UASB反应器中产甲烷菌对温度胁迫的响应

采用间歇培养方式探讨了升流式厌氧污泥床(UASB)反应器中不同营养类型产甲烷菌对温度胁迫的响应规律.研究结果表明,产甲烷螺旋菌(Methanospirillum)是该反应器的主要氢营养型产甲烷菌,而主要乙酸营养型产甲烷菌为产甲烷丝状菌(Methanosaeta).在35℃条件下,氢营养型和乙酸营养型产甲烷菌的累计甲烷产量分别为24.7,11.7mL,而最大产甲烷速率分别为0.74,0.18mL/h.当温度从35℃分别降低至30,25,20,15℃时,导致氢营养型产甲烷菌的累计产甲烷量分别减少了14.2%,34.0%,47.0%,57.5%,而乙酸营养型产甲烷菌的累计产甲烷量分别减少了5.1%,23.9%,45.3%,95.7%.由此可见,在20~30℃时氢营养型产甲烷菌对温度胁迫更加敏感,而在15℃以下时乙酸营养营养型产甲烷菌对温度胁迫更加敏感.     

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.     

温度分化对APBR反应器性能及产甲烷菌群落的影响

为了研究温度分化对固定床厌氧反应器(anaerobic packed bed reactor,APBR)牛粪发酵处理效果及产甲烷菌群落的影响,反应器发酵温度从室温(22℃±1℃)阶梯式分化到低温(15℃±1℃)、中温(37℃±1℃)和高温(55℃±1℃).温度变化的过程中,温度越高COD(chemical oxygen demand)去除率和日总产气量越高,分化后COD去除率分别为25%、45%、60%,相应的日产气量为2.3、4.0、8.5 L·d-1,但是甲烷含量基本保持不变(~60%);温度突然变化造成挥发性脂肪酸含量骤然增加,并处于波动状态.16S r RNA基因克隆文库法分析表明,室温时包含广古菌门中的常见重要产甲烷菌MBT(甲烷杆菌目)、Mst(甲烷鬃菌科)、Msc(甲烷八叠球菌科)和MMB(甲烷微菌目),以及嗜热菌,也有少部分泉古生菌门,发酵温度分化后,产甲烷菌多样性减少,中温条件下产甲烷菌种类相对较少.定量PCR表明Mst、MMB和Msc总基因浓度都有所减少,并且温度越高减少越多,各菌数量相对比例变化较大,但Mst仍为优势产甲烷菌.     

水体中蓝藻水华分解产甲烷动态过程研究

在巢湖开展蓝藻分解的原位围隔实验,实验期间测定围隔中层水体溶解性甲烷浓度和主要理化因子,通过定量PCR的方法测定产甲烷菌mcrA基因拷贝数以及细菌和古菌16S rRNA基因拷贝数随时间的变化情况.结果显示:随着蓝藻有机质分解,水体产甲烷菌数量逐渐增加,溶解性甲烷浓度最高达到2.94mg/L;产甲烷菌mcrA基因拷贝数与甲烷浓度具有显著的正相关关系;同时还发现水体中的亚铁离子(Fe~(2+))含量与产甲烷菌的数量具有显著的正相关关系.上述结果支持蓝藻水华爆发导致水体也成为甲烷生物合成热点区域的观点.本研究获得的结果有助于进一步分析不同产甲烷热点区域(水体和沉积物)对湖泊甲烷总体释放量的贡献情况.     

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.     

生物炭强化苯酚厌氧降解产甲烷特性

通过批次实验探究生物炭对苯酚厌氧降解产甲烷过程的促进机制,并考察了300,500,700℃下制备的生物炭对苯酚甲烷化过程延滞期、最大产甲烷速率和微生物群落结构的影响.结果表明：生物炭的电子交换能力与苯酚甲烷化过程具有显著关系（R²=0.997）.与对照组相比,投加15g/L的生物炭可将苯酚甲烷化的延滞期从15.0d缩短至1.1~3.2d,最大产甲烷速率由4.0mL/d提高到10.4~13.9mL/d.其中在热解温度500℃下制备的生物炭由于含有丰富的电化学活性类醌结构,对苯酚甲烷化过程促进效果最优.此外,生物炭投加促进了典型产电细菌Geobacter及产甲烷菌Methanosaeta的富集.进一步说明生物炭投加通过促进种间电子传递加速了苯酚甲烷化过程.     

产甲烷微生物研究概况

甲烷是仅次于CO2的第二大温室气体,因此环境中甲烷来源的研究在环境保护方面具有重要意义.大气中甲烷的浓度(体积分数)约为1.7×10-6,其中约有75%来源于产甲烷菌的代谢.产甲烷菌是一类厌氧古生菌,其分类主要依据为16S rRNA以及其他生化指标.产甲烷菌主要以乙酸、H2和CO2及甲基类化合物为底物并以甲烷为终产物.产甲烷菌生命活动过程深受自然环境的影响.本文从产甲烷菌的发现、形态、分类、代谢机制、生态学研究方面介绍产甲烷菌的研究概况.     

不同含固率下零价铁提升厨余垃圾高温厌氧消化产沼体系运行稳定性研究

相比中温（35 ℃）厌氧消化,高温（55 ℃）厌氧消化中微生物代谢活性强,处理效率高,且无害化水平高,适合厨余垃圾的资源化处理及 利用.但由于厨余垃圾易降解,有机质含量高,水解速率快,极易在厌氧消化前期出现酸积累现象,这种现象在高温厌氧消化中更为显著,从而严重制约着高温厌氧消化的应用.本研究探究了零价铁（ZVI）对高温厌氧消化过程酸化现象的消除和控制,并对投加ZVI后不同含固率下 厌氧反应器严重酸化现象缓和效果进行评价.结果表明,高温条件下含固率为4%、6%的反应器在ZVI的促进作用下很快恢复产沼,甲烷产率相较低负荷反应器分别提高了52.05%、10.51%.含固率为8%的投加ZVI反应器在经历一个月的延滞期后也消除了“过酸化”,甲烷含量稳定在60%以上, 甲烷产率达到270.40 mL·g^-1.以加ZVI反应器沼液作为接种物的H-ICS反应器能够降低氢分压,但未能消除“过酸化”.含固率为10%的反应器在反应结束后仍处于酸化状态.高通量测序结果表明,所有外加ZVI的反应器中嗜氢产甲烷菌是绝对的优势菌.在恢复产沼的H-ZVI反应器以细菌Defluviitoga产生的乙酸盐、CO₂、H₂和丁酸转化来的乙酸为底物,嗜氢产甲烷菌Methanothermobacter作为唯一优势产甲烷古菌,与互营乙酸氧化菌Syntrophaceticus相互作用,实现互营乙酸氧化产甲烷（SAO-HM）途径,恢复产甲烷代谢.     

一组中温厌氧消化菌群高温启动过程中的菌群多样性变化研究

该研究利用37℃培养的中温厌氧消化菌群为菌源,直接提温至50℃驯化培养,获得连续处理高浓度糖蜜废水的厌氧消化产甲烷菌群,并考察高温驯化过程中菌群结构及多样性的变化特征.结果表明,中温厌氧消化菌群直接转入高温培养后,在高浓度有机废水连续进料的条件下,厌氧消化过程能够快速启动生成甲烷,并在22 d后形成稳定的高温厌氧消化产甲烷菌群,平均甲烷生成效率为162.3 m L CH_4/g COD.乙酸和丙酸是厌氧发酵液内的2类主要有机酸,产气稳定期间的质量浓度分别为25.3和145.3 mg·L~(-1).转入高温培养后,菌群结构产生巨大变化,细菌变异程度强于古菌,并逐渐稳定成为以代谢糖、多种有机酸的细菌和产甲烷古菌为主要优势菌群的高温厌氧消化菌群.克隆结果显示细菌菌群以Thermacetogenium和Acetomicrobium faecal为主要优势菌群,分别占细菌克隆文库的33.44%和20.99%;古菌菌群以Methanosaeta和Methanoculleus为主要优势菌群,占古菌克隆文库的56.40%和39.75%.转入高温培养后,产甲烷古菌的总生物量下降,含量约为7.6×106拷贝/g活性污泥.研究结果对阐明温度选择压力对厌氧消化菌群结构与功能影响,改进高温厌氧消化菌群富集方法具有重要意义.     

湿地甲烷代谢微生物产甲烷菌和甲烷氧化菌的研究进展

湿地作为一种独特的生态系统,是大气中重要温室气体甲烷（CH₄）的"源",湿地CH₄的排放是CH₄的产生、传输和氧化三个过程的最终结果,其排放量与产甲烷菌（methanogens）和甲烷氧化菌（methanotrophs）的活动密切相关。本文对湿地甲烷代谢重要微生物产甲烷菌和甲烷氧化菌的分类、特点、代谢途径、分子生态学研究现状及影响湿地产甲烷菌和甲烷氧化菌的重要环境因子等方面进行了综述,旨在促进我国湿地产甲烷及甲烷氧化菌群的领域更加系统和深入的研究,为有效调控湿地CH₄代谢,减少CH₄排放通量提供参考。     

Absolute dominance of hydrogenotrophic methanogens in full-scale anaerobic sewage sludge digesters

Anaerobic digestion （AD） is gaining increasing attention due to the ability to covert organic pollutants into energy-rich biogas and, accordingly, growing interest is paid to the microbial ecology of AD systems. Despite extensive efforts, AD microbial ecology is still limitedly understood, especially due to the lack of quantitative information on the structures and dynamics of AD microbial communities. Such knowledge gap is particularly pronounced in sewage sludge AD processes although treating sewage sludge is among the major practical applications of AD. Therefore, we examined the microbial communities in three full-scale sewage sludge digesters using qualitative and quantitative molecular techniques in combination： denaturing gradient gel electrophoresis （DGGE） and real-time polymerase chain reaction （PCR）. Eight out of eleven bacterial sequences retrieved from the DGGE analysis were not affiliated to any known species while all eleven archaeal sequences were assigned to known methanogen species. Quantitative real-time PCR analysis revealed that, based on the 16S rRNA gene abundance, the hydrogenotrophic order Methanomicrobiales is the most dominant methanogen group （〉 94% of the total methanogen population） in all digesters. This corresponds well to the prevailing occurrence of the DGGE bands related to Methanolinea and Methanospirillum, both belonging to the order Methanomicrobiales, in all sludge samples. It is therefore suggested that hydrogenotrophic methanogens, especially Methanomicrobiales strains, are likely the major players responsible for biogas production in the digesters studied. Our observation is contrary to the conventional understanding that aceticlastic methanogens generally dominate methanogen communities in stable AD environments, suggesting the need for further studies on the dominance relationship in various AD systems.     

微生物在生物煤层气形成中的作用及影响因素研究进展

在当今能源紧缺和环境污染严重的前提下,煤层气作为一类非常规天然气,越来越受到人们的重视。传统观点认为煤层甲烷多由高温热解产生,但是根据甲烷的同位素特征来判断,世界很多地方(包括我国鄂尔多斯、淮南等地)的煤层气多属生物成因或者生物和热成因混合。同时,越来越多的生物学证据也表明种类多样的产甲烷相关微生物广泛存在于煤层伴生地层水中或者煤层样品中。这也说明生物成因的煤层气仍然在不断地产生,这也为利用生物方法促进煤层气产生和利用提供了良好的契机。本文将介绍产甲烷微生物种群构成与功能、产气途径、影响产气速率的因素,探讨我国微生物强化产煤层气并实现产业化的应用前景。     

OLR对ABR沿程格室甲烷发酵特征的影响

为高效处理玉米淀粉生产废水,启动并持续运行了一个四格室厌氧折流板反应器（ABR）,通过分阶段提升进水COD的方法,探讨了有机负荷率（OLR）对ABR运行效能的影响,并采用间歇培养方式考察了OLR对沿程格室中不同营养类型产甲烷菌群活性的影响.结果表明,在OLR分阶段从2.7提高到8.0 kg·m^-3·d^-1的过程中,ABR前两个格室（C1和C2）始终呈现出典型的产酸发酵特征,其污泥的有机挥发酸（VFAs）比产率为0.54~0.76 kg·kg^-1·d^-1（以每天每千克MLVSS产出的1千克有机挥发酸计,下同）,而后两个格室（C3和C4）则表现出典型的产甲烷特征,其污泥的比产甲烷速率达98 L·kg^-1·d^-1（以每天每千克MLVSS产出的1升甲烷计,下同）以上.活性污泥产甲烷活性测试结果表明,当OLR为2.7~8.0 kg·m^-3·d^-1时,C3中的氢营养型产甲烷菌群保持了较高的产甲烷活性,其最大甲烷产量（P_max）和最大比产甲烷速率分别达到了20.4 mL和16.5 mL·g^-1·h^-1（以每小时每克MLVSS产出的1毫升甲烷计,下同）以上.乙酸营养型产甲烷菌群的累计甲烷产量由大到小依次为：C3 > C4 > C1 > C2.经过144 h的培养后,C3中乙酸营养型产甲烷菌群的累计甲烷产量为15.1~15.2 mL,最大比产甲烷速率为10.0~10.8 mL·g^-1·h^-1.     

不锈钢毡电极MEC甲烷原位纯化及原理

为实现有机废弃物能源化利用,采用不锈钢毡电极微生物电解池(MEC)处理含乙酸的模拟废水,系统地研究了外加电压对乙酸去除、甲烷(CH4)生成、微生物种群和活性等方面的影响.结果表明,MEC(0.4 V)中乙酸去除速度最快,可以达到(167.30±0.71)mg·L~(-1)·h-1;MEC(1.0V)中CH4浓度、CH4产生速度和乙酸去除率达最大值,分别为96.98%±1.19%、(1.18±0.04)LMet·d-1·LR-1和100%±0.05%.另外,外加电压可提高阴极微生物代谢活性和嗜氢产甲烷菌的相对丰度.外加电压为1.0 V时,嗜氢产甲烷菌相对丰度达78.87%,其中Methanospirillum最为丰富,其含量占到全部微生物的68.38%.研究证明MEC可以实现乙酸的快速去除、甲烷高效制备和甲烷原位纯化.     

Effect of a high strength chemical industry wastewater on microbial community dynamics and mesophilic methane generation

A high strength chemical industry wastewater was assessed for its impact on anaerobic microbial com- munity dynamics and consequently mesophilic methane generation. Cumulative methane production was 251 mL/g total chemical oxygen demand removed at standard temperature and pressure at the end of 30 days experimental period with a highest recorded methane percentage of 80.6% of total biogas volume. Volatile fatty acids （VFAs） analysis revealed that acetic acid was the major intermediate VFAs produced with propionic acid accumulating over the experimental period. Quantitative analysis of microbial communities in the test and control groups with quantitative real time polymerase chain reaction highlighted that in the test group, Eubacteria （96.3%） was dominant in comparison with methanogens （3.7%）. The latter were dominated by Methanomicrobiales and Methanobacteriales while in test groups increased over the experimental period, reaching a maximum on day 30. Denaturing gradient gel electrophoresis profile was performed, targeting the 16S rRNA gene of Eubacteria and Archaea, with the DNA samples extracted at 3 different time points from the test groups. A phylogenetic tree was constructed for the sequences using the neighborhood joining method. The analysis revealed that the presence of organisms resembling Syntrophomonadaceae could have contributed to increased production of acetic and propionic acid intermediates while decrease of organisms resembling Pelotomaculum sp. could have most likely contributed to accumulation of propionic acid. This study suggested that the degradation of organic components within the high strength industrial wastewater is closely linked with the activity of certain niche microbial communities within eubacteria and methanogens.     

脉冲式盐水及Fe(III)施加对河口感潮淡水湿地土壤产甲烷菌和硫酸盐还原菌群落结构和数量的影响

以闽江河口塔礁洲感潮淡水河岸野慈姑（Sagittaria trifolia Linn.）沼泽湿地为研究对象,通过连续一年每月脉冲式施加人造海水和Fe（OH）₃溶液,研究了脉冲式盐水入侵和Fe（III）浓度增强对河口感潮沼泽湿地土壤产甲烷菌和硫酸盐还原菌群落结构的影响.结果显示,单独Fe（III）施加显著提高了土壤Fe（III）含量,单独盐水施加提高了土壤电导率及间隙水SO₄^2-、Cl^-和NH₄⁺浓度,在Fe（III）和盐水交互作用下间隙水NO₃^-浓度显著降低.土壤产甲烷菌主要包括甲烷微菌目（Methanomicrobiales）、八叠球菌目（Methanosarcinales）、甲烷杆菌目（Methanobacteriales）和Methanomassiliicoccales,硫酸盐还原菌主要有脱硫弧菌目（Desulfovibrionales）、脱硫杆菌目（Desulfobacterales）、互营杆菌目（Syntrophobacterales）和梭菌目（Clostridiales）.无论是脉冲式盐水入侵、Fe（III）浓度增强或是两者交互作用对于土壤产甲烷菌和硫酸盐还原菌多样性及群落结构的影响均不显著.与目水平相比,硫酸盐还原菌在属水平上对于各添加处理的响应更为明显,其中盐水+Fe（III）处理下Desulfatibacillum和Desulfovirga的相对丰度明显增加.RDA分析表明,土壤电导率对产甲烷菌群落结构的影响最为显著,Fe（III）是影响硫酸盐还原菌的重要环境因子,且Desulfatibacillum、Desulfobulbus、Desulfovirga等菌属对环境因子的响应较为敏感.研究表明,脉冲式盐水入侵及三价铁浓度增加对于我国东南沿海河口感潮淡水沼泽湿地土壤产甲烷菌和硫酸盐还原菌无显著影响.     

红霉素对产甲烷菌的抑制及其驯化

红霉素是一类具有一定生物毒性的抗生素类药品,为探明红霉素对产甲烷菌的抑制作用及其可驯化能力,依次在厌氧瓶中进行厌氧毒性试验、在升流式厌氧污泥床反应器(UASB)中进行连续实验,测定累计甲烷产量、相对产甲烷速率、COD去除率、甲烷含量.结果表明,红霉素为150 mg.L-1时产甲烷速率降为56.1%;250 mg.L-1时反应速率降低99%以上,活性受到完全抑制.保持红霉素投加量为20 mg.L-1连续运行60 d,COD去除率、甲烷含量可达到81.4%、64.2%.红霉素对甲烷菌有抑制作用,半抑制浓度为150 mg.L-1.甲烷菌对红霉素有一定的驯化能力,驯化60 d后COD去除率、甲烷含量较未驯化时可提高15.13%、22.05%.