产甲烷菌和甲烷氧化菌分布对土壤-植物系统甲烷逸出的影响

CH4(甲烷)的逸出量与产甲烷菌和甲烷氧化菌的数量密切相关.采用FISH(荧光原位杂交)技术定量解析芦苇和香蒲混栽土壤-植物生态系统基质,探讨CH4的产生机理.结果表明,植物有利于微生物的生长,甲烷氧化菌主要聚居在植物根区,产甲烷菌数量高于甲烷氧化菌.气温变化和系统ORP(氧化还原电位)对土壤-植物生态系统CH4排放通量的影响很大,芦苇和香蒲混栽土壤-植物生态系统CH4年均排放通量为22.9 mg/(m2.h),最高达185.6 mg/(m2.h),排放峰值出现在夏季.表明芦苇和香蒲的生长促进了根际分泌物的产生,为产甲烷菌提供了较多生长所需的底物,从而刺激系统CH4的排放.     

温度对FBAR反应器的运行特性及古菌微生物群落影响

为探讨固定床厌氧反应器（FBAR）在不同温度下的运行特性及微生物群落变化,比较了高温（50℃）、中温（35℃）、低温（4℃）3个温度阶段反应器产甲烷特性及古菌群落变化.结果表明;绝对产气量由大至小依次为高（50℃）、中（35℃）、低温（4℃）,单位负荷产气量依次为中温（2.84L/OLR）,低温（2.5L/OLR）,高温（1.8L/OLR）;甲烷含量依次为低温（74.5%）、中温（63.5%）,高温（57.3%）,不同温度阶段对挥发性有机酸含量变化有一定的影响.克隆文库分析表明：不同温度条件下固定床厌氧反应器内部微生物群落的丰富性存在很大的差异.定量PCR分析表明：甲烷鬃毛菌是中温和高温反应器内的优势菌,低温4℃炭纤维载体和污泥中的优势菌都是甲烷微菌.从能耗、经济效益角度分析低温条件更适合沼气发酵,而主要是以嗜氢产甲烷菌代谢途径为主.     

高蛋白有机废弃物厌氧消化系统稳定性及其耐氨氮机制解析

病死及自然灾害产生的大量畜禽尸体的不恰当处理处置会带来较为严重的环境卫生和公众安全隐患.本研究利用厌氧消化技术对畜禽尸体这类高蛋白有机废弃物的无害化处理进行尝试,旨在探索其适宜的有机负荷条件、系统的稳定性及潜在的氨抑制风险.研究表明高蛋白有机废物(以猪肉作为实验样品)作为厌氧消化基质时,系统稳定运行的有机负荷能够达倒(4.76±0.41)kg·m~(-3)·d~(-1);同时,VS降解率、单位体积沼气产率、单位添加VS沼气产率、单位降解VS沼气产率以及甲烷含量分别能达到95%、(3.72±0.21)L·L~(-1)·d~(-1)、(0.78±0.02)m~3·kg~(-1)、(0.82±0.02)m~3·kg~(-1)以及65%.在该条件下,TAN和FAN的浓度与系统产气性能没有直接线性关系,且在浓度高达5700 mg·L~(-1)和700 mg·L~(-1)时未呈现对系统的明显抑制作用.454高通量焦磷酸测序法对系统内古菌种群相对密度的分析结果表明,系统中氨抑制问题得到一定程度的缓解或者消除的原因可能为甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)的优势地位并未受到明显影响,以及整个产甲烷菌种群在系统运行过程所得到的明显驯化.     

甲胺磷和乙草胺对产甲烷菌种群数量及其活性的影响

采用厌氧培养箱、气相色谱技术和MPN计数法,研究了甲胺磷和乙草胺在4种浓度(0 1、0 2、0 5和1 0mg·L-1)下对水稻田土壤产甲烷菌种群数量及其活性的影响。加甲胺磷后7d内刺激产甲烷菌种群的生长,数量增加0.2～44.1倍,每管的产甲烷量增加0.8～2.1倍,且刺激作用随药剂浓度的增加而增强;加乙草胺后7d内,产甲烷菌的生长受到抑制,数量下降了50%～99%,每管的产甲烷量显著减少,且抑制作用随药剂浓度的增加而增强。随着加药时间的延长,甲胺磷和乙草胺逐渐降解,产甲烷菌数量又恢复至原有水平。     

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.     

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.     

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.     

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.     

亚硝态氮对同时产甲烷反硝化工艺处理畜禽粪水的影响

为进一步提高同时产甲烷反硝化反应对畜禽粪水化学需氧量(COD)和氮的去除效率,应用畜禽粪水于接种颗粒污泥的厌氧混合式反应器,进行不同COD与亚硝态氮浓度比值(COD/NO-2-N)对同时产甲烷反硝化反应的影响研究。通过实时监测反应器内COD、凯氏氮(TKN)、辅酶F420、β-葡萄糖苷酶、产气率、pH和氧化还原电位(ORP)等指标得出,COD/NO-2-N为30/1、40/1时,COD去除率、辅酶F420和β-葡萄糖苷酶含量与空白无亚硝态氮的变化规律一致,亚硝态氮几乎未对糖类水解菌及产甲烷菌活性产生抑制作用;而COD/NO-2-N为10/1、20/1时,COD去除率、辅酶F420和β-葡萄糖苷酶含量较低,糖类水解菌及产甲烷菌活性受到抑制。     

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.