木質(zhì)素類.

2.2 腐殖質(zhì)還原菌與異化鐵還原能力相關(guān)性分析

由于本研究中培養(yǎng)為富集培養(yǎng),培養(yǎng)后為腐殖質(zhì)還原菌菌群,因此哪種腐殖質(zhì)還原菌顯著影響Fe(III)的還原尚不清晰,且還原的機(jī)制也尚不明確,因此,本研究采用相關(guān)性分析進(jìn)一步篩選哪一種或幾種腐殖質(zhì)還原菌對(duì)Fe(III)還原具有顯著作用.其中,不同物料堆肥過(guò)程中腐殖質(zhì)還原菌的群落結(jié)構(gòu)發(fā)表于前期研究[16]中.相關(guān)性分析結(jié)果如圖3,共有100個(gè)腐殖質(zhì)還原菌菌屬與Fe(III)的還原呈正相關(guān)關(guān)系.由圖3中可以看出,腐殖質(zhì)還原菌歸屬于4個(gè)菌門:Actinobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes和Proteobacteria,大部分還原Fe(III)的腐殖質(zhì)還原菌集中于Proteobacteria,其次為Firmicutes,而Actinobacteria和Bacteroidetes相對(duì)較少.在6種不同物料堆肥中,纖維素類物料FVW和WW中促進(jìn)Fe(III)還原的相關(guān)菌屬分別為37個(gè)和39個(gè),高于蛋白類物料CM(23個(gè))和DCM(31個(gè)),而木質(zhì)素類物料SW和GW中含有促進(jìn)還原能力的腐殖質(zhì)還原菌較少,分別為16個(gè)和8個(gè).這可能由于纖維素類物料在堆肥前期不易分解,堆肥后期逐漸被纖維素菌分解為小分子物質(zhì),該類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)易被腐殖質(zhì)還原菌吸收利用[19],微生物代謝加快,可加速堆肥過(guò)程中腐殖質(zhì)還原菌電子轉(zhuǎn)移能力的馴化.堆肥腐熟期大量的腐殖質(zhì)類物質(zhì)累積,從而豐富了纖維素類物料中腐殖質(zhì)還原菌的多樣性.相比于纖維素類物料,蛋白質(zhì)類物料中腐殖質(zhì)還原菌與異化鐵還原呈正相關(guān)的菌種略少,然而蛋白類物質(zhì)的平均還原能力在6種物料中最強(qiáng),這可能是由于蛋白類物質(zhì)利于分解,腐殖質(zhì)形成速度相對(duì)較快,腐殖質(zhì)還原菌的氧化還原能力也相對(duì)較強(qiáng)[20].因此蛋白類物料經(jīng)過(guò)堆肥馴化后,盡管促進(jìn)Fe(III)還原相關(guān)菌屬的多樣性較低于纖維素類物料,但其還原異化鐵能力卻高于纖維素類物料.

菌屬序號(hào)按照?qǐng)D中排列順序進(jìn)行標(biāo)號(hào)

*<0.05; **<0.01

圖3中可以看出,Actinobacteria門的(序號(hào)94)與Firmicutes門的(序號(hào)59)和(序號(hào)73)都與還原Fe(III)呈極顯著正相關(guān)(<0.01).這3種腐殖質(zhì)還原菌屬可能具有較強(qiáng)的電子傳遞能力,在氧化還原過(guò)程中起主導(dǎo)作用.有研究表明,具有將Cr(VI)還原為Cr(III)能力,該菌屬在遇到高電位的金屬離子時(shí)可能會(huì)展現(xiàn)出較強(qiáng)的還原能力[22].因此,推測(cè)當(dāng)與Fe(III)在厭氧環(huán)境中共存時(shí)也較容易將Fe(III)還原為Fe(II).菌屬是分泌脲酶的主要菌屬,常用于工業(yè)廢水處理.和在FVW中與還原Fe(III)能力顯著相關(guān)(圖3),而也僅在WW中與還原Fe(III)能力顯著相關(guān).因此,腐殖質(zhì)還原菌的還原能力可能受物料環(huán)境的條件約束.在不同的物料中腐殖質(zhì)還原菌存在共同還原機(jī)制,腐殖質(zhì)還原菌由于復(fù)雜的生長(zhǎng)代謝環(huán)境,不能單獨(dú)發(fā)揮還原能力,可能需要與群落中相關(guān)的菌屬相互影響來(lái)達(dá)到還原Fe(III)的作用.另外,本研究中發(fā)現(xiàn),有19個(gè)菌屬在還原過(guò)程中菌種豐度逐漸降低(圖4),且該些菌種在不同物料中都呈現(xiàn)相同的豐度降低趨勢(shì),在反應(yīng)過(guò)程中與Fe(III)還原量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.這說(shuō)明該些菌屬可能由于不適應(yīng)復(fù)雜的微生物環(huán)境及其它微生物對(duì)其生長(zhǎng)條件的約束,在微生物環(huán)境中逐漸失去生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì).

圖4 不同物料堆肥中與Fe(III)還原能力呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系的腐殖質(zhì)還原菌識(shí)別

*<0.05; **<0.01

2.3 腐殖質(zhì)還原菌群與微環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系

異化鐵還原是參與天然有機(jī)污染層降解有機(jī)污染物的重要過(guò)程[23],而本研究發(fā)現(xiàn)堆肥過(guò)程的腐殖質(zhì)還原菌具有較強(qiáng)的異化鐵還原能力.因此通過(guò)一定的過(guò)程調(diào)控技術(shù)手段,增加腐殖質(zhì)還原菌的數(shù)量,理論上可以提升堆肥或土壤中污染物的生物修復(fù)效率,具有重要的環(huán)境意義.但由于添加外源微生物會(huì)對(duì)堆肥微生物環(huán)境造成未知影響,且腐殖質(zhì)還原菌須在厭氧環(huán)境下進(jìn)行篩選,對(duì)接種環(huán)境條件限制較為嚴(yán)格.基于上述理論,通過(guò)腐殖質(zhì)還原菌與微環(huán)境的響應(yīng)關(guān)系分析[24],不添加外源微生物的條件下構(gòu)建一種促進(jìn)腐殖質(zhì)還原菌生長(zhǎng)的堆肥微環(huán)境調(diào)控方法是本文主要的研究方向.

于100個(gè)與異化鐵相關(guān)菌屬中選擇普遍存在于6種物料的27個(gè)菌屬.對(duì)這些腐殖質(zhì)還原菌的相對(duì)豐度采用降趨對(duì)應(yīng)分析(即DCA分析),第一排序軸最大梯度為2.771.因此,選擇可以更好反應(yīng)腐殖質(zhì)還原菌菌群結(jié)構(gòu)與微環(huán)境因子之間的響應(yīng)關(guān)系的RDA來(lái)分析堆肥過(guò)程中微環(huán)境因子對(duì)腐殖質(zhì)還原菌菌群結(jié)構(gòu)變化的影響,以明確該27個(gè)菌屬與理化因子之間的響應(yīng)關(guān)系.其中,第一排序軸與第二排序軸分別解釋了22.03%和40.64%的物種變化量.DON、DOC、pH、C/N、OM、NH4+-N、溫度、NO3--N及含水率分別單獨(dú)解釋了總變量的16.0%、8.2%、3.0%、2.8%、1.7%、1.5%、1.3%及0.6%.說(shuō)明溫度、NO3--N與含水率對(duì)腐殖質(zhì)還原菌的菌群分布影響較小.采用偏相關(guān)分析進(jìn)一步表明,DON顯著影響腐殖質(zhì)還原菌菌群結(jié)構(gòu)的變化(< 0.05),說(shuō)明DON是影響27屬腐殖質(zhì)還原菌的重要微環(huán)境因子.然而,堆肥過(guò)程中腐殖質(zhì)還原菌的新陳代謝與多種微環(huán)境因子的緊密相聯(lián),因此,其他微環(huán)境因子對(duì)腐殖質(zhì)還原菌群落也具有至關(guān)重要的影響[25].

從排序圖可進(jìn)一步探究堆肥過(guò)程微環(huán)境因子對(duì)腐殖質(zhì)還原菌的作用(圖5a和圖5b),其中,序號(hào)19、22、37、76及81與DON、DOC、NO3--N、SW1及SW3呈正相關(guān)關(guān)系.說(shuō)明此類腐殖質(zhì)還原菌的生長(zhǎng)與氮相關(guān)指標(biāo)具有密切關(guān)系,在秸稈類物料中適當(dāng)添加有機(jī)碳源與氮源不僅能夠促進(jìn)此類腐殖質(zhì)還原菌的生長(zhǎng),還可能對(duì)堆肥過(guò)程中硝化作用具有一定貢獻(xiàn);腐殖質(zhì)還原菌序號(hào)8、29、49、94、97及99主要存在于蛋白類物料(CM、DCM)中,其中序號(hào)94與異化鐵還原能力呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(圖3),鑒于該菌屬有較強(qiáng)還原金屬離子的能力,因此在蛋白質(zhì)物料中主要對(duì)序號(hào)94的菌屬進(jìn)行調(diào)控從而提升堆肥中重金屬污染物的修復(fù)率.從圖5a中可以看出這些腐殖質(zhì)還原菌與C/N、pH呈正相關(guān)關(guān)系.說(shuō)明在蛋白類物料中升高pH(￡8.93)與C/N(￡22.05)會(huì)在一定程度上提高此類腐殖質(zhì)還原菌的豐度,這一結(jié)果也為在弱堿條件下篩選腐殖質(zhì)還原菌提供可能性.序號(hào)為11、24、40、55、59、73及98的的腐殖質(zhì)還原菌存在于多種類型物料中,其中與異化鐵還原能力呈極顯著正相關(guān)關(guān)系的59號(hào)菌屬在生物量分解中起主導(dǎo)作用[26].這些腐殖質(zhì)還原菌與NH4+-N、OM和DON呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系.由此可以推測(cè),此類微生物能夠以DON與NH4+-N作為營(yíng)養(yǎng)源進(jìn)行新陳代謝.然而,若NH4+-N與DON濃度過(guò)高,也可能會(huì)抑制此類腐殖質(zhì)還原菌的活性.因此還有更多的研究工作需要繼續(xù)開(kāi)展,為進(jìn)一步通過(guò)調(diào)控微環(huán)境促進(jìn)腐殖質(zhì)還原菌生長(zhǎng)提供技術(shù)支持.

3 結(jié)論

3.1 不同物料中的腐殖質(zhì)還原菌還原異化鐵能力有所不同.隨著堆肥過(guò)程進(jìn)行,CM、DCM、FVW和WW中腐殖質(zhì)還原菌還原能力增強(qiáng).堆肥過(guò)程對(duì)GW和SW中腐殖質(zhì)還原菌的還原能力無(wú)顯著影響.不同物料還原能力依次為蛋白質(zhì)類物料(CM、DCM)>纖維素類物料(WW、FVW)>木質(zhì)素類物料(GW、SW).

3.2 篩選了不同堆肥過(guò)程中與異化鐵還原能力極顯著相關(guān)的腐殖質(zhì)還原菌,分別為Actinobacteria門的、Firmicutes門的和.具有異化鐵還原能力的腐殖質(zhì)還原菌在纖維素類物料中有豐富的多樣性.

3.3 基于微環(huán)境因子與腐殖質(zhì)還原菌的響應(yīng)關(guān)系,篩選了堆肥過(guò)程中腐殖質(zhì)還原菌的關(guān)鍵影響因素,DON能顯著影響腐殖質(zhì)還原菌菌群分布.在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建了一種通過(guò)調(diào)節(jié)堆肥物料微環(huán)境因子,促進(jìn)腐殖質(zhì)還原菌生長(zhǎng)的調(diào)控方法.

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A regulating method for humic-reducing microorganisms and assessment of the reduction of dissimilatory Fe(III)in composting.

ZHAO Xin-yu1,2, FAN Yu-ying1,2,3, XI Bei-dou1,2*, TAN Wen-bing1,2, HE Xiao-song1,2, ZHANG-Hui1,2, LI-Dan1,2

(1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.State Environmental Protection Key Laboratory of Simulation and Control of Groudwater Pollution, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；3.Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)., 2018,38(10)：3815~3822

Reduction of dissimilatory Fe(III) by humic-reducing microorganisms (HRMs) from different composts was conducted. Results showed that the capacity for reduction of dissimilatory Fe(III) by HRMs was ranked in the order protein-rich compost > cellulose-rich compost > lignin-rich compost. The result of correlation showed that、andwere significantly associated with the Fe(III) reduction. It was indicated that dissolved organic nitrogen was the primary micro-enviromental factors significantly driving the variation of these key HRMs by Redundancy analyses (RDA). Finally, based on the relationship between the mico-enviromental factors and HRMs, this work proposed a regulating method to enhance the growth of the key HRMs during composting. This study not only investigated the influencial factors of HRMs in compost deeply, but also had ecologicalsignificant in the study of waste biogeochemical process.

humic-reducing microorganism；16S rDNA；reduction of dissimilatoryFe(III)；RDA；compost

X705

A

1000-6923(2018)10-3815-08

趙昕宇(1989-),女,黑龍江雙鴨山人,中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院博士后,主要從事有機(jī)固體廢棄物處置與資源化研究.發(fā)表論文11篇.

2018-06-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41501242)

* 責(zé)任作者, 研究員, xibeidou@yeah.net