提高污泥含固率对高温厌氧消化互营产甲烷影响

以常规含固率(2%)剩余污泥高温厌氧消化排泥为接种污泥,分析接种污泥在不同氨浓度下厌氧消化各步骤的动力学速率变化,并以热水解预处理的高含固污泥(10%)为基质进行连续试验,探讨高温厌氧消化条件下基质由常规含固率快速切换至高含固率的产甲烷性能变化.结果表明,随着氨浓度上升,接种污泥对乙酸、丙酸、丁酸和热水解污泥的比产甲烷活性均有所下降,但其氢利用速率和互营乙酸氧化速率未受到显著影响.高温厌氧消化基质含固率由2%切换至10%连续运行试验结果表明,在有机负荷高达14g COD/(L·d)时,虽然系统COD去除率不足(27.99±3.66)%,且存在VFAs积累(10.41±2.25)g COD/L,但pH值仍可稳定在(7.74±0.09),说明该切换策略具有可行性.稳定运行系统中产氢产乙酸和互营乙酸氧化功能菌属以Coprothermobacter(15.29%)、Anaerobaculum(8.89%)、Tepidimicrobium(17.99%)和Syntrophomonas(1.60%)为主,切换后乙酸营养型产甲烷菌Methanothrix被淘汰,而参与互营乙酸氧化过程的Methanosarcina和Methanothermobacter相对丰度显著提高,说明体系通过构建互营乙酸氧化产甲烷途径来抵御高温高氨的环境胁迫.因此,以常规含固率高温厌氧消化污泥作为接种泥是实现由常规含固率切换至高含固热水解-高温厌氧消化的有效策略,并且接种污泥的互营乙酸氧化活性是切换成功的关键因素.

一个产氢产乙酸菌互营共培养体的培养基优化

营养生态位位于产酸发酵菌和产甲烷菌之间的产氢产乙酸菌,其分离培养困难,种子资源匮乏,限制了基于强化产氢产乙酸功能作用的高效厌氧生物处理技术的开发.在前期获得对丙酸具有较强降解能力的产氢产乙酸菌互营共培养体7-m-2a的基础上,探讨了丙酸质量浓度、氮源、Ca2+、Fe2+、Mg2+和泛酸等对其生长代谢的影响.结果表明,培养基中适宜的丙酸钠和Fe2+、Mg2+、泛酸质量浓度分别为10 g/L和88、38、30 mg/L,最佳氮源是由质量浓度为0.33 g/L的酵母膏、胰蛋白胨和NH4Cl组成的复合氮源.在优化条件下38℃培养30 d,7-m-2a对丙酸的降解速率和乙酸产量分别可达998 mg/(L.d)和3 947 mg/L.

丁酸盐降解菌与氢营养菌的互营联合条件

以丁酸盐降解菌、脱硫弧菌和产甲烷菌为材料,研究了影响互营联合降解丁酸盐的各种因素.观察到气相中存在0.75×1.013×105PaH2时丁酸降解受到抑制,同时进行振荡培养则抑制作用更为强烈.振荡培养对丁酸降解菌-脱硫弧菌共培养物无明显影响,但对丁酸降解菌-甲烷螺菌共培养物有一定抑制作用.当硫酸盐存在时,脱硫弧菌通过对氢的竞争作用而抑制了甲烷菌的代谢,却促进了丁酸的降解.无硫酸盐时,脱硫弧菌能与产甲烷菌通过互营联合分解乳酸盐,,生成甲烷和乙酸,在该条件下,乳酸盐降解时产生的氢对丁酸降解有明显抑制作用.

产氢产乙酸互营共培养体7-m-2a的生长代谢特性

为了对产氢产乙酸互营共培养体的扩大培养和应用奠定基础,采用静态培养实验,考察了碳源、氮源、温度和pH等因素对前期分离得到的新型共培养体7-m-2a的生长代谢特性的影响.结果表明,产氢产乙酸互营共培养体7-m-2a对丙酸、丁酸和苯甲酸都具有很高的转化率,其最适宜碳源为丁酸,不易利用葡萄糖和蔗糖;以蛋白胨和酵母粉混合物为氮源时,其生长代谢活动最旺盛,适宜的pH和温度分别为8.0和45℃.

互营乙酸氧化菌研究进展

乙酸是沼气发酵过程中的重要中间代谢产物,可以通过乙酸裂解途径和互营乙酸氧化产甲烷途径代谢产生甲烷。文章主要综述了互营乙酸氧化菌的研究历史和最新进展,讨论了影响互营乙酸氧化产甲烷代谢的环境因素,并展望了互营乙酸氧化菌的研究趋势。

丁酸和戊酸互营氧化产甲烷微生物学研究进展

丁酸和戊酸是产甲烷过程中重要的中间代谢产物,特别是在含蛋白废水的厌氧消化体系中,丁酸和戊酸是主要的中间代谢产物。研究互营丁酸和戊酸氧化分解的微生物学对于含蛋白废水的处理乃至厌氧消化体系稳定高效运行都是极其重要的。文章总结了目前已分离获得的丁酸和戊酸氧化菌,介绍了已知的丁酸和戊酸的氧化分解途径,同时概述了关于丁酸和戊酸互营氧化分解相关的微生物群落研究现状,对利用丁酸和戊酸产甲烷的微生物学研究的未来发展提出了建议。

丙酸互营氧化菌群对厌氧消化过程中丙酸累积的调控研究进展

在厌氧消化产沼气过程中乙酸、丙酸和丁酸等挥发性有机酸是重要的中间代谢产物,其中丙酸最为重要。通常厌氧消化系统有机负荷的提高等因素会导致系统丙酸的累积,从而引起系统酸化,抑制厌氧消化系统中微生物的生长、影响系统稳定性。因此,丙酸的降解被认为是厌氧消化过程的限速步骤。然而由于丙酸降解为乙酸,CO2和H2反应所需自由能较高,反应不能自发进行。研究表明丙酸的降解可以通过丙酸氧化菌和氢营养型产甲烷菌等互营合作而完成。文章将从厌氧消化过程中丙酸累积及调控角度出发,分析了影响丙酸累积的几大原因,并总结了近年来针对丙酸累积提出的调控办法和丙酸互营氧化菌群的研究进展,以期为厌氧消化技术的推广应用提供基础。

基于甲酰四氢叶酸合成酶基因解析厌氧消化系统中互营乙酸氧化菌群

乙酸是厌氧消化产甲烷过程的重要中间代谢产物,可以通过乙酸营养型产甲烷菌分解乙酸和互营乙酸氧化菌氧化乙酸这两种途径产甲烷。一些同型产乙酸菌通过逆向acetyl-CoA途径可以进行互营乙酸氧化,甲酰四氢叶酸合成酶(formyltetrahydrofolate synthetase,FTHFS)是该途径关键酶,其编码基因甲酰四氢叶酸合成酶基因(fhs)可以用来研究环境中互营乙酸氧化菌群分布,但目前相关研究比较有限。为了了解乙酸氧化菌群的多样性和分布情况,研究采集了分别来自供给原料不同、运行温度不同的湿式和干式的厌氧反应器的消化污泥,按样品的来源特征构建3个fhs基因克隆文库并进行了解析。结果表明:3个文库的克隆分布差异大且没有共有克隆,大部分克隆与已知微生物或未培养克隆具有较低的相似性,表明厌氧消化系统中存在较高多样性的未知互营乙酸氧化菌群,运行温度对互营乙酸氧化菌群多样性具有一定影响。

中国东部水稻土壤丁酸互营降解微生物的地理分布格局

沿纬度梯度收集中国东部34个水稻土壤样品,在实验室条件下,以丁酸钠为底物,进行二次厌氧富集实验。运用微生物高通量测序技术,分析样地水稻土壤中丁酸互营降解过程的微生物群落特征、功能活性及互营单胞菌相对丰度地理分布格局。结果表明,丁酸降解产甲烷的延滞期(3~14天)随着样地纬度的升高而加长,但最大产甲烷速率没有显著的差异。环境因子相关分析结果表明,丁酸降解细菌的关键类群为互营单胞菌(Syntrophomonas),互营单胞菌的相对丰度主要受年平均温度(MAT)的影响。互营单胞菌相对丰度较大的样地,丁酸完全降解所需时间较短。丁酸互营降解微生物的群落结构表现出显著的距离衰减关系(p<0.05),表明微生物群落的构建同时受到空间距离和环境因子的驱动。

复合碳源培养对酒糟厌氧消化液中丙酸互营氧化菌及群落结构的影响

丙酸累积是影响厌氧消化系统稳定性的主要因素,为了考察酒糟厌氧消化过程中间代谢产物的累积情况,以总固体含量(TS)(质量分数)5%和7%的白酒糟为发酵原料进行了批次试验。结果表明,乙酸(最高浓度33~129 mmol/L)、丙酸(39~61 mmol/L)、丁酸(5~44 mmol/L)和15种氨基酸(0.01~0.3 mmol/L)为主要中间代谢产物。为了探究其中关键的丙酸降解菌群,以酒糟原始沼液JO为植种源,10 mmol/L丙酸和0.1 mmol/L混合氨基酸为复合碳源进行富集培养,获得中温厌氧丙酸-氨基酸培养系JO-AP。高通量测序分析表明,互营丙酸降解菌与厚壁菌门(Firmicutes)的丙酸厌氧降解菌(Pelotomaculum schinkii)近缘,16S rRNA基因相似性100%,占细菌总丰度的16.7%。对比酒糟原始沼液JO、丙酸培养系JO-P及丙酸-氨基酸培养系JO-AP中的主要功能菌群,发现采用单一碳源和复合碳源获得的优势互营丙酸降解菌不同;传统培养与分子生物学技术相结合可以更全面地掌握系统中的微生物群落组成。

微生物互营产甲烷过程中的种间电子传递

甲烷作为全球第二大温室气体,是典型的可再生清洁能源,也是碳循环中的重要物质组成。大气中约74%的甲烷由产甲烷古菌和其他微生物的互营产生,种间电子传递(interspecies electron transfer, IET)是微生物菌群降低热力学能垒、实现互营产甲烷的核心过程。IET可分为间接种间电子传递(mediated interspecies electron transfer,MIET)和直接种间电子传递(direct interspecies electron transfer, DIET)两种类型,其中MIET依赖氢气、甲酸等载体完成电子的远距离传输,而DIET则依赖导电菌毛、细胞色素c等膜蛋白,通过微生物的直接接触实现电子传递。本文将从IET的研究历程出发,从电子传递机制、微生物种类、生态多样性等方面对微生物互营产甲烷过程中的两种IET类型进行比较,最后对未来待探索的方向进行展望。本综述有助于加深对微生物互营产甲烷过程中IET的理解,为解决由甲烷引发的全球气候变暖等生态问题提供理论支撑。

水稻土中脂肪酸互营氧化的研究进展

水稻田是温室气体甲烷(CH4)的重要释放源之一,有机质在水稻土中通过厌氧分解途径最终产生CH4和CO2。短链脂肪酸互营氧化是水稻土有机质降解的关键环节,但是由于互营微生物独特的生理生态特性,目前人们对于参与该过程的微生物群落及功能了解甚少。稳定同位素探针(SIP)技术被认为是实现环境中参与物质转化微生物种类与功能相耦合的有力工具。本文首先讨论互营过程的热力学基础和互营微生物的种间相互作用模式,然后简要讨论了互营过程的环境影响因子,最后详细综述稳定同位素探针技术在水稻土短链脂肪酸互营氧化过程中的相关研究。目前的研究表明:参与水稻土脂肪酸互营氧化过程的互营细菌种类丰富、多样性高;除已知互营细菌的作用外,大量未培养、功能未知的细菌类型也可能参与短链脂肪酸的互营氧化;对于互营细菌的伙伴而言,新型产甲烷胞菌属(Methanocella)类型的古菌在不同脂肪酸互营降解过程中均起主要作用,揭示了这类产甲烷古菌在水稻土厌氧产甲烷过程中的重要作用。

微生物互营产甲烷研究进展

甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体,也是典型的可再生资源.目前大气中的甲烷约有74%来自微生物互营产甲烷过程.研究微生物互营产甲烷对于控制全球气候变暖和发展清洁能源都具有重要意义.本文主要对产甲烷菌的类型、互营产甲烷的过程、电子传递等方面进行综述.典型的有机物厌氧互营氧化要经历3个步骤,主要由3种不同的菌群完成,即发酵菌、互营菌和产甲烷菌.互营产甲烷过程释放的能量很低.在互营产甲烷过程中存在互营菌的种内电子传递和互营菌与产甲烷菌的种间电子传递.反向电子传递是互营菌种内电子传递的一种方式,表现为电子歧化和电子聚合,都需要消耗能量使得热力学上不利的氧化还原反应得以发生.种间电子传递包括种间氢气转移、种间甲酸转移和种间直接电子传递3种方式.未来人们可以利用基因敲除、高通量测序、计算生物学等方法研究互营微生物间底物和电子的传递,以及互营菌群对环境变化的响应机制,以便将互营产甲烷过程应用于实际生产.

获取有机物厌氧降解产甲烷过程中关键功能类群——互营细菌培养物

互营代谢是微生物之间的重要种间互作关系之一,参与互营代谢的微生物广泛存在于土壤、淡水和海水沉积物、厌氧消化反应器、动物肠道和极端环境中(如地下油藏),在有机物厌氧降解转化为二氧化碳和甲烷的过程中发挥着关键性的作用。研究互营细菌的物质代谢和能量传递的分子机制,对认识缺氧环境中的元素生物地球化学循环具有重要意义,也为解决全球能源危机、缓解气候变暖提供理论指导。但是,互营细菌生长缓慢、对氧气敏感,其分离培养的难度大。本文主要回顾了互营细菌的分离策略及其生理生化特征,展望了互营细菌分离培养的发展趋势,并指出以高通量筛选与定向分离相结合的方法,获得具有特定生理生态学功能的互营细菌,是互营微生物资源和分类学研究的发展方向。

铁基纳米材料对苯甲酸降解菌Sporotomaculum syntrophicum与产甲烷菌Methanospirillum hungatei的厌氧互营体系降解苯甲酸的影响

为探究铁基纳米材料在苯甲酸厌氧互营代谢过程中的作用,以厚壁菌门的厌氧互营苯甲酸降解菌Sporotomaculum syntrophicum与产甲烷菌Methanospirillum hungatei的共培养体系为研究对象,考察投加铁基纳米颗粒四氧化三铁(Fe_(3)O_(4)NPs)和三氧化二铁(Fe_(2)O_(3)NPs)对苯甲酸厌氧降解转化甲烷的影响。结果表明:10~500 mg·L^(−1)的Fe_(3)O_(4)纳米颗粒对苯甲酸降解速率及产甲烷量没有显著影响;而高浓度的Fe_(3)O_(4)纳米颗粒对苯甲酸降解及产甲烷速率产生了明显的抑制作用,当添加Fe_(3)O_(4)纳米颗粒的质量浓度为600、800、1000 mg·L^(−1)时,第15天的产甲烷量分别减少了24.29%、44.13%和61.54%。低浓度和高浓度的Fe_(2)O_(3)纳米颗粒对苯甲酸的降解及甲烷的产生均无影响。质量浓度为10~1000 mg·L^(−1)的Fe_(3)O_(4)NPs和Fe_(2)O_(3)NPs均不能促进S.syntrophicum与M.hungatei共培养体系的种间电子传递过程。本研究结果可为导电材料强化厌氧纯菌降解苯甲酸,以及利用导电材料强化苯甲酸废水及木质纤维素类固体废弃物的处理提供参考。

酒糟厌氧消化液中丙酸互营降解菌的富集培养与群落解析

为研究酒糟沼气工程中互营丙酸氧化菌群,以不同阶段酒糟沼液为接种物,丙酸为唯一碳源,经过1年富集培养获得两个中温厌氧丙酸降解培养系JO-P和JN-P.丙酸在1.5-2个月转化为乙酸和甲烷.采用16S rRNA基因高通量测序技术,对培养系中细菌及古菌的群落结构进行解析.细菌解析结果表明,两个培养系中存在不同类型的丙酸降解菌:JO-P中存在3种丙酸降解相关功能微生物,与已培养丙酸降解菌Smithella propionica(16S rRNA基因相似性,99%)、Syntrophobacter wolinii(相似性95%)及Desulfobulbus propionicus(相似性100%)序列近缘,分别占细菌的37.61%、10.40%及1.34%.JN-P中存在1种与已培养丙酸降解菌Syntrophobacter wolinii近缘微生物(相似性95%),占细菌的24.90%;古菌解析结果表明,JO-P中氢营养型产甲烷菌Methanoculleus receptaculi(相似性100%)及乙酸营养型产甲烷菌Methanosaeta concilii(相似性100%)分别占95.09%和4.85%.JN-P中只存在氢营养型产甲烷菌Methanoculleus receptaculi(相似性100%),相对丰度99.98%.本研究表明Smithella propionica、Desulfobulbus propionicus及Syntrophobacter wolinii在酒糟沼气工程中降解丙酸发挥重要作用.

纳米铁氧化物对Pelotomaculum schinkii培养系丙酸厌氧降解产甲烷的影响

微生物能利用导电材料进行电子传递,提高种间电子传递效率。铁基纳米导电物质可以加速土壤及厌氧消化系统中微生物间的种间电子传递,促进有机废弃物的产甲烷过程。前期获得了厌氧丙酸富集培养系,互营丙酸氧化菌(Pelotomaculum schinkii)在培养系中占优势,本研究考察了10~4000 mg/L纳米铁氧化物对丙酸降解产甲烷过程的作用及微生物的影响。结果表明,低浓度的铁基纳米材料对丙酸降解有一定的促进作用,而高浓度会抑制产甲烷。10~1000 mg/L纳米Fe_(3)O_(4)对产甲烷无明显影响,1500~4000 mg/L最大产甲烷速率抑制了26%~80%,延滞期增加了174%~222%;10~200 mg/L纳米Fe_(2)O_(3)使最大产甲烷速率提高了21%~29%,1500~4000 mg/L最大产甲烷速率抑制了48%~58%,延滞期增加了29%~85%。微生物群落解析结果表明,与对照相比,10~1000 mg/L纳米Fe_(2)O_(3)使P.schinkii相对丰度略有增加,而4000 mg/L纳米Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)O_(3)使P.schinkii的相对丰度下降了70.7%和55.9%,说明高浓度纳米铁氧化物会抑制P.schinkii的活性,导致丙酸降解及产甲烷速率降低。

硬脂酸降解菌与嗜氢产甲烷杆菌共培养物的研究

本文介绍基本纯化的产氢乙酸的硬脂酸降解菌与嗜氢产甲烷杆菌的共培养物(LDB2-M2)在等当量的CaCl_2存在下,能降解C_1～C_18饱和脂肪酸;游离的硬脂酸能抑制M2的产甲烷活性;LDB 2短时间接触H_2,导致其活性暂时性抑制;当氢营养细菌数明显高于产氢产乙酸细菌数时,在分离过程中不必加其他氢营养菌作为伴生菌。

接种牛粪菌系对稻秸发酵特性及固液相菌群的影响

为考察接种牛粪菌系对稻秸的发酵特性和固液相菌群的影响,进行了批次试验。结果表明:牛粪菌系接种体系分别在第4天和第38天时出现了两个产甲烷峰,稻秸甲烷产率(以VS计)达269.32 m L/g,比对照体系提高了35%。纤维素酶和木聚糖酶活性分别达18.82、214.55 U/m L,使得干基质量降解率达41.79%。发酵结束后,细菌和甲烷菌群结构变化明显,稻秸固相上瘤胃球菌属(Ruminococcus)和纤维杆菌属(Fibrobacter)等纤维素水解菌相对丰度提高,分别与嗜氢型甲烷短杆菌属(Methanobrevibacter)和甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)存在协同代谢,是牛粪菌系接种体系稻秸高效水解产甲烷的关键。和对照体系中存在的互营杆菌属(Syntrophobacter)和消化肠状菌属(Pelotomaculum)不同,接种体系的氨基杆菌属(Aminobacterium)和互营单胞菌属(Syntrophomonas)等互营氧化菌降低了丙酸和丁酸浓度,嗜乙酸产甲烷途径占主导优势,提高了厌氧发酵的效率。