新型产甲烷菌系提高极限含水油藏采收率技术

我国东部老油田已整体进入特高含水开发阶段,呈含水上升快、采油速度低、水驱效益低等开发特征,现有提高采收率技术已无法实现原油的经济采出,亟需建立接替技术。为此,以胜利油田某聚驱后油藏为试验区,开展了油藏菌群结构分析、新型产甲烷菌系的激活产气、油藏适应性及驱油性能研究,探索新型产甲烷菌系在这类油藏的应用潜力。研究结果显示,试验区油藏具有丰富的石油烃降解菌,有利于生物气化技术的实施。模拟试验区油藏条件下,新型产甲烷菌系与油藏内源微生物有较好的相容性,90 d每克原油的产气量达到3.12 mmol,是单独激活油藏微生物产气量的4.5倍,且产生的气体中甲烷气占比达到78%。菌群结构分析显示,新型产甲烷菌系占比达到35.9%,是产气速率大幅提升的关键。适应性研究结果显示,在油藏温度低于65℃、原油黏度小于1 356 mPa·s条件下,新型产甲烷菌系均展示了良好的产气性能。利用实验室设计的物理模型,评价了该菌系产气提高驱油性能,结果显示,注入该菌系后产气作用有效动用了模型顶部的剩余油,极限含水条件下驱油效率提高5.4个百分点;在此基础上提出了生物气化技术提高极限含水油藏采收率的机理。

鸟岛湿地土壤产甲烷菌群落对不同降水梯度的响应

产甲烷菌在湿地CH4排放过程中发挥着重要作用,降水格局的改变已经并将持续影响湿地生态系统的结构与功能,进而对湿地CH4排放过程产生影响。本研究以青海湖鸟岛湖滨湿地为研究对象,设置5个降水梯度处理,并利用mcrA扩增子测序技术对土壤产甲烷菌进行检测,探究鸟岛土壤产甲烷菌群落特征对不同降水梯度的响应。结果表明,鸟岛土壤产甲烷菌群落的优势菌目为甲烷微菌目(Methanomicrobiales)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)和甲烷杆菌目(Methanobacteriales)。FAPROTAX功能预测显示土壤中氢营养型产甲烷菌占优势,由此推测H_(2)/CO_(2)还原为鸟岛土壤CH_(4)产生的主要途径。LEfSe分析表明,5个降水梯度共存在31个差异菌群,以增雨50%处理下差异菌群数量最多,从目水平到种水平共有10个差异菌群。整体而言,鸟岛土壤产甲烷菌的群落多样性较为稳定,而群落结构对降水变化的响应较为敏感,部分菌群的相对丰度发生了显著变化(P <0.05)。研究结果可为预测降水变化对鸟岛湿地土壤碳循环的影响提供一定的参考依据。

厌氧膜生物反应器处理市政污水的产甲烷性能及微生物代谢特征

厌氧膜生物反应器(anaerobic membrane bioreactor,AnMBR)作为一种新型厌氧处理技术,可高效去除污水中的有机物并以CH4的形式回收再利用,降低污水处理能耗与碳排量,助力实现“双碳”目标.为评估AnMBR处理市政污水时的能源回收潜力,进一步揭示处理系统工艺特性,考察了不同水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)下AnMBR处理市政污水的污染物去除及产甲烷性能、微生物代谢产物及微生物群落组成特征.结果表明:(1)在室温条件下,HRT从24 h缩短至3.2 h过程中反应器均可实现高效的化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除与产甲烷性能,COD去除效率稳定在95%以上,进水77%以上的COD转化为CH_(4),出水COD浓度低至(21.2±7.8)mg/L.(2)反应器中溶解性微生物代谢产物(soluble microbial products,SMP)浓度为70~200 mg/L(以COD计),蛋白质/多糖(含量比,下同)为4.3~5.5,远高于胞外聚合物中的蛋白质/多糖(2.0~4.0),膜污染潜力高.(3)微生物群落分析发现,产甲烷古菌与细菌的丰度比与固体停留时间(solid retention time,SRT)呈显著负相关(P<0.05),且不同粒径颗粒中微生物群落组成差异显著,产甲烷古菌在粒径≥10μm的颗粒中丰度较高,维持混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)在8.0~11.5 g/L之间、SRT在60~80 d之间可避免功能菌群失衡.研究显示,AnMBR处理市政污水可实现良好的污染物去除效果与产甲烷性能,但过长的SRT会导致污泥浓度过高、SMP浓度增大以及产甲烷古菌丰度降低,影响反应器高效稳定运行.

异常毕赤酵母和纤维素酶对青贮甜高粱产甲烷潜力的影响

本文探究了单独或联合使用异常毕赤酵母(Pichia anomala)和纤维素酶对甜高粱青贮质量和厌氧消化产甲烷潜力的调控效果,利用高通量测序解析了厌氧消化过程中微生物菌群的多样性,结合经济性能分析筛选廉价高效的青贮预处理添加剂。结果表明,甜高粱青贮过程中,单独或联合使用2种添加剂的青贮品质均为优良,其中异常毕赤酵母和纤维素酶联合处理组(PC组)的综合评价值为0.66,单独添加异常毕赤酵母(Pa组)的评价值次之为0.63;两种添加剂均能有效保存青贮甜高粱的可溶性碳水化合物、粗蛋白、纤维素和半纤维素等能量组分,降低酸性洗涤木质素、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维等木质纤维组分,增加乳酸和乙酸含量,强化青贮发酵进程。尤其,PC组的可溶性碳水化合物保存效果最佳,木质素去除率高达62.55%;Pa组中蛋白质保存完好,乳酸和乙酸含量最高,分别为50.01 g·kg^(−1)(DM)和18.35 g·kg^(−1)(DM)。青贮预处理能明显提升甜高粱的厌氧发酵产甲烷效能,与新鲜原料组相比,PC组累计产甲烷量提高30.13%,为457.70 mL(CH_(4))·g^(−1)(VS),消化迟滞期缩短62.96%,生物降解指数最高,达72.39%;Pa组的预处理效果次之,最大产甲烷速率提升33.57%,消化迟滞期缩短33.33%,且消化系统都相对稳定。厌氧消化系统中属水平优势细菌为发酵单胞菌(Fermentimonas)和梭状芽孢杆菌(Clostridium_sensu_stricto_1),与pH呈负相关,与化学需氧量(COD)和总挥发性脂肪酸(TVFA)呈正相关。优势古菌属为甲烷八叠球菌(Methanosarcina)和甲烷短杆菌(Methanobrevibacter),其中甲烷八叠球菌与COD和TVFA呈负相关,与pH呈正相关;甲烷短杆菌与COD和TVFA呈正相关,与pH呈负相关关系。综合青贮质量、产甲烷性能和经济性分析,推荐单独使用异常毕赤酵母作为甜高粱青贮预处理的生物强化剂。

褐煤中天然产甲烷菌富集培养与生物气产出模拟

采用厌氧培养方法,在云南省昭通褐煤样品中成功地培养富集了活性厌氧细菌,并进一步开展了为期60天的生物气生成模拟实验,分析了生物气的生成规律、物质组成和成因机制。结果揭示:3件褐煤样品中均有活性厌氧细菌存在,以纤维素分解菌为主,活性硫酸盐还原菌极其微少,说明昭通盆地褐煤层具有较强还原性的生化环境,有利于产甲烷菌的繁盛;生物气的生成经历了生气量缓慢增长、显著增高、趋于减缓三个阶段,表明产甲烷菌在经历了第一阶段缓慢繁殖后,其数量和活性在第二阶段达到较高水平;3件煤样生气量和生气历程存在一定差别的原因,可能在于原煤中活性产甲烷菌数量以及显微组分组成方面存在差异,褐煤生物气生成过程至少存在两个以上的生气高峰阶段。模拟实验中产生的生物气几乎全部由CH4和CO2组成,且CH4占主要部分,几乎没有检测到重烃气。甲烷气体δ13C1和δD的平均值均处于生物甲烷碳、氢同位素组成的正常分布范围。

利用FISH和DGGE对产甲烷颗粒污泥中微生物种群的研究

利用FISH和DGGE技术对厌氧反应器内处于不同运行阶段的4个产甲烷颗粒污泥进行研究,考察其中真细菌和古细菌的种群结构,并对其中的优势古细菌进行系统发育分析.FISH结果表明,颗粒污泥中真细菌含量明显高于古细菌,真细菌主要分布在颗粒污泥外层,古细菌则主要分布在内层;DGGE结果表明,随着反应器COD负荷的增加以及运行时间的延长,真细菌种群结构相对较稳定,而古细菌种群结构则发生了较明显变化,其中占优势的古细菌种类逐渐减少;将有代表性的7个古细菌条带切胶回收并测序,结果显示,反应器运行后期占优势的菌种主要包括甲烷微粒菌(Methanocorpusculum)、甲烷杆菌(Methanobacterium)和甲烷髦毛菌(Methanosaeta)等.

利用白腐菌生物预处理强化秸秆发酵产甲烷研究

白腐菌对农业固体废物秸秆中的木质素具有较强的降解能力。采用秸秆生物预处理强化产甲烷试验装置进行了白腐菌对秸杆生物预处理后发酵产甲烷试验。结果表明,经白腐菌预处理后,秸秆的结构受到破坏,木质素含量降低,从而大大缩短了厌氧发酵周期,提高了甲烷转化效率。室温下用白腐菌预处理20d、厌氧发酵15d,甲烷转化率为47.63%,继续发酵至30d,甲烷转化率高达58.74%;39℃的温度下预处理10d、发酵5d就可以达到53.3%的甲烷转化率。采用秸秆预处理液作为连续序批式预处理的菌源时,甲烷产量显著下降,预处理液一次转接甲烷转化率为22.6%,二次转接仅为12%,检测分析显示白腐菌难以在后续的批处理中保持优势。

高效厌氧产甲烷颗粒污泥微生物多样性及定量化研究

以小试高效厌氧反应器不同运行阶段的颗粒污泥为对象,利用变性梯度凝胶电泳(DGGE)、荧光原位杂交(FISH)和实时定量链式聚合酶反应(RTQ-PCR)等技术研究了其中微生物种群的多样性、特征微生物的空间分布和定量关系,结果表明:随着反应器有机负荷逐渐提高,颗粒污泥中古菌的群落结构的变化较细菌更为明显;细菌多分布在颗粒外层,而古菌则主要分布在颗粒内层;古菌含量略少于细菌,但有逐渐增多的趋势;产甲烷丝菌在古菌中的含量增加明显.

不同碳源对产甲烷生物阴极性能的影响

以'H'型电池为主体装置,考察和比较了有机和无机碳源对产甲烷生物阴极启动期和稳定运行期性能的影响.结果表明,有机碳源可以加速产甲烷生物阴极的形成,并使其在稳定运行期维持较高的运行性能;有机碳源条件下所形成的产甲烷生物阴极具有较好的电化学活性,当阴极电势为-0.75 V(vs.SHE)时,其电流密度可达(2.34±0.15)A/m2;通过投加有机碳源,可以实现CO2(或HCO-3)的原位供给,与无机碳源直接供给方式相比,可在一定程度上缓解气液传质限制,提高微生物的生长速率,最终使产甲烷生物阴极表面生物量是无机碳源培养下的4倍多.从微生物分析角度解释了有机碳源提高产甲烷生物阴极性能的原因.

分子生物学技术在产甲烷古菌多样性研究中的应用

产甲烷菌在自然界中分布广泛,是一类重要的严格厌氧原核微生物,其参与的产甲烷作用通常发生在厌氧发酵过程的最后一步,可将无机物或有机化合物最终转化成甲烷和二氧化碳。由于产甲烷菌独特的厌氧代谢机制,使其在自然界碳素循环过程中起着重要作用,因此对于产甲烷菌的多样性以及代谢机制的研究越来越受到人们的关注。相对于传统的培养检测方法,分子生物学技术对于产甲烷菌的多样性及其群落结构的检测更为便捷、准确和科学。介绍了产甲烷古菌的系统分类学发展,系统地阐述了产甲烷菌定性和定量的分子生物学检测方法,总结了不同技术在产甲烷菌多样性研究中的最新成果,最后提出多种技术的复合应用将成为研究的热点。

产甲烷菌生物地球化学作用的研究

地壳中,工业甲烷的形成机制主要受微生物和热作用两种因素的制约。70年代以来,国外对生物甲烷的形成机理进行了大量的研究,尤其是在产甲烷菌生物化学方面,取得了很大进展。HS-CoM和CH_3-S-CoM的发现,为深入研究成岩作用早、中期天然气的形成及微生物所进行的生物地球化学作用提供了可能性。本文对这一问题进行了综述,并论述了这项研究工作的重大意义。

高氨氮浓度对产甲烷厌氧发酵过程中微生物活性及转录组的影响

高氨氮浓度会对厌氧发酵过程中微生物群落结构和活性产生显著的影响,文章利用高通量测序手段考察高氨氮浓度条件下厌氧发酵系统中微生物的活性菌群及代谢途径的差异。结果显示,微生物群落结构随氨氮浓度发生了显著的改变,在高氨氮浓度条件下,主导微生物由Ruminofilibacter和Lactobacillus向Clostidium和Peptostreptococcus转变;代谢过程也出现了明显的差异,与孢子形成和细胞结构相关的代谢过程基因,如休眠与孢子形成(Dormancy and Sporulation)和细胞壁与荚膜(Cell Wall and Capsule)等相对丰度增加;与细胞分裂相关的代谢基因相对丰度降低;产甲烷过程中相应酶基因的表达量逐渐减少。这些结果表明,高氨氮浓度会改变微生物群落结构形成新的生态位,同时会改变各功能基因的表达活性,降低细胞生长和代谢相关基因表达;休眠和孢子形成,基因表达提高,有助于微生物抵抗高氨氮胁迫。

渗滤液回灌对厌氧生物反应器产甲烷影响的研究

在不同温度下,通过对3个已进入产甲烷期的厌氧型生物反应器实施不同的回灌操作,并对渗滤液的pH值、TDS、COD、氨氮浓度和产气量的监测数据进行对比分析表明:在温度较高时,高回灌频率1d/次有利于促进产甲烷速率的提高;在温度较低时,适当的低回灌频率5d/次更加有利。同时保持较高的温度(35℃左右)也有利于提高厌氧型生物反应器的产甲烷速率,其中在恒温下的D2柱的平均产甲烷速率高达2314mL/d,而在室温下的D1柱仅为D2柱的40%。

絮凝剂添加对厌氧微生物产甲烷活性的影响

在厌氧反应器启动初期添加絮凝剂需考虑絮凝剂对厌氧微生物所产生的抑制影响,通过对聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚季胺盐不同絮凝剂的生物化学甲烷势(BMP)测定和厌氧毒性测定(ATA),评价了其厌氧生物可降解性和絮凝剂对厌氧微生物产甲烷活性的影响,对比了所形成的生物絮体在沉降性能和抗破散强度方面的差别。确定以聚季胺盐作为厌氧污泥颗粒化促进剂,建议采用间隔10d的多次添加方式及反应器中聚季胺盐质量浓度为10mg/L。

反刍动物瘤胃产甲烷古菌的生物学研究

反刍动物瘤胃产甲烷菌属于古菌,产生甲烷气体,而且生存于活体动物厌氧环境,在生物学研究方面有独特的意义,其特殊地位受到人们的极大关注。近年来,反刍动物瘤胃产甲烷古菌的研究不断深入,日益细致。论文就反刍动物瘤胃产甲烷的分类,生物学特性和分子水平的研究做一叙述。

对处理不同废水的几种厌氧消化器生物量中优势产甲烷菌的观察

近年来,人们对城市废水、工业废水和农业废物的厌氧消化产生极大的兴趣。厌氧消化不仅是减少有机物污染的便利方法,而且在此处理系统中能得到正的能量平衡。厌氧消化器中的生物量一般由四个主要细菌类群组成。有机物完全有效地转化为甲烷,需要这些细菌的相互代谢作用。否则,即引起甲烷产率的降低,甚至整个厌氧消化过程遭到失败。在对厌氧消化的微生物学研究中,产甲烷菌(methanogens)更加引起研究者的注意。这不仅因为此类菌是有机物甲烷化过程中的最后一组成员,而且它们生长缓慢、底物要求苛刻,因此在发酵器内保留足够量的产甲烷菌是厌氧处理过程正常进行的关键。

原位储层生物地球化学评价及其对煤层气开采的指示意义——以沁水盆地南部柿庄南区块为例

煤储层是微生物生存代谢的良好场所,其中与碳循环相关的微生物群落普遍存在,但微生物的地理分布与代谢表达尚未与储层建立有效联系。通过微生物代谢难以在自然条件形成有效气藏,但微生物群落受有机物供给、环境条件等影响,对储层原位环境与煤层气保存条件形成良好响应。沁水盆地南部煤层气资源丰富,是我国最早实现煤层气商业开发的区域之一。以沁水盆地南部柿庄南区块为例,通过研究区储层水的生物地球化学特征与生物基因测序,分析离子质量浓度、溶解无机碳同位素、硫酸盐同位素和微生物丰度与多样性,以产甲烷菌、硫酸盐还原菌等微生物为依据评价储层环境条件。研究表明,储层地球化学受水岩作用、离子交换和微生物代谢等因素影响。较高的钠离子和碳酸氢根离子质量浓度说明储层为相对还原环境或滞留条件。硫酸盐还原菌和产甲烷菌在降解煤过程中发挥协同作用,但硫酸盐还原菌在硫酸盐满足代谢需求时与产甲烷菌竞争可用底物占优而抑制产甲烷菌代谢。硫酸盐同位素、溶解无机碳同位素以及微生物丰度和多样性等可表征上述微生物间的共生关系与储层环境条件。硫酸盐还原作用活跃而产甲烷作用不明显的区域不具备有效保存煤层气的条件。相对还原或滞留的储层环境适宜产甲烷菌代谢,也是煤层气保存的有利区。研究认识丰富了储层生物地球化学评价方法,指导了煤层气勘探开发有利区优选,为我国煤层气生物工程的现场实施提供理论基础与方案指导。

几种氯酚的生物降解性及其对厌氧产甲烷毒性的试验研究

在35±1℃中温厌氧条件下,以葡萄糖为共基质,采用间歇试验法,研究了2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚、2,3,4,6-四氯酚及五氯酚的产甲烷毒性及生物降解性.试验结果表明:四种氯酚对产甲烷菌活性的抑制程度大小为:五氯酚>2,4,6-三氯酚>2,3,4,6-四氯酚>2,4-二氯酚.氯酚的去除率大小为:五氯酚>2,3,4,6-四氯酚>2,4,6-三氯酚>2,4-二氯酚.氯酚去除率与自身毒性关系不明显,但COD去除率与氯酚的毒性大小呈负相关.

外源添加剂对黄贮小麦秸秆产甲烷潜力及微生物群落的影响

为探讨添加不同外源添加剂对黄贮小麦秸秆产甲烷潜力和微生物群落结构的影响,该研究以小麦秸秆为黄贮原料,添加乙酸(3‰ACE组)和异型发酵乳酸菌复合系(3‰MI1组,6‰MI2组),调整含水率至50%,黄贮65 d后,以黄贮小麦秸秆为厌氧发酵原料,探究发酵过程中的指标性质和微生物群落结构。研究发现黄贮预处理后,发酵系统中的初始挥发性有机酸中的乳酸和乙酸增加、甲烷含量增加、可溶性化学需氧量(sCOD)增加。添加了外源添加剂的ACE组、MI1组、MI2组的累积甲烷产量较干黄小麦秸秆(WS组)提高了4.7%~10.6%,而未添加添加剂的CK组的累积甲烷产量较WS组降低了9%。发酵系统中的主要优势细菌为Bacteroidetes、Firmicutes和Proteobacteria,优势古菌为甲烷鬃菌属Methanosaeta,黄贮预处理改变了发酵系统微生物的群落结构,促进了小麦秸秆的甲烷转化,为木质纤维素的沼气转化提供参考。

铝盐对厌氧微生物产甲烷活性的影响研究

废水中铝盐含量增高以及铝盐的生物毒性使其对废水生物处理工艺中微生物产生的危害引起了人们的关注。本文以产甲烷活性为指标,通过投加氯化铝测定其对颗粒污泥的产甲烷毒性来研究铝盐对厌氧菌的危害。结果表明,铝盐使厌氧颗粒污泥的活性明显降低,但其毒性可以驯化,且清除铝盐后厌氧颗粒污泥的活性可以恢复。