铵影响厌氧反应器污泥丙酸和丁酸互营氧化产甲烷过程的机理

【摘要】：通过厌氧消化生物质,可获取能源以减少对化石燃料的依赖,减少温室气体的排放,并且能够降低环境污染的风险。在厌氧条件下,复杂有机质聚合物主要通过水解、酸化、产甲烷三步来完成降解,并产生甲烷和二氧化碳。许多环境因子会影响厌氧消化过程,比如温度、填料来源和铵浓度等,甚至有些因子会导致其失效。治理畜禽粪便的反应器中富含蛋白类化合物,会导致铵这类有害化合物的积累。但是,人们关于铵对不同产甲烷菌群抑制作用、铵对丙酸和丁酸互营氧化产甲烷过程的影响等问题了解不足。 为了阐明铵对厌氧反应器污泥中产甲烷菌的抑制作用,我们在以猪粪为填料的厌氧反应器中,采集污泥样品,进行了实验室小瓶培养实验。通过分析产甲烷速率,CH4和CO2的13C稳定同位素自然丰度,甲基辅酶M还原酶编码基因(mcrA)的拷贝数及其T-RFs的动态变化,了解产甲烷过程以及产甲烷菌对铵的响应。我们发现,随着铵浓度的增加,产甲烷速率降低。CH4和CO2的13C自然丰度分析和mcrA基因的转录结果表明,乙酸型产甲烷菌Methanosaetaceae比氢型产甲烷菌对铵更敏感。与对照相比,高铵浓度(10g NH4+-N L-1)产甲烷菌mcrA数量减少约一个数量级。T-RFLP分析mcrA基因,发现产甲烷菌群落组成相对稳定,并且Methanosaetaceae在所有样品中都是优势菌群。然而,mcrA转录水平所反映的群落活性组成,对铵的加入表现出了实质性的响应。 为了揭示铵抑制丙酸互营产甲烷过程的机理,我们在丙酸标记实验中,用[U-13C]丙酸,对不同铵浓度处理(0、3和7g NH4+-N L-1)污泥进行了标记。通过RNA-SIP、T-RFLP结合克隆文库测序的方法,发现参与丙酸氧化产甲烷过程的互营细菌主要是Smithella,古菌主要是Methanosaetaceae、Methanospirillaceae和Methanomicrobiales。并且铵浓度的升高会引起氢型产甲烷菌内Methanospirillaceae向Methanomicrobiales的演替。在随后的铵胁迫实验中,对不同铵处理(0、3、7和10gNH4+-N L-1)污泥经在35℃下,进行过近3个月的培养。通过分析丙酸降解速率、细菌16S rRNA基因的拷贝数和454高通量测序获得的群落丰度动态变化,结合标记实验,了解铵对丙酸互营产甲烷过程及相关微生物的影响。随着铵浓度的升高,丙酸降解和产甲烷速率明显降低或完全被抑制。并且参与丙酸互营氧化产甲烷的微生物均表现出了对铵的敏感。由于氢气或甲酸的积累会直接抑制丙酸互营氧化过程,铵对氢型产甲烷菌(Methanospirillaceae)的抑制可能是导致丙酸互营氧化过程受到抑制的直接原因。 同时我们通过[U-13C]丁酸对不同铵浓度处理(0、3、7和10gNH4+-N L-1)的污泥进行标记,对铵抑制丁酸互营产甲烷的微生物过程进行了研究。我们发现参与丁酸氧化产甲烷过程的细菌主要是Syntrophomonaceae,古菌主要是Methanosaetaceae和Methanospirillaceae。通过铵胁迫实验,对不同铵处理(0、3、7和10gNH4+-N L-1)污泥经过近3个月的培养。通过分析细菌16S rRNA基因的拷贝数和454高通量测序获得的群落丰度动态变化,结合标记实验,了解铵对参与丁酸互营产甲烷过程相关微生物的影响。铵浓度的升高导致丁酸互营氧化和产甲烷过程受到不同程度的抑制,并且对参与丁酸互营氧化产甲烷的微生物均产生了抑制。丁酸互营氧化菌相比产甲烷菌对铵有更高的耐受性。铵对乙酸型产甲烷菌Methanosaetaceae的抑制在一定程度上影响了丁酸互营氧化过程顺利进行。由于氢气或甲酸的积累会直接抑制丁酸互营氧化过程,对氢型产甲烷菌Methanospirillaceae的抑制可能直接导致丁酸互营氧化过程受到抑制。 总之,在厌氧反应器污泥中,高铵浓度对丙酸和丁酸互营氧化产甲烷过程的抑制,源于对参与其中的微生物(包括：相关互营菌和产甲烷菌)的综合抑制。对氢型产甲烷菌Methanospirillaceae的抑制可能是导致该过程受到抑制的直接原因。 【关键词】：厌氧反应器污泥 铵 甲烷 丙酸互营氧化 丁酸互营氧化
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X38;S216
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 缩写词表10-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 研究意义11
• 1.2 反应器有机质厌氧降解11-20
• 1.3 铵对反应器厌氧消化过程及相关微生物的影响20-23
• 1.4 温度和原料差异对反应器厌氧消化过程及相关微生物的影响23-25
• 1.5 研究目标、内容和技术路线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 铵对厌氧反应器污泥产甲烷古菌群落和活性的影响37-47
• 3.1 引言37
• 3.2 材料和方法37-38
• 3.3 研究结果38-45
• 3.4 讨论45-46
• 3.5 小结46-47
• 第四章 铵影响厌氧反应器污泥丙酸互营氧化产甲烷过程的机理47-73
• 4.1 引言47
• 4.2 材料和方法47-49
• 4.3 研究结果49-69
• 4.4 讨论69-72
• 4.5 小结72-73
• 第五章 铵影响厌氧反应器污泥丁酸互营氧化产甲烷过程的机理73-93
• 5.1 引言73
• 5.2 材料和方法73-75
• 5.3 研究结果75-91
• 5.4 讨论91-92
• 5.5 小结92-93
• 第六章 综合讨论93-94
• 第七章 结论与展望94-96
• 7.1 结论94
• 7.2 创新点94
• 7.3 展望94-96
• 参考文献96-105
• 致谢105-107
• 个人简历107

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