驯化对餐厨垃圾厌氧消化系统微生物群落结构的影响

为研究驯化对餐厨垃圾厌氧消化系统微生物群落结构的影响,在单相完全搅拌式(CSTR)反应器内,以农村户用沼气池污泥为接种污泥,进行了餐厨垃圾中温厌氧消化.反应器在3 g·L-1·d-1(以VS计)的负荷下成功启动,并连续45 d维持性能稳定,表明驯化成功.期间采用454焦磷酸测序技术分析了驯化前后系统内的微生物群落结构.结果表明,微生物群落结构与底物密切相关,驯化后细菌及古菌群落都发生明显变化.从细菌群落看,与复杂有机物降解相关的菌类显著下降(如梭菌纲(Clostridia)和(vadin HA17),而易降解碳水化合物发酵菌(如Petrimonas)和脂肪降解菌(如Erysipelotrichia)显著增加.这与餐厨垃圾易降解有机物含量高,且富含淀粉和脂肪相关.丰富的易降解有机物还使得反应器内总挥发性脂肪酸(VFA)浓度((2203±174)mg·L-1)远高于种泥水平((222.0±0.3)mg·L-1),这导致了产甲烷菌由乙酸型的甲烷鬃菌属(Methanosaeta,占85.01%)绝对主导转向氢营养型的甲烷螺菌属(Methanospirillum,占35.35%)、甲烷囊菌属(Methanoculleus,占9.89%)与之(46.97%)共同主导的局面.然而,驯化后Methanosaeta在非最优条件下依然保持主导地位,可见接种污泥的群落组成对厌氧消化系统群落结构的塑造也具有重大影响.     

乙酸驯化对厌氧污泥微生物群落结构及发酵特性的影响

采用乙酸对厌氧污泥进行逐步驯化,以富集乙酸营养型产甲烷菌群,解决厌氧发酵过程中的酸抑制问题.对驯化前后污泥中的微生物群落结构及其在高酸浓度和低p H值条件下的发酵特性进行了研究.结果表明:驯化后污泥中乙酸营养型产甲烷菌中的甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)得到了明显富集,其相对丰度由原始的4.2%提高到58.1%,成为耐酸污泥中的主导优势古菌群;氢营养型产甲烷菌属的丰度则都有不同程度的下降.污泥中产甲烷菌群由氢营养型为主导转为乙酸营养型和氢营养型共同主导.驯化前后污泥中细菌的优势菌门均为主要降解纤维素和半纤维素的厚壁菌门(Firmicutes)和降解蛋白质的拟杆菌门(Bacteroidetes),其中驯化后Firmicutes的丰度由48.8%提高到61.7%,而Bacteroidetes的丰度则由30.1%降低至16.9%.驯化后的污泥对高VFA浓度和低pH值的耐受性均有较大程度的提高,其在VFA浓度为7500 mg·L~(-1)及pH 6.0条件下仍可以快速产气.     

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.     

大庆聚驱后油藏内源微生物群落结构解析与分布特征研究

利用变性梯度凝胶电泳(denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)技术和主成分分析法(principal component analysis,PCA)解析了大庆油田聚驱后油藏的细菌和古菌群落结构组成及分布特征.结果表明,注水井中的细菌主要以好氧的假单胞菌属和不动杆菌属为主,注水井近井地带以兼性厌氧的肠杆菌属为主,各采油井中的细菌则包括陶厄氏菌属、梭菌纲、假单胞菌属、油杆菌属及大量的未培养细菌;各注水井及注水井近井地带检测到的古菌主要是乙酸型产甲烷的甲烷鬃菌,各采油井中古菌则以甲烷微菌属、甲烷螺菌属及甲烷杆菌属等为主.总体上,该聚驱区块从注水井到采油井,细菌优势菌群依次呈好氧细菌-兼性厌氧细菌-严格厌氧细菌分布;古菌的分布受环境因素及微生物代谢产物影响,注水井和采油井中的优势菌群差异显著.     

沼气产生菌的低温筛选及其复配研究

采用厌氧培养技术、低温培养技术(8℃)及多种菌群的混合培养技术,分别通过限制性培养基,分离筛选出产甲烷菌(MPB)、纤维素降解菌(FDB)、蛋白酶产生菌(PPB)、硫酸盐还原菌(SRB)以及产氢细菌(HPB),以猪粪、油菜秸秆、牛粪为发酵底物,进行复合发酵沼气试验。结果表明:当MPB、FDB、PPB、SRB、HPB混合比例为4∶3∶3∶1∶2时,甲烷的产量最高,其得率达200.13 m L/L,明显高于未添加复合菌剂时的甲烷产量(仅48.02 m L/L)。     

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.     

微氧水解酸化处理石化废水的生物降解特性

本研究采用微氧水解酸化技术处理石化废水,以抑制硫酸盐的还原,减少硫化氢的产生.同时,通过与厌氧水解酸化的对比试验,研究了微氧水解酸化的生物降解特性.微氧反应器的ORP控制在(-290±71)m V,厌氧反应器的ORP为(-398±31)m V.反应器运行近7个月的结果表明,在进水COD为202~514 mg·L-1、硫酸根浓度为350~650 mg·L-1及HRT为12 h时,微氧水解酸化反应器COD的平均去除率为31.2%,高于厌氧水解酸化的26.4%.厌氧出水的VFA浓度((2.34±0.60)mmol·L-1)高于微氧出水((1.89±0.48)mmol·L-1).微氧出水的平均比紫外吸收值(UV254/DOC)为0.017,显著低于厌氧出水(0.025),表明微氧环境可以提高兼性水解酸化菌的生理代谢功能,强化难降解芳香有机物和含共轭双键大分子化合物的去除.微氧水解酸化出水的硫离子浓度((0.11±0.04)mg·L-1)显著低于厌氧出水((1.27±1.22)mg·L-1).454焦磷酸测序结果表明:微氧水解酸化菌群中,变形菌门、绿弯菌门和放线菌门菌群丰度(所占比例分别为39.7%、20.3%、1.9%)高于厌氧水解酸化菌群(分别为36.9%、17.5%、1.3%),对难降解大分子有机物的去除效果好;厌氧水解酸化菌群中拟杆菌门和酸杆菌门所占比例较大,酸化效果更好.在属的水平上,微氧水解酸化污泥中鉴定出的硫酸盐还原菌的种群多样性和丰度均低于厌氧污泥,这与其出水较低的硫离子浓度一致,表明微氧环境能够有效抑制硫酸盐还原菌的活性.上述研究结果表明,微氧水解酸化是一种很有前途的石化废水预处理技术.     

碳氮比对稻草和猪粪生物处理及厌氧消化的影响

以农业废弃物稻草和猪粪为发酵原料,首次采用纤维素降解复合菌系对稻草和猪粪混合物进行生物处理,通过考察不同碳氮比(25∶1、30∶1、35∶1和40∶1)条件下稻草和猪粪混合物生物预处理的发酵特征及后续的产甲烷能力,探讨了碳氮比对稻草和猪粪的协同生物预处理及厌氧消化效果的影响.结果表明,控制碳氮比为30∶1、料水比为11%时,稻草和猪粪混合物经纤维素降解复合菌系于55℃预处理30 h后其厌氧消化效果最佳.在此条件下,稻草和猪粪降解液中滤纸酶活和羧甲基纤维素酶酶活分别达到了2.18和2.31 IU,其失重率高达41.69%;随后经厌氧发酵后其甲烷产率和产甲烷速率分别可达318.14 m L·g-1(以VS计)和10.61 m L·d-1·g-1(以VS计),且总量为9.9 g的稻草和猪粪混合物的总甲烷产量可达1948 m L,上述结果相对于未经生物预处理的对照组均提高了38%.本研究结果可进一步为其它种类的农作物秸秆和畜禽粪便的高效资源化利用提供理论支撑,展现出了巨大的应用潜力.     

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.     

磁性纳米铁对厌氧颗粒污泥特性及其微生物群落的影响

考察了磁性纳米铁(Fe3O4NPs)对厌氧颗粒污泥溶解性微生物产物(SMP)、疏松胞外聚合物(LB-EPS)、紧密胞外聚合物(TB-EPS)的影响,同时利用高通量测序技术对厌氧颗粒污泥内微生物群落结构的变化进行了分析.结果表明,在长期接触实验过程中,投加Fe3O4NPs的反应器对COD去除率为83.6%,与对照组相比降低了5.7%.对照组与实验组中厌氧颗粒污泥TB-EPS含量(以VSS计)分别为178.20 mg·g-1和138.24 mg·g-1,而SMP含量分别为34.88 mg·L-1和27.44 mg·L-1;同时投加Fe3O4NPs后,在LB-EPS三维荧光(EEM)光谱中,紫外光区类腐殖酸荧光峰消失,辅酶F420荧光峰强度有所降低.在长期接触实验后,甲烷杆菌属(Methanobacterium)所占比例从76.15%增至86.76%,而甲烷丝菌属(Methanothrix)所占比例从17.1%降至7.51%,Methanothrix对于Fe3O4NPs更为敏感;总细菌群落变化明显,其中变形菌门(Proteobacteria)所占比例从66.44%降至47.16%,放线菌门(Actinobacteria)所占比例从8.97%增至17.33%,拟杆菌门(Bacteroidetes)所占比例从8.07%增至17.74%,厚壁菌门和拟杆菌门比例的增加对有机物的厌氧水解过程发挥积极的作用.     

城市生活有机垃圾各组分的厌氧消化产甲烷能力

通过生化产甲烷能力(BMP)测定实验确定了葡萄糖、大米、蔬菜、纸张、动物油、植物油和瘦肉等7种城市生活有机垃圾(BOFMSW)组分的生化产甲烷能力,并研究了抑制动物油、植物油和瘦肉厌氧消化过程的影响因素.实验结果表明,葡萄糖、大米、蔬菜和纸张在发酵过程中没有消化抑制发生,4种原料的生化产甲烷能力分别为241、210、147和244mL·g-1,相应地占理论产甲烷能力的64.5%、56.3%、32.6%和67.9%.瘦肉的厌氧消化过程停止产气后,消化液的总挥发性脂肪酸(VFAs)浓度为15800mg·L-1,其中丙酸浓度为2509mg·L-1;消化液中氨氮浓度为13892mg.L-1;较高的VFAs和氨氮浓度共同作用形成消化过程的"抑制型稳态",抑制了产甲烷菌的产甲烷代谢,导致酸化率较高而生物气转化率却很低.猪油和花生油等脂类原料的厌氧消化,由于水解和酸化细菌受到长链脂肪酸(LCFAs)的抑制而影响了原料的降解和酸化,酸化率仅分别为11.5%和10.O%.     

Fe和Fe2+对混合细菌产氢发酵的影响

在研究Fe粉剂量和Fe²⁺浓度对混合细菌产氢发酵的影响基础上,确定Fe和Fe²⁺促进混合细菌产氢能力的最佳阈值,并对乙醇型发酵菌群在不同Fe粉和Fe²⁺浓度下的产氢量和最大比产氢速率进行考察和对比.结果表明,Fe粉和Fe²⁺对乙醇型发酵菌群的产氢能力均有明显的促进作用.以葡萄糖为底物,投加Fe²⁺试验中,Fe²⁺浓度200mg/L获得最大产氢量143.7mL/g,较对照组提高32%;Fe²⁺浓度50mg/L获得单位VSS最大比产氢速率21.2 mL/(h·g),较对照组提高33%.投加单质Fe试验中,Fe粉剂量1000mg/L获得最大产氢量156.1mL/g,较对照组提高44%;Fe粉剂量500mg/L获得单位VSS最大比产氢速率23.5mL/(h·g),较对照组分别提高47%.单质Fe浓度高于50mg/L时,对发酵菌群产氢的促进作用要优于同浓度下的Fe²⁺.同时对混合细菌中铁的全量和形态分布进行了考察.     

洞庭湖岸边带沉积物氨氧化古菌的丰度、多样性及对氨氧化的贡献

采用分子生物学的方法(定性/定量PCR、克隆文库)对洞庭湖岸边带沉积物中氨氧化古菌(Ammonia-Oxidizing Archaea,AOA)进行分子水平的多样性和丰度分析,并结合硝化速率潜势(Potential Nitrification Rate,PNR)剖析AOA在洞庭湖岸边带沉积物中氨氧化的作用.采用实时荧光定量PCR技术对氨氧化古菌AOA和氨氧化细菌(Ammonia-Oxidizing Bacteria,AOB)进行靶向amoA基因(氨氧化关键功能基因)的定量分析,发现古菌amoA基因的丰度为1.49×107 ～ 1.97×10s copies· g-1(以干土计),高于细菌amoA基因丰度(1.52×104 ～2.45×106copies·g-1,以干土计)1～4个数量级.洞庭湖岸边带沉积物硝化速率潜势为1.11 ～6.47 nmol·g-1·h-1(以N计),比细胞硝化速率为0.55 ～1.68 fmol· cell-1·d-1(以NH3计).硝化速率潜势与古菌amoA基因丰度之间呈现正向变化趋势,而与细菌amoA基因丰度呈负向变化趋势,指示了低氨氮环境下AOA在氨氧化过程中的主导作用.生物多样性分析表明,经酶切分型后得到的22个古菌amoA基因序列以97％的相似度划分为8个独立操作单元(Operational Taxonomic Unit,OTU).系统发育分析显示,OTU 1～6(14个序列)属于第一分支,OTU 7～8(8个序列)属于第二分支,且均属于一个新命名的古菌类群——奇古菌门(Thaumarchaeota).     

重金属对猪场废水厌氧消化蓄积抑制

为了探明重金属离子在猪场废水厌氧消化中的蓄积抑制作用,用急性抑制试验法和蓄积抑制试验法,研究了Cu2+、Zn2+、Cr3+对厌氧消化的半抑制浓度和蓄积特性.结果表明,Cu2+、Zn2+、Cr3+对厌氧消化的半抑制浓度分别为1.26、1.79和2.10 mg·g+1(以VSS计),当Cu2+、Zn2+、Cr3+的浓度分别累积到1.92 mg·g-1,0.96 mg·g-1和2.24 mg·g-1(以VSS计)时,甲烷产生速率被抑制50%,说明Zn2+属于高度蓄积,Cu2+和Cr3+为明显蓄积.     

低温高海拔湖泊岸边带厌氧氨氧化菌的存在、生物多样性及活性——以天山天池为例

本文旨在通过聚合酶链反应PCR、构建克隆文库、15N同位素示踪等技术研究厌氧氨氧化细菌在以天山天池为代表的高海拔低温水生态系统中的存在、发生、活性及对氮循环的影响.通过定量PCR测得天山天池沉积物厌氧氨氧化菌的丰度为(2.93×105±0.25×105)copy/每克干沉积物土样,证明了存在有一定数量的厌氧氨氧化菌;在分别对厌氧氨氧化细菌的16S rRNA和hzs B功能基因构建克隆文库,并对阳性克隆进行生物多样性分析,发现天山天池沉积物中16S rRNA阳性克隆子均属于同一个独立操作单元,与已知的厌氧氨氧化菌的相似度高于99%;而hzs B功能基因克隆文库中,其生物多样性略高于16S rRNA文库.通过同位素示踪技术测得该样品的厌氧氨氧化速率为1.162 nmol·g-1·h-1,其对氮气生成的贡献率高达82%,远高于以往报道的淡水环境中厌氧氨氧化对氮气生成的贡献率.推断高海拔和低温等环境可能不是限制厌氧氨氧化细菌生长的关键因素.     

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%.     

微小小环藻对双酚A的富集与降解

对深圳福田红树林优势藻种微小小环藻(Cyclotella caspia)对BPA的生物富集与降解进行了研究.结果显示,微小小环藻对BPA具有较弱的富集能力,当BPA浓度为6.00、8.00、10.00 mg·L-1时,藻细胞在16d时分别达到最大富集量0.01、0.13、0.14 mg·g-1和最大生物富集系数(BCF)0.15%、1.18%、0.16%.微小小环藻对BPA亦具有一定的降解能力,浓度为6.00、8.00、10.00 mg·L-1的BPA在16d内分别有22.39%、36.44%和10.28%被藻降解,日平均生物降解量分别为0.08、0.18和0.06 mg·L-1.     

1株异养硝化菌胞外聚合物的研究

研究异养硝化菌(Acinetobacter sp.YY-5)在不同生长时期胞外聚合物(EPS)组成成分及其变化规律.利用热处理提取YY-5菌的EPS,分析该菌株在不同生长时期EPS组分,包括蛋白质、总糖、核酸和游离氨基酸等.并进一步把蛋白质水解成氨基酸,分析其氨基酸的变化规律及其对蛋白质理化性质的影响.结果表明,该菌株具有较高含量的EPS,且其在稳定期时EPS含量最高.在不同时期分泌的EPS组分均以蛋白质为主.EPS中各组分含量及其变化规律与该菌生长状态密切相关,在该菌株生长过程中,EPS中各组分的变化情况:蛋白质从14.599 mg.g-1增加到28.489 mg.g-1后减少为15.139 mg.g-1;总糖从6.757 mg.g-1增加到10.199 mg.g-1后减少为7.857 mg.g-1.核酸从1.56 mg.g-1一直增加到6.287 mg.g-1;游离氨基酸从3.713 mg.g-1增加到4.374 mg.g-1后减少为1.299 mg.g-1.蛋白质水解后,其中极性氨基酸呈先增加后减少的趋势,非极性氨基酸一直呈增加趋势;在生长过程中一直以带负电的氨基酸占优.     

外加营养源作用下微生物黏结剂对土壤团聚体的影响

通过室内培养实验研究了外加营养源条件下微生物黏结剂(真菌菌丝和微生物胞外多糖)对土壤稳定性的影响以及微生物在不同粒径团聚体中的分布.所加营养源分别为葡萄糖(以C计)和硝酸铵(以N计),实验周期为30 d.实验设计包括对照(0.5 mg.g-1)、CN5(0.5 mg.g-1,0.1 mg.g-1,C/N=5)、CN10(0.5 mg.g-1,0.05 mg.g-1,C/N=10)3个水平.结果表明,3个处理的土壤呼吸速率十分接近,最大值都在3.10 mg.(h.kg)-1左右,说明无机氮肥的施加短期内对葡萄糖的矿化作用不明显.除培养第5 d CK的大团聚体形成量(15.67%)显著低于CN5(25.32%)和CN10(24.63%)外,其余培养期间3个处理的团聚体含量总体无显著性差异,表明本实验中葡萄糖对微生物的影响较大,覆盖了施加无机氮的影响,从而导致团聚体含量之间差异不显著.     

利用活性污泥快速富集污水碳源的试验研究

通过小试研究了活性污泥对城市污水中有机物的吸附特征,分析了富碳污泥在静置沉降过程中对有机物的释放过程.结果表明,活性污泥能够快速吸附污水中的碳源,约10 min左右即可完成对不溶性有机物的吸附,对溶解性有机物的吸附过程较慢（约30 min）.富碳污泥在进行静置泥水分离过程中,存在有机物释放过程,在30～100 min的...