日本城市有机废弃物甲烷发酵资源化系统案例分析及最新研究进展

为建设可持续发展社会,日本近年来大力推动甲烷发酵以实现城市有机废弃物的减量化和资源化。首先介绍了日本城市有机废弃物资源化的2个实用案例,长冈市厨余垃圾沼气发电中心和丰桥市生物质资源利用中心的设计和运营状况。两者的长期稳定运行及产能效果验证了甲烷发酵技术在城市有机废弃物减量化和资源化上的可行性。其次,为了应对社会发展趋势和城市有机废弃物处理的技术需求,介绍了日本有关厨余垃圾、污泥以及废纸（城市有机废弃物的3大组分）的单独发酵及共发酵的部分研究成果。此外,简要介绍了应用厌氧膜生物反应器（AnMBR）进行相关高效甲烷发酵的最新研究成果。并根据实用案例调查和实验研究结果,以100万人口城市为例,对城市有机废弃物的各种甲烷发酵系统的产能效果进行了模拟概算。     

四环素胁迫对Shigella flexneri细菌四环素抗性基因抗性表达的影响过程

四环素(TC)抗生素在不同环境介质中已被广泛检出,为研究其对四环素抗性基因(TC-ARGs)丰度变化及表达水平的影响过程,以从活性污泥中筛选和纯化分离获得的弗氏志贺氏菌(Shigella flexneri)为研究对象,考察了不同浓度TC对其生长过程的作用影响,采用荧光定量PCR和逆转录PCR方法定量检测了不同抗性机制TC-ARGs,包括tetC、tetO和tetX基因的丰度变化及表达水平,并探讨了TC浓度与TC-ARGs丰度及其表达水平之间的相关关系.结果表明,在培养周期内(24 h),TC胁迫对Shigella flexneri细菌的生长具有抑制作用,细菌细胞浓度增长速率随TC暴露浓度的升高而降低,但对TC-ARGs丰度变化影响较小.TC胁迫能够促进Shigella flexneri细菌TC-ARGs的转录表达,tetC、tetO和tetX基因表达水平在整个培养周期内均先升高后降低.由相关性分析可知,TC浓度与TC-ARGs丰度及其表达水平之间相关关系不显著,但tetC和tetO基因丰度与其转录表达水平之间存在显著的正相关关系,表明其基因丰度一定程度上可用来衡量和评价其抗性表达水平.     

三亚河红树林表层沉积物中好氧氨氧化微生物的分布特征及潜在硝化速率

氨氧化过程是硝化作用的限速步骤,氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB)和氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)是氨氧化作用的主要驱动者,其分布特征及其对硝化作用的相对贡献是氮素循环的研究热点.采用实时荧光定量PCR技术研究了三亚河红树林表层沉积物中好氧氨氧化微生物的分布特征,并通过测定潜在硝化速率分析了AOB和AOA对硝化作用的相对贡献率.结果表明,多数采样点中,AOA amoA基因丰度高于AOB amoA基因丰度; AOB丰度冬季较高,AOA丰度夏季较高,且冬季AOA和AOB丰度的比值较低;溶解氧、pH、总有机碳和硝态氮对AOB和AOA丰度影响较大; AOB和AOA在夏季的潜在硝化速率均高于冬季,冬季AOA对硝化作用的相对贡献率较高而夏季则是AOB在硝化作用中占主导地位,AOB和AOA的潜在硝化速率与amoA基因丰度均不存在显著相关性.     

温度和含水率对村镇垃圾焚烧烟气中有机物排放的影响

使用管式炉模拟村镇生活垃圾焚烧过程,研究不同焚烧温度和不同垃圾含水率条件下,村镇垃圾焚烧烟气中多环芳烃（PAHs）、氯苯及苯系物的生成和分布特性.结果表明,焚烧温度为550℃时,烟气中多环芳烃和氯苯的释放量最大,当温度小于550℃时,多环芳烃和氯苯的释放量随温度升高而增加,温度大于550℃时,多环芳烃和氯苯的释放量随温度升高而降低.高温焚烧不仅可以抑制烟气中多环芳烃的浓度及减少大分子量PAHs的排放,还能降低氯苯的释放量和氯代数,从而减小村镇垃圾焚烧烟气中的毒性;苯系物随着温度升高,由热解转变为高温合成,释放量也随着增加.水分对多环芳烃和氯苯有较大影响,对苯系物的影响较小.在400℃条件焚烧时,水分含量对多环芳烃总体上是促进的,而在850℃焚烧条件下则表现出抑制作用;而水分对氯苯则均表现出抑制作用,并且可以降低氯苯化合物的氯代数.     

石灰对生物炭和腐殖酸阻控水稻Cd吸收的效应

采用田间试验,研究了石灰-生物炭和石灰-腐殖酸两种联合修复剂及其不同施用量对酸性土壤中稻米Cd含量、产量和品质的影响,并对不同处理修复效果进行综合评估.结果表明,两种联合修复剂能显著降低稻米Cd含量17.39%~45.96%,降低土壤有效Cd含量18.29%~29.88%,.生物炭、腐殖酸施用量分别为5000,6000kg/hm²时,稻米Cd的降低效果最佳.石灰-生物炭处理中,降低稻米Cd含量的主要因子为土壤pH和土壤有效Cd含量（P<0.05）,而石灰-腐殖酸处理则为土壤有机质含量与土壤有效Cd含量（P<0.05）.施加修复剂后稻米产量可达6637~7890kg/hm²,直链淀粉含量达到19.47%~27.26%;当腐殖酸施用量为7500kg/hm²时可使稻米产量提高10.97%,而石灰-生物炭处理对稻米产量无显著影响;采用层次分析法确定了稻米Cd含量、稻米产量、稻米品质和修复费用在修复效应评估中所占权重为0.608、0.150、0.102、0.140,综合评估结果显示土壤-水稻系统Cd阻控效应的联合修复技术为：在施用1200kg/hm²石灰的基础上同时施加6000kg/hm²腐殖酸.     

亚铁添加条件下潜流湿地中氮和化学需氧量的去除效应

为了强化水平潜流人工湿地脱氮和去除化学需氧量的效果,文章利用模拟实验开展了不同浓度的亚铁(Fe~(2+))添加对其去除效果的影响研究,并初步探讨了其作用机理。研究结果表明,添加Fe~(2+)影响了水平潜流人工湿地脱氮和去除化学需氧量的能力,而且各形态的氮素和化学需氧量的去除率随水力停留时间的延长而增大。添加高浓度Fe~(2+)(≥50 mg/L)促进了湿地系统总氮和硝态氮的去除,其去除率分别超过67.7%和72.6%;而对铵态氮去除效果的影响不明显;添加低浓度Fe~(2+)(≤10 mg/L)限制了硝态氮和铵态氮的去除,而对总氮的去除效果的影响较弱。添加高浓度Fe~(2+)(≥50 mg/L)显著促进水平潜流人工湿地化学需氧量的去除,水力停留时间为24 h,其去除率均高于91%,而添加低浓度Fe~(2+)(≤10 mg/L)对促进化学需氧量的去除效果不明显,但其去除率略高于对照组,表明添加Fe~(2+)可以提高水中易降解有机物的去除能力。Fe~(2+)进入湿地系统后,水中可溶性总铁、Fe~(2+)和Fe3+浓度迅速下降,5 h后基本保持平稳,其中可溶性总铁浓度低于3.2 mg/L。添加Fe~(2+)明显降低了人工湿地出水的pH和氧化还原电位,并发生了显著变化。因此,添加适宜浓度Fe~(2+)(50 mg/L)可促进水平潜流湿地对氮素和化学需氧量的去除,可以为人工湿地强化技术研发提供理论依据。     

石油污染土壤多酚氧化酶的动力学及热力学特征

土壤多酚氧化酶是一种氧化还原酶,能够将土壤中芳香族化合物氧化成醌,促进土壤中石油类物质的分解转化.以距大庆油田工作区不同距离（1、5、15 km）的石油污染地为对象,研究不同温度下石油污染裸地及羊草（Leymus chinensis）修复地的土壤多酚氧化酶活性及其动力学和热力学特征的变化.结果表明:土壤多酚氧化酶活性随温度和底物浓度的增加而逐渐增大,在温度为30℃或40℃、底物浓度为80 mmol/L或160 mmol/L时达到最大值;各样地土壤酶的动力学参数K_m（Mihaelis常数）随温度的变化规律不同,V_max（酶促反应最大速度）和V_max/K_m（催化效率）随温度升高而逐渐增大,均在30℃或40℃时达到最大值;热力学参数Q₁₀（温度系数）、ΔH（活化焓）、ΔS（活化熵）随温度变化差异不显著,ΔG（活化自由能）随温度升高呈逐渐增加趋势.在同一温度下,石油污染裸地土壤多酚氧化酶活性高于羊草修复地;K_m和V_max/K_m在各样地均表现为无规律性变化,V_max最大值出现在距油田工作区5 km处的裸地（BMP）,最小值出现在距油田工作区5 km处的羊草修复地（LMP）;Q₁₀、E_a（活化能）、ΔH、ΔS的最大值均出现在距油田工作区1 km处的裸地（BVP）,最小值均出现在距油田工作区1 km处的羊草修复地（LVP）.研究显示,升温和植物修复对土壤多酚氧化酶活性的反应特征有较大影响.      

滦河秋季大型底栖动物群落结构空间格局与关键环境影响因子识别

掌握水生生物的空间分布特征及其关键影响因子是科学制定生物多样性保护策略的基础.于2016年秋季对滦河53个样点开展了大型底栖动物和环境因子的现场调查,分析了大型底栖动物群落结构与空间分布特征,并识别出影响大型底栖动物物种空间分布的关键环境因子.结果表明:①滦河（河北省）共采集并鉴定出大型底栖动物206种,隶属于8纲22目70科144属,以纹石蚕（Hydropsyche sp.）和东方蜉蝣（Ephemera orientalis）为优势种.②根据滦河大型底栖动物群落结构相似性,53个样点在空间上被分为3组.第1组分布在滦河干流的中下游及支流下游,无指示物种;第2组分布在支流上游,指示种为纹石蚕、朝大蚊（Antocha sp.）和中华小长臂虾（Palaemonetes sinensis）;第3组分布在滦河干流中上游,指示种为东方蜉蝣和中华齿米虾（Neocaridina denticulate sinensis）.③第3组的分类单元数显著高于第1组和第2组;第1组的多样性指数显著高于第2组;第1组的均匀度指数显著高于其他2组.单因素方差分析（one-way ANOVA）发现,pH、TN、底质、河道变化、水质状况和河岸土地利用类型等环境因子在第2组与第3组之间差异显著,第2组明显高于第3组.典范对应分析（CCA）表明,栖境复杂性、河水水量状况和河岸土地利用类型是影响滦河大型底栖动物空间分布的关键环境因子.研究显示,降低河岸带干扰强度、恢复河道生境多样性是未来滦河大型底栖动物多样性保护恢复的重要管理措施.      

放射性核素137Cs、90Sr对半滑舌鳎肝脏细胞氧化应激毒性的研究

以半滑舌鳎肝脏细胞（HTLC）为研究对象,利用噻唑蓝比色法（MTT）、乳酸脱氢酶（LDH）、活性氧自由基（ROS）和超氧化物歧化酶（SOD）等方法分析细胞活性、细胞膜完整程度以及氧化应激反应相关指标,探究海洋环境中放射性核素137Cs、90Sr的生物毒性效应。HTLC细胞活性随137Cs、90Sr活度升高呈先增加后降低的趋势,且在低活度核素作用下,细胞活性增加极其显著（p < 0.01）,137Cs对细胞膜无损伤,90Sr则使细胞膜损伤显著（p < 0.05）,但二者均能使ROS含量和SOD活性显著性增加（p < 0.05）。高活度核素作用下SOD活性均显著增加（p < 0.05）,但137Cs作用时ROS无显著变化,90Sr则使ROS显著增加（p < 0.05）。研究表明,在本实验活度条件下,137Cs和90Sr对海洋鱼类细胞无显著的生物毒性,细胞能够通过自我调节维持正常功能。90Sr能产生氧化应激反应,对膜系统造成损伤,可能影响细胞多种代谢途径,对生物体具有潜在的毒性效应。     

基于SPIS的月球表面充电模拟研究

目的研究月球表面不同等离子体环境下航天器表面充放电效应情况。方法利用欧空局开发的SPIS软件建模,并仿真模拟,通过分析表面电流种类、大小,得出不同环境下的一般性的充放电规律。结果月球表面探测器存在表面充电风险,磁鞘层、磁尾瓣、等离子体片及太阳风4种不同典型等离子体环境下表面充电电位差异较大,连接处充电电位存在分布不均匀的渐变现象。表面充电电位区间约为-1784~142 V。结论光照条件能显著影响探测器表面电位,特殊区域充电电位会受到临近区域充放电效应形成的新的小范围等离子体环境的影响。