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.

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。

基于针铁矿强化乙酸产甲烷过程的ADM1模型修正与模拟研究

为探究针铁矿对乙酸产甲烷途径的调控作用,利用ADM1模型(厌氧消化1号模型)对添加针铁矿的产甲烷过程进行模拟研究.首先引入氧化还原介质作为新变量,模拟SAO (syntrophic acetate oxidation,互营乙酸氧化)过程中的种间电子转移,进而建立包含DIET (direct interspecies electron transfer,直接种间电子传递)产甲烷过程的ADM1修正模型,最后利用该模型对各产甲烷途径的贡献进行评价.结果表明:①c(乙酸)分别为12和20 mmol/L时,添加40~2 000 mg/L针铁矿明显提高了乙酸体系的产甲烷速率.②修正的ADM1模型能够有效地模拟针铁矿强化乙酸产甲烷过程.③12、20 mmol/L乙酸体系的敏感性参数km_Xst(最大比乙酸氧化速率)校准值分别从1.02、1.46升至1.76、2.03,km_DIET(最大比电子消耗速率)校准值分别从0.78、1.48升至2.44、3.99,表明添加针铁矿提高了互营体系的种间电子传递速率.修正的ADM1模型对各产甲烷途径贡献的计算结果显示,针铁矿对DIET过程的强化作用与其添加量呈正相关,添加2 000 mg/L针铁矿试验组〔c(乙酸)为12 mmol/L〕中DIET和SAO产甲烷的贡献率相比对照组分别提升了117.99%和130.73%.研究显示,修正的ADM1模型能够有效地模拟针铁矿对乙酸产甲烷过程的强化作用,并且能用于评价各产甲烷途径的贡献.

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。

不同抑制剂对乙酸降解产甲烷及产甲烷菌群结构的影响

【目的】研究不同温度条件下的石油烃降解产甲烷菌系中是否存在乙酸互营氧化产甲烷代谢途径。【方法】以3个不同温度条件的正十六烷烃降解产甲烷菌系Y15(15℃)、M82(35℃)和SK(55℃)作为接种物,通过乙酸喂养实验、并添加乙酸营养型产甲烷古菌的选择性抑制剂NH4Cl和CH3F,结合末端限制性片段长度多态性(terminal restriction fragment length polymorphism,T-RFLP)和克隆文库技术,分析乙酸产甲烷潜力及产甲烷古菌群落的演替趋势,推测产甲烷代谢途径的变化趋势。【结果】无论是否添加NH4Cl和CH3F,这3个菌系都可以利用乙酸生长并产生甲烷,但是添加NH4Cl和CH3F后产甲烷延滞期增加,最大比甲烷增长速率降低;只添加乙酸后,3个不同温度的菌系的古菌群落主要由乙酸营养型产甲烷古菌甲烷鬃毛菌属(Methanosaeta)组成,其丰度分别为92.8±1.4%、97.3±2.4%和82.8±9.0%;当添加选择性抑制剂NH4Cl,3个菌系中的Methanosaeta的丰度分别变为98.5±0.7%、87.4±4.8%和6.1±8.6%,中温菌系M82中氢营养型产甲烷古菌甲烷袋装菌属(Methanoculleus)的相对丰度增加到12.6±4.0%,高温菌系SK中另一类氢营养型产甲烷古菌甲烷热杆菌属(Methanothermobacter)增至84.3±1.5%;当添加选择性抑制剂CH3F,Methanosaeta丰度分别降至77.1±14.5%,86.4±6.1%和35.8±7.8%,低温菌系Y15中的甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)增高(15.7±21%),这类产甲烷古菌具有多种产甲烷代谢途径,M82中Methanoculleus丰度上升到13.6±13.1%,SK中Methanothermobacter丰度增大到48.5±11.2%。【结论】在低温条件下,菌系Y15可能主要通过乙酸裂解完成产甲烷代谢,在中高温条件下,菌系M82和SK中可能存在乙酸互营氧化产甲烷代谢途径,并且甲烷的产生分别通过不同种群的氢营养型产甲烷古菌来完成。

稳定同位素表征有机物甲烷化代谢动力学

有机物甲烷化可通过乙酸发酵型、氢营养型和甲基营养型3种途径进行,确定各个途径对甲烷生成的贡献率是其动力学研究的基本问题,稳定同位素示踪技术是研究生态体系甲烷主导生成途径的创新方法。本文综述了稳定同位素技术表征甲烷生成途径的方法进展及影响测试解析结果的因素。产甲烷过程中的稳定同位素分馏效应是影响测试结果解析的关键,甲烷菌类型、生长阶段、底物丰度、温度等是其主要影响因素;对典型产甲烷生态体系进行控制实验,积累分馏效应数据及联合应用微生态分子生物学表征方法,是提高稳定同位素技术对甲烷生成途径区分水平的可行方法。联合应用稳定同位素表征技术和微生态原位表征方法,对高浓度有机酸胁迫条件下的生物质类有机物厌氧发酵甲烷化途径的研究结果表明,面临高浓度有机酸迅速累积的环境,中温发酵条件下,优势菌种为甲烷八叠球菌,依时间次序,通过乙酸发酵和氢营养型途径利用累积的有机酸产生甲烷;而在高温条件下,有机酸则通过乙酸氧化和氢营养型甲烷化途径的串联反应被降解。运用稳定同位素表征技术揭示甲烷生成途径可为针对性的微生态调控提供依据。