北京市北神树生活垃圾填埋场产甲烷菌的群落结构和演替规律

产甲烷菌是填埋场稳定化的关键微生物.以北京市北神树垃圾填埋场为采样地,钻井采集了填埋深度6~36.1 m,填埋时间2~15 a的垃圾样品.采用PCR检验其中产甲烷菌的种类,并基于QPCR技术获得的数据,研究了各类产甲烷菌随时间和深度的数量变化,及其与垃圾化学性质之间的关系.发现堆体内有机质含量基本稳定,p H呈弱碱性,符合产甲烷阶段的化学特性.检测出两类乙酸营养型产甲烷菌(Methanosaeta和Methanosarcina),一类氢营养型产甲烷菌(Methanobacterials).随着填埋时间的延长,产甲烷菌呈现出先升高后下降的趋势,填埋9 a以上的垃圾中产甲烷菌群落结构趋于稳定.乙酸营养型的Methanosarcina为优势类群.三类产甲烷菌的含量与挥发性脂肪酸含量显著相关,与各类大分子有机质含量相关性很弱或不相关,表明产甲烷菌的数量受底物含量的影响,而在填埋2 a以上的垃圾中,大分子水解、发酵等作用对产甲烷菌影响微弱.     

采油废水厌氧处理系统的微生物群落特征

为了深入认识石油烃的厌氧降解过程,利用分子生物学技术分析了大庆油田采油废水处理系统厌氧池和进水中的微生物群落特征。基于DGGE和克隆文库的分析结果均表明,厌氧生物膜中存在的古菌源自于采油废水。厌氧生物膜和采油废水中的古菌主要是产甲烷菌,包括嗜甲基的Methanomethylovorans thermophila和利用氢和甲酸的Methanolinea tarda。值得注意的是,氢营养型的M.tarda在厌氧生物膜中得到了富集。进水和厌氧生物膜中的细菌群落结构明显不同。进水中的主要细菌类群为Epsilonproteobacteria,而生物膜中的主要类群为Nitrospira和Deltaproteobacteria。在厌氧生物膜中发现许多与产甲烷古菌(尤其是氢营养型产甲烷菌)协同降解石油烃类物质的细菌相关克隆:其中一个克隆与Syntrophus具有较高的同源性,该类菌是产甲烷菌介导的厌氧烃降解微生物区系中的关键细菌;许多Deltaproteobacteria克隆属于group TA类群,该类群细菌主要参与芳香族化合物产甲烷菌介导的厌氧降解过程。这些结果表明,在大庆油田采油废水厌氧处理系统中已经建立起由产甲烷菌所介导的厌氧石油烃降解的微生物区系。     

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。     

SO2-4对厌氧折流板反应器中颗粒污泥性能的影响

利用取自厌氧折流板反应器中的颗粒污泥,通过间歇试验,研究不同质量浓度的SO2-4对厌氧颗粒污泥性能的影响.结果表明,SO2-4对厌氧颗粒污泥性能的影响具有多重性,当SO2-4质量浓度≤3 000 mg/L时,SO2-4对颗粒污泥的厌氧生物降解过程有促进作用;当SO2-4质量浓度>3 000 mg/L时,SO2-4对颗粒污泥的厌氧生物降解过程有抑制作用,且抑制作用随SO2-4质量浓度的提高而迅速增大.当颗粒污泥有机负荷为4 kg COD/(m3·d)、COD与SO2-4质量浓度比为2.7～4、SO2-4质量浓度为2 000～3 000 mg/L时,ABR反应器运行效果最佳,此时系统COD去除率和出水碱度分别稳定在85%和2 500 mg/L以上;出水挥发酸(VFA)在200 mg/L以下;污泥比产甲烷活性(SMA)最高;SO2-4的去除效果最佳.本研究为用厌氧生物处理高浓度硫酸盐废水提供必要依据.     

高浓度硫酸盐废水的厌氧生物处理

对高浓度硫酸盐在废水的厌氧生物处理过程中的各种影响因素进行了综述,着重论述了硫酸盐还原菌的生态学特性,硫酸盐还原菌对产甲烷菌的抑制作用,以及各种高浓度硫酸盐废水的处理工艺。     

产甲烷生化代谢途径研究进展

微生物产甲烷过程产生的甲烷约占全球甲烷产量的74%.产甲烷过程对生物燃气生产和全球气候变暖等都有着重要的意义.本文综述了产甲烷菌的具体生化代谢途径,其本质是产甲烷菌利用细胞内一系列特殊的酶和辅酶将CO2或甲基化合物中的甲基通过一系列的生物化学反应还原成甲烷.在这一过程中,产甲烷菌细胞能够形成钠离子或质子跨膜梯度,驱动细胞膜上的ATP合成酶将ADP转化成ATP以获得能量.根据底物类型的不同,可以将该过程分为3类:还原CO2途径、乙酸途径和甲基营养途径.还原CO2途径是以H2或甲酸作为主要的电子供体还原CO2产生甲烷,其中涉及到一个最新的发现——电子歧化途径;乙酸途径是乙酸被裂解产生甲基基团和羧基基团,随后,羧基基团被氧化产生电子供体H2用于还原甲基基团;甲基营养途径是以简单甲基化合物作为底物,以外界提供的H2或氧化甲基化合物自身产生的还原当量作为电子供体还原甲基化合物中的甲基基团.通过这3种途径产甲烷的过程中,每消耗1mol底物所产生AT P的顺序为还原CO2途径>甲基营养途径>乙酸途径.由于产甲烷菌自身难以分离培养,未来将主要通过现代的生物技术和计算机技术,包括基因工程和代谢模型构建等最新技术来研究产甲烷菌的生化代谢过程以及其与其它菌群之间的相互作用机制,以便将其应用于生产实践.     

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.     

低温沼气技术：低温产甲烷过程及嗜冷产甲烷菌

综述了低温厌氧消化产甲烷过程,近年来研究者们已经分离出的一些最适生长温度为15℃-25℃的产甲烷菌及其分布,为今后嗜冷产甲烷菌的特征、分布等研究奠定了一定基础。     

缺氧嗜甲烷古菌研究进展

综述了缺氧嗜甲烷古菌的分布、生态位、形态与代谢特征的新发现,并讨论了其与产甲烷菌的关系.在无氧条件下,缺氧嗜甲烷古菌与硫酸盐还原菌互养,氧化甲烷气体以阻止其进入大气.缺氧嗜甲烷古菌主要分布于深海甲烷渗漏区和冷泉区域,在其他多种缺氧环境中也能发现,由于还未获得纯培养,对这类微生物的生态位知之甚少.其细胞呈球状、杆状,有时聚集成球状集合体或连接形成丝状体.缺氧甲烷氧化可能经过"反甲烷合成"、"甲基合成"等路径.嗜甲烷古菌与产甲烷菌有着较近的亲缘关系,并且存在许多相似点.图1表1参37     

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.