銨影響厭氧反應(yīng)器污泥丙酸和丁酸互營氧化產(chǎn)甲烷過程的機理

【摘要】：通過厭氧消化生物質(zhì),可獲取能源以減少對化石燃料的依賴,減少溫室氣體的排放,并且能夠降低環(huán)境污染的風(fēng)險。在厭氧條件下,復(fù)雜有機質(zhì)聚合物主要通過水解、酸化、產(chǎn)甲烷三步來完成降解,并產(chǎn)生甲烷和二氧化碳。許多環(huán)境因子會影響厭氧消化過程,比如溫度、填料來源和銨濃度等,甚至有些因子會導(dǎo)致其失效。治理畜禽糞便的反應(yīng)器中富含蛋白類化合物,會導(dǎo)致銨這類有害化合物的積累。但是,人們關(guān)于銨對不同產(chǎn)甲烷菌群抑制作用、銨對丙酸和丁酸互營氧化產(chǎn)甲烷過程的影響等問題了解不足。 為了闡明銨對厭氧反應(yīng)器污泥中產(chǎn)甲烷菌的抑制作用,我們在以豬糞為填料的厭氧反應(yīng)器中,采集污泥樣品,進行了實驗室小瓶培養(yǎng)實驗。通過分析產(chǎn)甲烷速率,CH4和CO2的13C穩(wěn)定同位素自然豐度,甲基輔酶M還原酶編碼基因(mcrA)的拷貝數(shù)及其T-RFs的動態(tài)變化,了解產(chǎn)甲烷過程以及產(chǎn)甲烷菌對銨的響應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn),隨著銨濃度的增加,產(chǎn)甲烷速率降低。CH4和CO2的13C自然豐度分析和mcrA基因的轉(zhuǎn)錄結(jié)果表明,乙酸型產(chǎn)甲烷菌Methanosaetaceae比氫型產(chǎn)甲烷菌對銨更敏感。與對照相比,高銨濃度(10g NH4+-N L-1)產(chǎn)甲烷菌mcrA數(shù)量減少約一個數(shù)量級。T-RFLP分析mcrA基因,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷菌群落組成相對穩(wěn)定,并且Methanosaetaceae在所有樣品中都是優(yōu)勢菌群。然而,mcrA轉(zhuǎn)錄水平所反映的群落活性組成,對銨的加入表現(xiàn)出了實質(zhì)性的響應(yīng)。 為了揭示銨抑制丙酸互營產(chǎn)甲烷過程的機理,我們在丙酸標(biāo)記實驗中,用[U-13C]丙酸,對不同銨濃度處理(0、3和7g NH4+-N L-1)污泥進行了標(biāo)記。通過RNA-SIP、T-RFLP結(jié)合克隆文庫測序的方法,發(fā)現(xiàn)參與丙酸氧化產(chǎn)甲烷過程的互營細(xì)菌主要是Smithella,古菌主要是Methanosaetaceae、Methanospirillaceae和Methanomicrobiales。并且銨濃度的升高會引起氫型產(chǎn)甲烷菌內(nèi)Methanospirillaceae向Methanomicrobiales的演替。在隨后的銨脅迫實驗中,對不同銨處理(0、3、7和10gNH4+-N L-1)污泥經(jīng)在35℃下,進行過近3個月的培養(yǎng)。通過分析丙酸降解速率、細(xì)菌16S rRNA基因的拷貝數(shù)和454高通量測序獲得的群落豐度動態(tài)變化,結(jié)合標(biāo)記實驗,了解銨對丙酸互營產(chǎn)甲烷過程及相關(guān)微生物的影響。隨著銨濃度的升高,丙酸降解和產(chǎn)甲烷速率明顯降低或完全被抑制。并且參與丙酸互營氧化產(chǎn)甲烷的微生物均表現(xiàn)出了對銨的敏感。由于氫氣或甲酸的積累會直接抑制丙酸互營氧化過程,銨對氫型產(chǎn)甲烷菌(Methanospirillaceae)的抑制可能是導(dǎo)致丙酸互營氧化過程受到抑制的直接原因。 同時我們通過[U-13C]丁酸對不同銨濃度處理(0、3、7和10gNH4+-N L-1)的污泥進行標(biāo)記,對銨抑制丁酸互營產(chǎn)甲烷的微生物過程進行了研究。我們發(fā)現(xiàn)參與丁酸氧化產(chǎn)甲烷過程的細(xì)菌主要是Syntrophomonaceae,古菌主要是Methanosaetaceae和Methanospirillaceae。通過銨脅迫實驗,對不同銨處理(0、3、7和10gNH4+-N L-1)污泥經(jīng)過近3個月的培養(yǎng)。通過分析細(xì)菌16S rRNA基因的拷貝數(shù)和454高通量測序獲得的群落豐度動態(tài)變化,結(jié)合標(biāo)記實驗,了解銨對參與丁酸互營產(chǎn)甲烷過程相關(guān)微生物的影響。銨濃度的升高導(dǎo)致丁酸互營氧化和產(chǎn)甲烷過程受到不同程度的抑制,并且對參與丁酸互營氧化產(chǎn)甲烷的微生物均產(chǎn)生了抑制。丁酸互營氧化菌相比產(chǎn)甲烷菌對銨有更高的耐受性。銨對乙酸型產(chǎn)甲烷菌Methanosaetaceae的抑制在一定程度上影響了丁酸互營氧化過程順利進行。由于氫氣或甲酸的積累會直接抑制丁酸互營氧化過程,對氫型產(chǎn)甲烷菌Methanospirillaceae的抑制可能直接導(dǎo)致丁酸互營氧化過程受到抑制。 總之,在厭氧反應(yīng)器污泥中,高銨濃度對丙酸和丁酸互營氧化產(chǎn)甲烷過程的抑制,源于對參與其中的微生物(包括：相關(guān)互營菌和產(chǎn)甲烷菌)的綜合抑制。對氫型產(chǎn)甲烷菌Methanospirillaceae的抑制可能是導(dǎo)致該過程受到抑制的直接原因。 【關(guān)鍵詞】：厭氧反應(yīng)器污泥 銨 甲烷 丙酸互營氧化 丁酸互營氧化
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：X38;S216
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目錄8-10
• 縮寫詞表10-11
• 第一章 緒論11-27
• 1.1 研究意義11
• 1.2 反應(yīng)器有機質(zhì)厭氧降解11-20
• 1.3 銨對反應(yīng)器厭氧消化過程及相關(guān)微生物的影響20-23
• 1.4 溫度和原料差異對反應(yīng)器厭氧消化過程及相關(guān)微生物的影響23-25
• 1.5 研究目標(biāo)、內(nèi)容和技術(shù)路線25-27
• 第二章 材料和方法27-37
• 2.1 材料27-29
• 2.2 方法29-37
• 第三章 銨對厭氧反應(yīng)器污泥產(chǎn)甲烷古菌群落和活性的影響37-47
• 3.1 引言37
• 3.2 材料和方法37-38
• 3.3 研究結(jié)果38-45
• 3.4 討論45-46
• 3.5 小結(jié)46-47
• 第四章 銨影響厭氧反應(yīng)器污泥丙酸互營氧化產(chǎn)甲烷過程的機理47-73
• 4.1 引言47
• 4.2 材料和方法47-49
• 4.3 研究結(jié)果49-69
• 4.4 討論69-72
• 4.5 小結(jié)72-73
• 第五章 銨影響厭氧反應(yīng)器污泥丁酸互營氧化產(chǎn)甲烷過程的機理73-93
• 5.1 引言73
• 5.2 材料和方法73-75
• 5.3 研究結(jié)果75-91
• 5.4 討論91-92
• 5.5 小結(jié)92-93
• 第六章 綜合討論93-94
• 第七章 結(jié)論與展望94-96
• 7.1 結(jié)論94
• 7.2 創(chuàng)新點94
• 7.3 展望94-96
• 參考文獻96-105
• 致謝105-107
• 個人簡歷107

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