氨氮对餐厨垃圾厌氧消化性能及微生物群落的影响

为探析氨氮（TAN）对餐厨垃圾厌氧消化性能及微生物群落的影响,在串联批次实验中引入氨氮胁迫,结合Miseq高通量测序分析,研究了不同TAN浓度下厌氧消化系统的过程参数响应以及微生物群落动态.结果显示,随TAN增加,甲烷回收率从（96.53±2.66）%下降至（63.13±0.73）%,消化时间从435h延长至915h,连续驯化下,TAN为3000mg/L的实验组产气性能完全恢复,而高氨氮实验组（TAN³6000mg/L）仍处于抑制状态.相较于乙酸代谢而言,长链挥发性脂肪酸（LCVFAs）代谢对TAN的耐受度更高（6000mg/L）,但一旦被抑制,其功能难以通过驯化恢复.从微生物层面上看,高丰度且功能冗余的水解酸化细菌保证了各TAN梯度下的水解酸化作用;氨氮敏感的Methanosaeta和Methanospirillum也能通过驯化被耐氨的Methanosarcina和Methanoculleus取代,从而维持系统产甲烷功能;相比之下,产氢产乙酸菌功能高度专一,仅C₄~C₁₈降解菌Syntrophomonas和丙酸降解菌Pelotomaculum被检测到,在连续的高氨氮暴露下,前者的丰度虽有一定程度的恢复,但后者未能被驯化,最终系统出现以丙酸为主的LCVFAs积累,产气性能恶化.可见, LCVFAs的互营降解才是氨抑制失稳的关键环节.     

基于基因组和代谢组学的厌氧消化氨抑制失稳机理研究

氨抑制是影响厌氧消化过程高效稳定运行的常见问题.为系统揭示氨抑制失稳机理，本研究在半连续反应器中加入高蛋白底物诱导氨抑制，结合理化分析、高通量测序及代谢组学分析，研究了失稳进程中理化指标变化、微生物群落演替、潜在功能变化和差异代谢物及代谢途径的响应.结果表明，在厌氧消化氨抑制阶段，乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等挥发性脂肪酸(VFAs)积累，甲烷产率由稳定阶段的0.43 L·g^-1下降至0.14 L·g^-1，指示系统失稳.失稳期间，产氢产乙酸菌相对丰度显著下降.丙酸氧化和乙酸型产甲烷途径中功能基因丰度下调，指示其代谢功能被抑制；丁酸和戊酸氧化方面，其β-氧化功能基因未出现丰度下调但其活化过程的功能基因下调.进一步分析差异代谢物发现，氨抑制阶段辅酶Q、L-精氨酸等343种代谢物的表达量显著变化，涉及新陈代谢、环境信息处理、基因信息处理和细胞生理过程等代谢途径.其中，辅酶Q表达量的显著下调可能会导致能量代谢链的活性下降.能量供应不足会进一步加剧乙酸和丙酸代谢功能的恶化，且由于丁酸和戊酸活化需要三磷酸腺苷(ATP)驱动，造成了丁酸和戊酸的代谢耗能及微生物活...     

厨余垃圾厌氧发酵失稳调控及微生物群落分析

针对厨余垃圾厌氧发酵过程中容易积累丙酸和丁酸导致反应体系酸化失稳的问题,驯化了富集耐丙酸和耐丁酸厌氧发酵菌群的接种菌泥,探究利用其对厨余垃圾干式厌氧发酵酸化失稳体系进行调控后对甲烷产量和微生物群落的影响.酸化失稳厌氧体系中添加耐丙酸菌泥调控后,与空白对照组相比反应体系中丙酸浓度削减6900.81mg/L,累积甲烷产量提升了259%;添加耐丁酸菌泥调控后,反应体系中丁酸浓度削减5371.56mg/L,累积甲烷产量提高了210%.微生物多样性分析表明,利用耐丙酸和耐丁酸菌群调控后,细菌种群丰富度明显提高.细菌属水平分析表明,投加耐丙酸驯化菌群后有利于Sporanaerobacter和Proteiniphilum等挥发性脂肪酸降解菌相对丰度增加;投加耐丁酸驯化菌群后,与乙酸型产甲烷菌有协同作用的Sporanaerobacter相对丰度有所增长.古菌属水平分析表明耐丙酸和丁酸菌调控后,氢型产甲烷菌Methanobacterium和乙酸型产甲烷菌Methanosaeta的相对丰度明显提高.     

果蔬废弃物厌氧消化特征及固体减量研究

采用两相厌氧消化工艺处理固体果蔬废弃物,反应液在系统内循环使用,研究了果蔬废弃物产酸发酵类型、产甲烷相对消化产物的利用顺序和果蔬固体减量效果。结果表明,在酸化阶段,挥发酸总量最高达5800mg/L,其中丁酸占45%、戊酸占23%、乙酸占20%、丙酸和乙醇占10%左右,属于丁酸型发酵;产甲烷相对挥发酸的利用顺序为乙醇>丁酸>戊酸>丙酸>乙酸,产甲烷阶段体系ORP为-480mV左右;在厌氧消化处理过程中,反应液中COD由开始时的10000mg/L降至反应后期2000mg/L左右,COD去除率达80%以上;同时,果蔬固体物质去除率达到98.6%,果蔬废弃物减量效果明显。     

进水亚硝氮限制下Anammox去除氨氮研究

利用UASB反应器分别在降低进水亚硝氮/氨氮比（R）和停供亚硝氮条件下研究了Anammox体系运行特性.发现随着进水亚硝氮减少,亚硝氮与氨氮去除摩尔比减小,发生氨氮超量去除现象,即使进水无亚硝氮时也可去除氨氮.当R为1：2时,氨氮超量去除量达最大,均值为57.2mg/L;长期停供亚硝氮条件下氨氮能够稳定去除,平均去除量为45.6mg/L.停供亚硝氮后Anammox体系中微生物群落多样性增加,AnAOB、氨氧化菌和反硝化菌相对丰度均增加.其中AnAOB相对丰度从9.44%增长到13.26%;氨氧化菌相对丰度从3.29%增长到7.3%;反硝化菌相对丰度由0.54%增加到3.14%.研究表明,溶解氧是氨氮超量去除量的限制性因素,氨氮超量去除的途径包括：好氧氨氧化、厌氧氨氧化与部分内碳源反硝化.在微量溶解氧作用下,主要是氨氧化菌与厌氧氨氧化菌协同实现了氮的去除.     

三价铁对有机物存在下厌氧氨氧化脱氮的影响

考察了三价铁（2.24~7.84mg/L）存在下厌氧氨氧化系统对有机物的耐受性能,并通过16SrRNA高通量测序技术和定量PCR探究其机理.结果表明,进水COD浓度为50和100mg/L时,4个反应器的氨氮和总氮去除率均较高（>90%）,三价铁的强化作用不明显;进水COD浓度继续升高（150和200mg/L）,厌氧氨氧化受到抑制,三价铁的强化作用逐渐增加;COD浓度为200mg/L时,添加三价铁（7.84mg/L）可将氨氮和总氮去除率由61.3%和79.8%（对照组）提升至71.2%和84.7%.16SrRNA高通量测序技术表明,有机物存在下,污泥微生物群落结构出现变化,主要表现为厌氧氨氧化菌丰度的降低及反硝化菌群的大量增殖,进水添加三价铁可提高浮霉菌（Planctomycetes）的丰度.定量PCR结果表明,三价铁能够提高厌氧氨氧化菌16S rRNA及功能基因hzsB的丰度.     

不同底物种类对厌氧发酵产氢的影响

在批式培养试验中以人工配置的废水为原料,以厌氧消化污泥作为天然产氢菌源,通过厌氧生物发酵制备生物氢气,研究了不同底物葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、木糖、乳糖对产氢能力的影响,以及生物制氢发酵过程中液相组成的变化,并对产氢动力学和细菌生长动力学进行了分析.结果表明,5种底物中最佳的底物是葡萄糖,氢气含量、累积产氢量和氢气产量最高可达到49.52%、67.21 L/mol、3.23 mol/mol.发酵产氢代谢产物以丁酸和乙酸为主,乙酸的含量占到26.76%～40.49%,丁酸的含量占到37.60%-58.07%.并含有部分丙酸和乙醇,属于丁酸型发酵.丁酸/乙酸比值可作为衡量氢气产生效率的一个指标,比值越大产氢量越高.实验中氧化还原电位均在-300 mV以下,以厌氧为主.Gompertz模型能够很好地拟合其产氢过程和产氢菌生长过程.     

AFMBR处理生活污水的功能菌群特性研究

厌氧流化床膜生物反应器(AFMBR)作为一种低耗产能的高效厌氧反应器,在处理生活污水中有着巨大的潜力.本研究主要利用宏基因组测序技术对AFMBR系统内的微生物菌群进行探究,结果表明:与接种菌群相比,AFMBR经过一段时间的连续运行后,在属水平上古菌优势菌属由接种时的甲烷囊菌属变为甲烷八叠球菌属、甲烷杆菌属,细菌的整体菌属结构发生了较大变化;在种水平上,系统内不存在较明显的优势菌种.从相对丰度比例≥1%的菌种来看:水解发酵菌群产氢产乙酸菌群产甲烷菌群,但各菌群之间相对丰度的差距较小.从基因水平来看,系统内与碳水化合物代谢、氨基酸代谢、能量代谢相关的基因丰度较高,二氧化碳、乙酸转化为甲烷是系统产甲烷的主要途径.     

武汉东湖沉积物好氧氨氧化微生物时空分布

采用实时荧光定量PCR （qPCR）技术,测定了武汉东湖沉积物中氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）氨单加氧酶基因（amoA）的丰度,并结合沉积物水体环境中各形态氮素的含量,分析氮素含量对AOA和AOB的时空分布的影响.结果显示,AOA amoA基因丰度大于AOB amoA基因丰度,表明AOA对氨氧化过程的贡献较大.同时,AOA和AOB amoA基因丰度都随深度增加而降低.此外,间隙水的总氮、氨氮、硝酸盐氮以及亚硝酸盐氮浓度分别为6.28~33.56、2.71~22.7、0.12~0.98、0.01~0.13mg/L;上覆水的总氮、氨氮、硝酸盐氮以及亚硝酸盐氮平均浓度分别为1.68,0.79,0.16,0.04mg/L;表层水的总氮、氨氮、硝酸盐氮以及亚硝酸盐氮平均浓度分别为1.34,0.62,0.11,0.03mg/L,表明东湖东湖沉积物相对于水体呈营养盐可释放状态.相关性分析表明：AOA amoA基因丰度与间隙水氨氮和亚硝酸盐氮浓度呈显著正相关（P<0.05）,AOB amoA基因丰度与间隙水亚硝酸盐氮（NO₂^--N）浓度呈显著正相关（P<0.05）.     

颗粒型厌氧生物膜改善高氢分压下丙酸降解抑制研究

为了改善氢辅助型原位沼气提纯系统中高氢分压对丙酸降解的抑制, 考察了不同颗粒型厌氧生物膜(有无载体、导电和非导电载体) 培养初期和末期的丙酸降解性能;并通过微生物形态和群落分析,探讨了颗粒型生物膜丙酸降解机制.结果表明,导电碳毡厌氧生物膜和厌氧颗粒污泥能有效改善高氢分压下丙酸降解抑制问题.其最大丙酸降解速率分别达到2.2,1.2mmol/(L·h).碳毡厌氧生物膜可能主要通过产酸细菌(Thermovirga、Levilinea、Syntrophomonas属)和产甲烷古菌(Methanosaeta属)的电子直接传递(DIET)途径实现丙酸的降解;而厌氧颗粒污泥降解丙酸的途径可能主要依靠产酸细菌(Syntrophobacter属)与嗜氢型甲烷菌(Methanolinea 、Methanobacterium属)的共生营养代谢过程.     

间歇曝气对部分硝化-厌氧氨氧化处理氨氮废水的影响

采用间歇曝气在MBBR反应器中成功实现一段式部分硝化耦合厌氧氨氧化(PN/A)过程.结果表明,在实验温度为35℃,进水氨氮浓度为150.00mg/L,进水氮负荷为0.24kg/(m3·d),DO浓度为(1.41±0.24)mg/L条件下,反应器总氮去除效率达到83.74％.生物膜中厌氧氨氧化菌(AnAOB)和氨氧化菌(...     

基于固液分离预处理的餐厨垃圾厌氧发酵

研究不同预处理方法所获餐厨垃圾浆料的半连续式厌氧发酵效果,评价该类餐厨垃圾的产甲烷资源化潜能.结果表明,固液油三相分离预处理后的液相餐厨垃圾作为进料较固液混合相餐厨垃圾在厌氧发酵时具有更高的VS去除率,实际产甲烷潜能和甲烷转化率,分别为91.2%, 531.5mLCH₄/gVS和54.3%,表明液相餐厨垃圾半连续中温湿式厌氧发酵具有良好的减量化和资源化效能.微生物群落分析表明,不同预处理方式影响了餐厨垃圾厌氧发酵系统的微生物群落演替,氨氮浓度是导致古菌群落转移和丰度变化的关键因素.液相餐厨垃圾厌氧发酵时是以氢营养型产甲烷菌Methanoculleus为主,而在固液混合相餐厨垃圾厌氧发酵时则以耐高浓度氨氮的Methanosarcina多功能产甲烷菌为主.     

厌氧氨氧化脱氮除碳功能菌群结构及代谢途径

为明确不同有机物浓度(50～150mg/L)和竹炭同时存在下厌氧氨氧化颗粒污泥系统的脱氮除碳功能菌群结构及代谢途径差异,采用宏基因组测序技术对其微生物分布规律和碳氮代谢基因表达进行了研究.结果表明,当COD浓度为50,150mg/L,添加竹炭显著提升了厌氧氨氧化菌(AnAOB)的相对丰度,Candidatus_Kuen...     

短链脂肪酸对太湖底泥多氯联苯微生物厌氧脱氯的影响

选取二氯联苯PCB5和PCB12、四氯联苯PCB64和PCB71、类二噁英五氯联苯PCB105和PCB114、六氯联苯PCB149和PCB153、七氯联苯PCB170,考察了添加7.5mmol/L乙酸和7.5mmol/L混合酸（乙酸：丙酸：丁酸=1：1：1）条件下,9种典型商业多氯联苯单体在太湖底泥厌氧微环境中24周内的脱氯降解情况.结果表明：乙酸和混合酸的添加均在一定程度上强化了多氯联苯的降解,多氯联苯总浓度降低速率由（0.276±0.023） mg/（kg·week）分别加快至（0.383±0.033）和（0.410±0.036） mg/（kg·week）;提高了部分脱氯路径的相对反应速率,特别是单侧氯取代的对位脱氯,但未改变脱氯微生物对多氯联苯降解底物的选择性及主要脱氯路径;进一步降低了体系类二噁英多氯联苯总毒性当量（TEQ）,24周降幅均在95%以上;乙酸和混合酸所起到的促进效果并无显著性差异.     

微生物载体对MBBR工艺性能及微生物群落结构的影响

通过选用聚氨酯吸水凝胶(porous polymer carriers, PPC)、聚氨酯海绵(polyurethane, PU)、聚丙烯(polypropylene, PP)3种材质的微生物载体,对分别投加这3种载体的移动床生物膜反应器(MBBR)的启动性能、氮去除性能及微生物群落结构进行对比分析。结果表明:在进水氨氮浓度为20 mg/L的情况下,PPC及PU载体表现出较好的挂膜启动性能和氨氮去除性能,出水氨氮平均浓度在5 mg/L左右,而PP载体的出水氨氮平均浓度将近7 mg/L,且去除效果稳定性较差;此外PU载体和PP载体的反硝化效果不理想,出水硝态氮平均浓度分别为6.07,4.87 mg/L,比PPC载体(2.80 mg/L)高出许多。微生物测序结果表明,微生物载体的选择对MBBR工艺微生物群落结构有一定影响,但Proteobacteria和Bacteroidetes始终是占比最大的细菌门类。属水平的分析表明PPC载体上存在较高丰度的反硝化Denitratisoma菌属,且PPC载体独特的结构和亲水性有助于营造缺氧环境,提高反应器整体脱氮性能和稳定性。     

PFOA与PFOS对厌氧氨氧化污泥特性和微生物群落的影响

通过序批实验研究了不同浓度(0.5,1mg/L)与不同类型的全氟化合物(PFCs)对厌氧氨氧化(anammox)污泥脱氮性能及微生物群落的影响.结果表明,0.5与1mg/L全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸盐(PFOS)对anammox污泥的脱氮性能无明显抑制作用;1mg/L PFOA(OA1)与PFOS(OS1)添加...     

厌氧消化过程稳定性与微生物群落的相关性

为探析厌氧消化过程稳定性与微生物群落的相关性,在餐厨垃圾厌氧消化反应器中引入负荷扰动以诱导不同的运行状态,理化分析和高通量测序相结合用于研究各个状态下的状态参数响应及微生物群落动态.结果表明,均衡的群落结构保证了反应器的稳定运行,稳定状态下反应器的甲烷产率和挥发性固体（VS）去除率分别高达（0.50±0.01）LCH₄/gVS和（89.58±0.08）%.高负荷下产酸细菌（柔膜菌门、放线菌门）大量增殖,诱导互养脂肪酸降解菌（梭菌纲）的相对丰度剧增,然而与之互营的氢型产甲烷菌的丰度和活性却下降了.产甲烷菌与互养脂肪酸降解菌的失衡导致它们不能有效的互养合作,从而引起挥发性脂肪酸（VFA）积累和过程失稳.积累的VFA和氨使比乙酸产甲烷活性（SAMA）和比产甲烷活性（SMA）分别下降60.12%和72.51%,进一步加剧了过程失稳.扰动停止后,尽管反应器恢复了原有运行条件和性能,但微生物群落达到了新的平衡.