甲烷八叠球菌扩大培养及固定化方法

以首都师范大学生物系实验室富集的甲烷八叠球菌浓缩物作为接种物,用10L反应器对其进行扩大培养,得到了含甲烷八叠球菌为2.31010个/mL扩大培养浓缩物.设计正交试验,以固定化甲烷八叠球菌菌球的成球性、菌球在产气高峰时的沉降性、产甲烷活性、寿命为指标,选择出聚乙烯醇(P)、海藻酸钠(A)和充填物(F)混合包埋载体的最佳配比P8A1F40,P8A1F40法制备的固定化甲烷八叠球菌成球容易、具有高的产甲烷活性、良好的脱气性和沉降性,较高的机械强度(发酵过程中不胀、不黏)和较长的寿命.     

固定化甲烷八叠球菌及处理高浓度有机废水研究

为了克服PVA包埋固定化甲烷八叠球菌存在的缺点 ,采用吸附和包埋结合法对甲烷八叠球菌进行了固定化 ,并用UASB反应器以高浓度人工废水和豆制品废水为底物对固定化甲烷八叠球菌特性进行研究 .用人工废水运转的结果表明 ,最高容积负荷为 14 7kg(COD) (m3·d) ,最高COD去除率为 94 3 % ,最低水力停留时间 (HRT)为 16 4h ,甲烷含量为 65 %～73 % .用豆制品废水运转的结果表明 ,最高COD负荷 17 6kg (m3·d) ,平均容积负荷 8 2kg(COD) (m3·d) ,最低为 13 7h ,最高产气率 7L (d·L) ,平均产气率固定化为非固定化的 15 2倍 ,最高COD去除率达到了 87% .     

固定化甲烷八叠球菌(Methanosarcina)研究——厌氧颗粒污泥的形成

用实验室规模的UASB反应器处理豆制品废水培养厌氧颗粒污泥。通过对颗粒污泥形成过程中的产气率、进出水COD、水滞留期（HRT）、进出水挥发酸（乙酸、丙酸和丁酸）浓度、所产气体的甲烷含量等的变化分析和对颗粒污泥中优势产甲烷菌的扫描（SEM）和透射（TEM）电镜观察,阐明颗粒污泥的形成过程及特性。实验结果表明,消化器运转50d左右形成了颗粒污泥,厌氧颗粒污泥形成期间的平均产气率为5.3L/L·d,最高产气率达到了8.1L/L·d,进水和出水COD分别为3000～5500mg/L和800～3000mg/L,平均HRT为10.4h,平均出水乙酸、丙酸和丁酸浓度分别为264.1、519.8和104.6mg/L,所产气体的平均甲烷含量为60.6％,颗粒污泥为黑色,直径0.5～3.0mm不等,沉降速率为119.6m/h,其中的优势产甲烷菌为鬃毛甲烷菌（Methanosaeta）,而甲烷八叠球菌（Methanosarcina）存在甚少。     

城市污水管网中产甲烷菌的分布特性规律

实验通过一套1 200 m的PVC管式反应器来模拟城市污水管网,利用气相色谱法、液相色谱法和454高通量测序等手段,研究了城市污水管网中产甲烷过程中的物质变化和产甲烷菌分布特性规律.结果表明,管网中甲烷含量沿程升高,说明管网中存在产甲烷菌;产甲烷菌主要包含甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、广古菌门中的菌属(Euryarchaeota_unclassified)和甲烷杆菌科中的菌属(Methanobacteriaceae_unclassified)这3种优势菌属,且在管网800~1 000 m处有广古菌门中的菌属(Euryarchaeota_unclassified)取代甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)成为第一优势菌属的演替现象;管网中产甲烷可利用基质有甲酸、甲醇、甲胺、乙酸,其中乙酸为主要基质,这些基质在管网中先增加后降低的变化趋势导致了管网中产甲烷菌演替现象的发生.     

不同原料厌氧发酵及其微生物种群的研究

使用PCR-DGGE技术,对以鸡粪、猪粪、牛粪、秸秆为发酵原料的发酵体系的微生物群落多样性进行了研究.在发酵不同时间取样,进行了日产甲烷量、日产甲烷浓度的变化分析和DGGE分析.结果表明,日产甲烷量整体趋势为猪粪>鸡粪>秸秆>牛粪,日平均产甲烷量分别为2.67、2.24、0.99、0.49L;猪粪、鸡粪、秸秆的日产甲烷浓度在整个发酵周期大多可维持在50%以上,牛粪的日产甲烷浓度大部分时间低于30%;细菌的优势菌群有拟杆菌属(Bacteroidetes)、密螺旋体属(Treponema)、厌氧绳菌科(Anaerolineaceae)等,新增优势菌群有梭菌属(Clostridium)、脱硫叶菌属(Desulfobulbus)、毛螺旋菌科(Lachnospiraceae)、醋弧菌属(Acetivibrio);古菌的优势菌群有甲烷鬃菌属(Methanosaeta)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales),新增优势菌群有斯氏甲烷球菌属(Methanosphaera stadtmanae).     

长江口沉积物甲烷产生潜力与产甲烷菌群落特征

采用室内培养与高通量测序技术,研究了长江口沉积物产甲烷潜力及其产甲烷菌群落组成特征.结果表明,研究区沉积物甲烷排放速率为4.15～7.12 nmol·g~(-1)·d~(-1),且表现出厌氧区高、丰氧区低的特点.甲烷产生潜力为丰氧区大于厌氧区,说明甲烷在水体中氧化是减少甲烷排放的重要环境过程.研究区沉积物中产甲烷菌群落组成具有明显的差异.厌氧区沉积物产甲烷菌的优势群落为Methanococcoides(拟甲烷球菌属)、Methanosarcina(甲烷八叠球菌属)和Methanosaeta(甲烷鬃菌属),丰氧区沉积物为Methanosarcina(甲烷八叠球菌属)、Methanosaeta(甲烷鬃菌属)和Methanocella(甲烷胞菌属),因而缺氧过程会对产甲烷菌群落产生重要的影响.通过估算发现,研究区甲烷的排放量为2487～6819 t·a~(-1),表明长江口是甲烷排放的净产生源.因此,由缺氧过程导致的河口环境因子变化会影响甲烷的代谢循环过程及其微生物群落组成,进而对河口生态系统甲烷排放产生重要的影响.     

微氧条件下以甲烷为碳源的反硝化实验研究

为探清微氧条件下以甲烷为碳源的反硝化是甲烷好氧氧化偶联反硝化(AME-D),还是甲烷厌氧氧化偶联反硝化(ANME-D),本研究以污水处理厂厌氧污泥为接种物,在微氧条件下以甲烷为碳源进行硝酸盐和亚硝酸盐反硝化的富集培养,考察硝酸盐和亚硝酸盐的反硝化速率,并对富集培养物的微生物群落和甲烷单加氧酶功能基因进行分析.结果表明:微氧条件下硝氮/亚硝氮的还原主要以AME-D过程为主,稳定阶段硝氮和亚硝氮的平均去除速率分别为3.69 mg·L~(-1)·d~(-1)(以N计)和18.04 mg·L~(-1)·d~(-1)(以N计),富集培养物中的优势微生物为甲基球菌科(Methylococcaceae)中的甲基单胞菌属(Methylomonas),相对含量为21.86%.     

不同TS浓度互花米草沼渣二次发酵特性研究

中温（35±1）℃条件下,沼渣经6%的NaOH常温下处理48 h后,在TS含量8%、10%、12%的条件下沼气发酵.分析了发酵过程中日产气量、累积产气量、甲烷含量、pH值、挥发性脂肪酸（VFA）的变化,从不同角度考察TS含量负荷对沼渣二次发酵特性的影响.单位TS的日产气高峰分别达10、14、13 mL.g-1,累积产气率为217、227、228 mL.g-1,甲烷含量均在65%以上.发酵过程中最低pH为7.04.乙酸浓度最高分别为3 364、3 286、5 728 mg.L-1,丙酸和丁酸浓度均低于1 100 mg.L-1.结果表明,沼渣为难降解有机物,分解缓慢,不易出现酸化现象,但仍具有较强的产气潜力.     

不同填埋龄垃圾甲烷和恶臭物质产生潜势

针对甲烷和恶臭物质产生潜势与垃圾填埋龄的关系,利用全自动甲烷潜能测试系统进行厌氧发酵实验,监测累积产甲烷量和速率,使用气相色谱/质谱联用仪分析恶臭物质种类和浓度.结果表明：填埋龄较短的垃圾产气量高于填埋龄较长的垃圾,填埋龄3a的垃圾产气量最大,单位质量垃圾甲烷累计产生量为29.81mL/g,填埋龄7a的垃圾产气量最小,为6.16mL/g,填埋龄3a的垃圾产甲烷速率最大,最高值达112.3mL/d;共检出40种恶臭物质,芳香族和脂肪烃种类最多、浓度最高,芳香族、卤代烃和含硫化合物浓度比例随垃圾填埋龄增加而增加;脂肪烃浓度比例随垃圾填埋龄增加而减小.     

进料浓度对鸡粪长期高温甲烷发酵的影响

通过固定水力停留时间（HRT）为20d,逐步提高进料总固体（TS）浓度为5.0%,7.5%和10.0%的方式提高有机负荷（OLR）,在高温（55±1）℃条件下开展鸡粪长期甲烷发酵实验并测定了各阶段污泥的比产甲烷活性（SMA）,探究氨氮浓度对鸡粪高温甲烷发酵的影响.结果显示,当进料TS由5.0%增至10.0%,出料氨氮浓度由（2.5±0.3）g/L增至（6.1±0.2）g/L,挥发性脂肪酸（VFAs）由（0.4±0.1）g/L增至（26.1±1.5）g/L,pH值由（8.3±0.2）降至（6.9±0.1）,产气率由（267.2±12.5）mL/g TS_in降至49.8±8.2mL/g TS_in,甲烷浓度由（67.2±1.3）%降至（36.0±1.7）%.长时间采用TS 10.0%的进料浓度,发酵系统中氨氮浓度最高达到7.5g/L,VFAs浓度达到27.0g/L,产气下降明显.氨氮抑制鸡粪高温甲烷发酵产气的初始浓度为2.5~3.0g/L.进料TS大于7.5%,鸡粪高温甲烷发酵会受到氨氮抑制.氨氮浓度的升高导致高温发酵体系利用乙酸产甲烷的能力降低,氨氮浓度达到5.5g/L,SMA降低60.0%;氨氮浓度达到7.0g/L,污泥利用乙酸产甲烷的活动几乎停止.     

碳、氮物质对水稻田土壤甲烷氧化活性影响的研究

研究了碳素和氮素物质对黄松田土壤中甲烷氧化菌种群及其甲烷氧化活性的影响，结果表明，加入不同碳素或氮素物质对黄松田土中甲烷氧化菌种群的数量变化无显著性影响，但对土壤氧化外源甲烷烷尖性却具有显著性影响，且不同浓度的同一物质对黄松田土壤氧化外源甲烷速率的影响也不相同，甲烷氧化代谢途径中的中间产物（甲醇和甲酸）较非甲烷氧化代谢途径中的中间产物和能促进土壤产甲烷菌产甲烷活性的碳源物质（酵母膏，葡萄糖和乙酸）可更强烈地抑制土壤氧化外源甲烷的活性，有机氮素物质对黄松田土的甲烷氧化速率的影响要较无机氮素质质弱，在无机氮素物质中，硝酸盐对土壤氧化外源甲烷活性的抑制强度要强于铵盐类物质，NH3要比NH^ 4对甲烷氧化菌的甲烷氧化活性具有更强的抑制作用，一旦黄松田土的甲烷氧化活性受到碳，氮物质的抑制，恢复其氧化外源甲烷活性就需要较长时间，且受到抑制的过程越,恢复所需时间也越长。     

不同来源底物对厌氧发酵产氢余物产甲烷影响

通过批式试验将不同来源的污泥与餐厨垃圾进行联合厌氧发酵,研究不同产氢程度的污泥-餐厨垃圾在不同污泥接种量下的产甲烷能力,以寻求产氢余物产沼的最佳条件及有机质转化规律。结果表明:污泥-餐厨垃圾产氢余物的产氢程度与体系产甲烷能力呈正相关,即产氢多余物>产氢少余物>不产氢底物;接种量增大后,体系产甲烷效能降低且各体系间的差异逐渐缩小。30%接种量下的产氢多余物体系产甲烷能力最佳,平均产甲烷速率为0.54 mL/（g·d）,在第27天甲烷占比达到峰值87.04%,有最大累积产甲烷量1659 mL;主要原因是该体系挥发酸降解量大（17565 mg COD/L）,占TCOD降解量（35384 mg/L）的50%。     

市政污泥与玉米秸秆混合高温厌氧发酵产甲烷研究

以实验室自主驯化的二沉池污水为接种物,对我国天津、昭通、太原3个城市的市政污泥和玉米秸秆混合物进行了高温(55℃)厌氧发酵,考察了不同发酵体系下发酵液pH、单日产气量、累积产气量、甲烷产率等指标随发酵时间的变化情况。结果表明:污泥单独发酵几乎不存在酸化现象,稳定后的发酵液pH值高于混合发酵试验组;污泥单独发酵系统的最大单日产气量出现在第1,2天,发酵系统加入玉米秸秆后最大单日产气量出现的时间有所延迟;天津污泥单独发酵(20 g-TS)的累积产气量达到2004 mL,高于其他2组;所有发酵系统的VS去除率均达到40%以上;随着发酵过程稳定,甲烷含量维持在70~85 vol.%,天津污泥单独发酵的甲烷产率达到141.01 mL/g-VS;Modified Gompertz拟合表明污泥单独发酵不符合"S"曲线,该系统下发酵停滞期较短,污泥与玉米秸秆质量比为3:1或2:1时甲烷产率、产甲烷速率和发酵停滞期具有一定优势。     

甲烷厌氧氧化协同硝酸盐还原菌群驯化及其群落特征

伴随硝酸盐还原的甲烷厌氧氧化是协同减少环境中硝酸盐及甲烷的有效途径.利用实验室废水处理厌氧污泥、污水处理厂厌氧污泥和填埋场覆土驯化富集硝酸盐还原型甲烷厌氧氧化菌群.考察菌群的甲烷氧化效果,结果发现接种污水处理厂厌氧污泥体系甲烷转化量最大,为0.05 mg·d-1.微生物群落结构分析显示,该体系中甲烷微菌和甲烷八叠球菌是甲烷氧化菌,假单胞菌、梭状芽胞杆菌和热单胞菌参与了硝酸盐的还原反应.硝酸盐的量影响甲烷的转化率及菌群结构.当硝酸盐浓度为200 mg·L-1时,体系中的硝酸盐还原菌为假单胞菌和梭状芽胞杆菌;浓度增加至500 mg·L-1时,硝酸盐还原菌则是假单胞菌和热单胞菌.同时,甲烷转化率增加34.7%.研究结果为该菌群应用于含甲烷废气与含硝酸盐废水的协同处理提供科学依据.     

硫酸盐还原型甲烷厌氧氧化菌群驯化及其群落特征

甲烷的温室效应是二氧化碳的26倍,高浓度硫酸盐废水对水体、土壤和植物均有危害.硫酸盐为氧化剂的甲烷厌氧氧化是减少甲烷的主要途径之一.本研究以硫酸盐作为电子受体,驯化培养硫酸盐还原型甲烷厌氧氧化菌群,采用PCR-DGGE技术分析细菌和古菌菌群多样性和群落结构特征,并对其中的优势菌进行系统发育分析.DGGE指纹图谱结果表明,硫酸盐的加入使微生物群落结构和优势种群数量发生了明显的改变,其增强了甲烷氧化古菌和硫酸盐还原细菌的丰度,加入硫酸盐驯化的菌群,其细菌群落多样性增加而古菌群落多样性略微减少.典型条带测序结果显示,驯化后菌群的优势菌种主要包括螺旋体门(Spirochaetes),除硫单胞菌目(Desulfuromonadales)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)和甲烷丝状菌属(Methanosaeta)等.驯化菌群的甲烷厌氧氧化研究结果显示,甲烷厌氧氧化的同时伴随硫酸盐的还原,甲烷的氧化产物为二氧化碳,硫酸盐的转化产物为硫化氢和硫单质.     

鸡粪中高温厌氧甲烷发酵产气潜能与动力学特性

采用富含氮素的鸡粪为原料,包括原料鸡粪、鸡粪固相部分和鸡粪液相部分,选取以鸡粪为原料连续稳定运行超过90d的中高温厌氧反应器新鲜出料为接种污泥,在中温（35℃）和高温（55℃）条件下开展动力学和产甲烷潜能试验.采用Gompertz模型、一级动力学模型和两阶段模型对鸡粪中高温累积产甲烷量进行拟合.结果表明,鸡粪中高温甲烷发酵均呈现明显的快速产气期和慢速产气期两阶段特征,快速产气期的动力学常数K₁分别为0.4174和0.2104d^-1,快速产气分别在4.5和6.5d结束,快速产气量占到总产气量的69%和58%.原料鸡粪和液相部分的中温发酵动力学常数（K₁）分别为0.4177和0.2330d^-1,均高于高温的0.1721,0.2214d^-1,发酵产气速率较快.鸡粪固相部分中温发酵的动力学常数为0.1960d^-1,低于液相中温发酵的0.2330d^-1和固相高温的0.2310d^-1,中温条件下,水解过程是限制鸡粪甲烷发酵速率的主要因素之一.鸡粪固体和鸡粪液体高温发酵的动力学常数K分别为0.2310,0.22214d^-1,鸡粪固体发酵产甲烷的速率快于液相部分,水解过程不是限制鸡粪高温发酵产甲烷速率的最主要因素.产甲烷潜能试验表明鸡粪在中温和高温下产甲烷潜能分别为212,177mL/gTS.因此,仅从发酵效率的角度考虑,鸡粪中温发酵比高温发酵的产甲烷潜能更高,产甲烷速率更快.     

生物炭介导鸡粪厌氧消化性能研究

为探究生物炭介导的鸡粪厌氧消化产甲烷的较优添加比例,在发酵温度[（35±1）℃]、接种率30%的条件下,进行了以鸡粪为底物,生物炭为外源添加剂的厌氧消化试验,研究生物炭不同添加量（20%、15%、10%、5%和不添加）对鸡粪厌氧消化产气特性的影响,确定了生物炭介导的鸡粪厌氧消化的较优添加比例;同时,用扫描电子显微镜对厌氧消化前后生物炭颗粒和附着在生物炭颗粒上的微生物进行了观察.结果表明：生物炭的添加提高了鸡粪单位VS产甲烷量,添加20%、15%、10%和5%生物炭的处理鸡粪VS产甲烷量分别为223mL/g、228mL/g、230mL/g和281mL/g,均高于对照组的202mL/g;添加生物炭提高了产气中的甲烷含量,降低了二氧化碳和硫化氢含量,提高了沼气品质;电镜扫描结果表明,厌氧消化后生物炭表面及内部附着了大量厌氧微生物,主要为杆菌、微粒菌和球菌;本研究中,生物炭介导鸡粪厌氧消化最优的添加比例约为5%.     

混合折流板厌氧反应器(HABR)处理高浓度糖浆废水

本文对混合折流板厌氧反应器(HABR)处理高浓度糖浆废水进行了研究。反应器在有机负荷率为20kg/m~3·d时,能有效地去除总的和溶解性COD70％以上。试验过程中观察到生物体的颗粒化及颗粒的增大,并观察到颗粒污泥中有类似于甲烷丝菌属(Methanthrix)和甲烷八叠球菌属(MethanosaiCina)的优势甲烷菌。实验过程中根据需要添加氮和磷,反应器内的污泥截留性能很佳,产气量为每天产5倍于反应器容积的气体。     

基于好氧甲烷氧化菌的反硝化效能及微生物群落研究

采用气体循环序批式生物膜反应器（gcSBBR）,构建反硝化型甲烷好氧氧化（AME-D）系统.考察了进水氮负荷的影响,发现氮负荷为0.075kg/（m³·d）时,硝酸盐氮去除率达到98.93%,其反硝化速率为74.25mg/（L·d）,系统的甲烷日平均消耗量为35.91%（初期为50%）;扫描电子显微镜（SEM）分析结果显示,系统中的微生物主要以短杆菌（12~18 μm）为主,并存在少量的丝状菌（长150~200μm）;16S rRNA高通量测序结果显示,该系统中的甲烷氧化菌为Methylocaldum、Methylomonas、Methylococcus和Methylococcaceae_unclassified,反硝化菌为Denitratisoma、Hydrogenophaga、Azoarcus、Thiobacillus和Rhodobacter,其中主要的功能微生物为Methylocaldum、Denitratisoma和Hydrogenophaga,系统对氮的去除是由好氧甲烷氧化菌与反硝化菌协同实现.此外,系统中存在大量以甲醇和甲基胺类物质为生长基质的Methylophilaceae_uncultured（30.4%）.     

不同TS浓度下污水厂剩余污泥和生活垃圾混合厌氧消化特性研究

以污水厂剩余污泥和生活垃圾混合物料为研究对象,通过试验研究了TS浓度分别为1％、3％、6％和10％的混合物料的厌氧消化特性.结果表明:混合物料的TS浓度对厌氧消化过程中的产气量、气体中甲烷体积百分含量、物料COD去除率、厌氧消化液pH值和VFAs浓度均有一定影响;TS浓度偏高或偏低均不利于厌氧消化产气,过高的TS浓度还会导致厌氧消化液VFAs浓度积累过高和pH值下降;当混合物料TS浓度为3％时,厌氧消化效果最好,最高日产气量达537 mL,厌氧消化反应结束时累计产气量达7 905 mL,产气中甲烷体积百分含量最高值达到69.1％,至反应终期物料的COD去除率达49.68％,厌氧消化液pH值维持在6.8～7.5,没有出现因VFAs积累而产生的酸抑制现象.