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《江南大学》 2010年
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污泥厌氧消化过程中乙酸累积的微生态机理研究

许科伟  
【摘要】: 污泥厌氧消化过程中会产生许多中间产物,主要是短链有机酸类。其中,乙酸是主要的中间产物之一,也是有机化工行业的重要生产原料。通过厌氧消化,将污泥的有机成分尽可能多地转化成乙酸,再通过耦合系统转化为高附加值生物化学品,不仅可使污泥获得稳定化、无害化处理,而且也可使其中的有机成分得到更好的利用,这是实现资源化再利用的一条新途径。近年来,混合培养生物技术已经成为一个非常有前景的发展方向。与传统纯培养方法通过筛选高效微生物或基因改造的思路不同,混合培养生物技术运用的是生态学的观点,通过选择压力对微生物菌群进行调控。在产酸反应器中,为了取得最佳的产酸效果,产甲烷抑制剂就是一种常用的选择压力。它可以在不影响产酸微生物的同时,使短链有机酸等中间代谢产物不被产甲烷菌消耗。 本论文以市政污泥为模式底物,利用环境微生物分子生态学技术,在种群和群落水平上研究了产甲烷抑制状态下污泥厌氧消化过程中碳流方向、确定了菌群结构与乙酸累积之间的关系、阐明了各菌群对乙酸累积的贡献、回答了乙酸的累积是如何通过菌群竞争机制来控制等问题,为污泥厌氧消化制备乙酸奠定了理论基础。主要的研究结果如下: 1.建立了同型乙酸菌免培养的快速定量方法 已报道的同型乙酸菌的引物特异性不高,经克隆文库后发现,大约有55%的克隆并非来自真正的同型乙酸菌,而归属于硫酸盐还原菌等非同型乙酸菌。根据FTHFS基因数据库重新设计的引物,经过纯菌验证,克隆文库,溶解度曲线等评价后证实其特异性能够满足定量同型乙酸菌的特异性要求。该方法的检测限为500拷贝/反应,相当于104个拷贝/g干重。对实际环境样品定量后发现,同型乙酸菌在自然界的数量为105-107个/g干重,占总细菌数量的0.6%-0.9%,表明同型乙酸菌在厌氧生境中的丰度不高。 2.产甲烷抑制剂对污泥厌氧发酵各阶段的毒性研究 对两种经典的产甲烷抑制剂BES和氯仿作用于污泥厌氧发酵不同阶段(发酵产酸,产氢产乙酸,食氢产甲烷和食乙酸产甲烷)的抑制浓度范围和抑制机理进行了较为细致的评估后发现:食氢产甲烷反应的毒性阈值较高,BES和CHCl_3针对其的半抑制浓度(IC50)分别为8.7 mM和0.009%,而食乙酸产甲烷的IC50分别为5.8 mM和0.006%。BES和CHCl_3对产酸发酵和产氢产乙酸过程的抑制也机理不同。以葡萄糖和VFA作为底物时,氯仿处理污泥的产酸效率和产氢产乙酸活性均有明显下降,而BES处理组则仅在高浓度时呈现出轻微的热力学抑制。兼顾抑制产甲烷效果和产酸效率,最适产甲烷抑制剂浓度分别为50 mM BES和0.05% CHCl_3。 3.产甲烷抑制剂对乙酸消耗微生物群落的实际效果 T-RFLP和Real-time PCR的结果显示,BES和CHCl_3不仅抑制了系统的产甲烷活性,而且对产甲烷种群的数量和多样性都有影响。食乙酸产甲烷菌Methanosaetaceae的敏感程度比食氢产甲烷菌Methanobacteriales和Methanomicrobiales高得多。在产甲烷抑制状态下,其部分生态位逐渐被食氢产甲烷菌所占据。由此推断,在较低的抑制浓度下,尽管食乙酸产甲烷过程被抑制,乙酸也并不一定会积累。乙酸可能通过乙酸氧化途径首先分解为H_2和CO_2,随后再由食氢产甲烷菌转化成甲烷。 4.产甲烷抑制状态下发酵产酸菌群的演替特征 细菌群落指纹的多元统计分析结果显示,产甲烷抑制剂不仅影响产甲烷菌群落,还直接或间接地影响了发酵产酸菌群。在氯仿抑制实验中,低G+C含量的革兰氏阳性菌(Clostridiales),高G+C含量的放线菌(Actinomycetes)以及绿色非硫细菌(Chloroflex)变为优势种群。在BES抑制实验中,耗氢细菌Moorella sp.和Geobacter hydrogenophilus推动了群落的演替。由于高浓度的非离解性有机酸存在,革兰氏阴性菌Bacteroidetes和Synergistes在两种抑制模型下的丰度都显著降低。值得注意的是,仍有超过一半的水解发酵细菌对甲烷抑制剂并不敏感,它们与环境变量的相关系数t值均小于0.15。 5.二次发酵产乙酸细菌在产甲烷抑制状态下的响应机制 氯仿不仅抑制产甲烷菌,对同型乙酸菌也有强烈的抑制作用。培养终了,同型乙酸菌数量从1.0×10~8 mL~(-1)减少至3.0×10~6 mL~(-1),下降了将近30倍。而在BES抑制模型中,适宜的热力学状态(ΔG 20至-24 kJ mol)和fhs基因拷贝数的上升(1.5倍, P = 0.02)均显示,同型产乙酸途径在产甲烷抑制状态下对乙酸的累积起着非常重要的作用。产氢产乙酸过程方面,两个抑制组中产氢产乙酸菌数量均有不同程度的下降。氯仿培养物中,丙酸降解菌(SPOB)和丁酸降解菌(SPOB)细胞数比未抑制对照中分别低了13.3和7.9倍(P 0.001)。而BES处理样品的SPOB和SBOB的数量仅有轻微减少(分别下降1.5和2.0倍, P = 0.02),同时ΔG也接近于热力学平衡状态(ΔG≈0 kJ/mol)。 6.产甲烷抑制状态下有机碳流和碳平衡分析 通过稳定性同位素和放射性同位素进行碳流分析后发现,未抑制污泥发酵样品的表观分馏因子αapp在1.00-1.01之间,表明乙酸发酵是污泥产甲烷的主要途径。而当加入较低浓度产甲烷抑制剂后,α_(app)增加到1.03-1.04之间,产甲烷途径开始向H_2/CO_2还原过渡。碳平衡分析和[U-~(14)C]葡萄糖降解实验证明,同型乙酸菌和产氢产乙酸菌在产甲烷抑制状态下可以通过种间氢转移重新建立互营共生关系。对[2-~(14)C]乙酸降解过程进行的碳流分析则发现,在H_2分压较低的情况下,乙酸氧化菌对乙酸的消耗作用明显。
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:X703

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1 王晋;厌氧发酵产酸微生物种群生态及互营关系研究[D];江南大学;2013年
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1 张彤,方汉平;微生物分子生态技术:16S rRNA/DNA方法[J];微生物学通报;2003年02期
2 李艳娜;许科伟;堵国成;陈坚;刘和;;厌氧生境体系中产氢产乙酸细菌的FISH定量解析[J];微生物学报;2007年06期
3 郭蔚;刘成;邹少兰;张敏华;;同型乙酸菌研究进展及应用前景[J];应用与环境生物学报;2006年06期
4 孙寓姣;左剑恶;李建平;鲁颐琼;;厌氧颗粒污泥中微生物种群变化的分子生物学解析[J];中国环境科学;2006年02期
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1 赵阳国;生态因子对硫酸盐还原系统中微生物群落动态影响的表征[D];哈尔滨工业大学;2006年
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3 聂艳秋;废水产氢产酸/同型产乙酸耦合系统厌氧发酵产酸工艺及条件优化[D];江南大学;2007年
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1 钱光毅;;城市污泥的一种全新处理方式[J];四川建筑科学研究;2009年04期
2 卢年春;李萍;凌云;赖发英;;城市污泥综合利用研究[J];安徽农业科学;2005年11期
3 储金宇;俞杰翔;张波;花银群;姚继承;;镇江市污泥特性分析[J];安徽农业科学;2008年04期
4 郭小品;毕东苏;;剩余污泥厌氧消化过程中的物质转化及其资源化研究进展[J];安徽农业科学;2010年20期
5 甘艳露;周婵;夏黎;刘洁;;水稻残体厌氧分解过程中间产物脂肪酸的微生物互养氧化降解机理研究进展[J];安徽农业科学;2010年22期
6 王月香;陈茂林;;污泥处理处置的研究进展[J];安徽农业科学;2011年17期
7 王月香;廖瑛;丁建文;;基于含水率的固化污泥基质体中固化反应的分析[J];安徽农业科学;2012年21期
8 邓墨渊;王伯初;杨再昌;王黎;;分子生物学技术在植物内生菌分类鉴定中的应用[J];氨基酸和生物资源;2006年03期
9 王志;许樱;陈雄;王金华;李冬生;;乙二酸盐对有机污水厌氧发酵产沼气的影响[J];现代农业科技;2009年10期
10 王志;许樱;陈雄;廖文谈;王金华;李冬生;;α-酮戊二酸盐对酿醋废水厌氧发酵产沼气的影响[J];现代农业科技;2009年15期
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1 汪茜;柳海波;杨煊;戢伟;王晓星;;污泥干燥处理技术的现状和研究进展[A];2011中国环境科学学会学术年会论文集(第二卷)[C];2011年
2 谢佳;徐惠风;;污泥堆肥化技术研究进展[A];2011新型肥料研发与新工艺、新设备研究应用研讨会论文集[C];2011年
3 张全国;李刚;荆艳艳;;生物制氢技术现状及其研究进展[A];第十届中国科协年会论文集(三)[C];2008年
4 钱晓倩;甘海军;;城市污泥在水泥生产中的资源化利用[A];固体废弃物在城镇房屋建筑材料的应用研究——中国硅酸盐学会房建材料分会2006年学术年会论文集[C];2006年
5 王辉霞;孙英杰;李捷;;泥炭、粉煤灰在污泥堆肥中应用初探[A];第七届全国绿色环保肥料(农药)新技术、新产品交流会论文集[C];2008年
6 刘娜;梁延华;张双利;;天津城市污泥的研究及处置方向[A];中国环境科学学会2006年学术年会优秀论文集(上卷)[C];2006年
7 华玉妹;陈英旭;田光明;吴伟祥;;小分子有机物对污泥中重金属生物沥滤的影响[A];中国环境科学学会2006年学术年会优秀论文集(下卷)[C];2006年
8 赵海涛;庄明明;徐轶群;王小治;单玉华;柏彦超;封克;;生活污泥经蚯蚓生物处理床消解后的性质变化特征研究[A];2010中国环境科学学会学术年会论文集(第四卷)[C];2010年
9 杨岳;李常青;江岩;刘发强;刘光利;;含油污泥资源化处理技术研究[A];中国化工学会2008年石油化工学术年会暨北京化工研究院建院50周年学术报告会论文集[C];2008年
10 尹成日;吴学;高在元;;Inhibitory Effect of Chlorinated Guaiacols on Acetate-utilizing Methanogens in Anaerobic Digester Sludge[A];第三届全国环境化学学术大会论文集[C];2005年
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1 熊思江;污泥热解制取富氢燃气实验及机理研究[D];华中科技大学;2010年
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5 王凯鹏;电子中介体固定化及其在微生物燃料电池阳极的应用[D];武汉大学;2010年
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1 郭艳萍;抑黄曲霉乳酸菌的筛选及菌种鉴定[D];安徽农业大学;2010年
2 王方;硫酸盐还原菌对酸性废水中重金属的生物沉淀作用研究[D];中国海洋大学;2010年
3 陈春涛;2009年夏秋季辽河口芦苇湿地沉积物硝化作用及影响因素研究[D];中国海洋大学;2010年
4 陈威;富营养化水体不同水华阶段细菌群落结构的变化[D];河南师范大学;2010年
5 张明辉;蓝藻发酵联产氢气和甲烷的机理研究[D];浙江大学;2011年
6 王静;改性污泥作填埋场封场覆盖材料的实验及评价研究[D];武汉工业学院;2010年
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8 韩绪军;HCV核酸检测方法建立及药物靶点变异分析[D];昆明理工大学;2009年
9 韩锋;两相厌氧工艺处理赖氨酸废水的研究[D];江南大学;2010年
10 王涛;啤酒废水深度处理关健技术开发[D];江南大学;2010年
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1 甘艳露;周婵;夏黎;刘洁;;水稻残体厌氧分解过程中间产物脂肪酸的微生物互养氧化降解机理研究进展[J];安徽农业科学;2010年22期
2 公维佳;李文哲;刘建禹;;厌氧消化中的产甲烷菌研究进展[J];东北农业大学学报;2006年06期
3 祖波;祖建;周富春;汪林;;产甲烷菌的生理生化特性[J];环境科学与技术;2008年03期
4 林代炎;林新坚;杨菁;叶美锋;;产甲烷菌在厌氧消化中的应用研究进展[J];福建农业学报;2008年01期
5 周雪飞,张亚雷,顾国维;厌氧消化1号模型(ADM1)简介[J];中国给水排水;2003年02期
6 周雪飞,张亚雷,顾国维;厌氧消化模型对生化反应抑制形式的模拟[J];中国给水排水;2004年06期
7 郭亚萍;顾国维;;ASM2d在污水处理中的研究与应用[J];中国给水排水;2006年06期
8 苑宏英;员建;徐娟;池勇志;赵连梅;田素凤;;碱性pH条件下增强剩余污泥厌氧产酸的研究[J];中国给水排水;2008年09期
9 刘君寒;胡光荣;李福利;李力;;厌氧消化系统微生物菌群的研究进展[J];工业水处理;2011年10期
10 施悦;任南琪;刘春爽;章育铭;陈兆波;;不同种泥对两相厌氧工艺快速启动的影响[J];哈尔滨工业大学学报;2007年08期
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1 赵阳国;生态因子对硫酸盐还原系统中微生物群落动态影响的表征[D];哈尔滨工业大学;2006年
2 刘晓玲;城市污泥厌氧发酵产酸条件优化及其机理研究[D];江南大学;2008年
3 聂艳秋;废水产氢产酸/同型产乙酸耦合系统厌氧发酵产酸工艺及条件优化[D];江南大学;2007年
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1 韩薇;基于超轻污泥陶粒的厌氧生物滤池在废水处理方面的应用[D];山东大学;2014年
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1 王忠伟,孙高峰;我国市政污泥环境管理初探[J];环境科学与管理;2005年04期
2 ;《城市环境与城市生态》第16卷总目次(2003年)[J];城市环境与城市生态;2003年06期
3 李敏,郭静罗,王景;化学前处理——改善城市污水污泥厌氧消化处理的有效途径[J];城市环境与城市生态;1997年04期
4 赵丹,任南琪,王爱杰;pH、ORP制约的产酸相发酵类型及顶级群落[J];重庆环境科学;2003年02期
5 张雪萍,张毅,侯威岭,殷秀琴;小兴安岭针叶凋落物的分解与土壤动物的作用[J];地理科学;2000年06期
6 杨小文,杜英豪;污泥处理与资源化利用方案选择[J];中国给水排水;2002年04期
7 王治军,王伟;污泥热水解过程中固体有机物的变化规律[J];中国给水排水;2004年07期
8 崔高峰;COD/SO_4~(2-)比值对硫酸盐去除率影响的研究[J];工业水处理;2000年02期
9 吴满昌,孙可伟,李如燕,孙艳,张海东;不同反应温度的城市生活垃圾厌氧发酵研究[J];化学与生物工程;2005年09期
10 华佳;陈玉辉;李亚东;汪常青;;制备剩余污泥水解蛋白质实验条件的初步研究[J];湖北大学学报(自然科学版);2006年01期
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1 邢德峰;产氢—产乙醇细菌群落结构与功能研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
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3 杨茂;程水源;;序批式生物反应器填埋场特性的研究[J];贵州环保科技;2006年02期
4 祖波;祖建;周富春;汪林;;产甲烷菌的生理生化特性[J];环境科学与技术;2008年03期
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7 刘德燕;丁维新;;天然湿地土壤产甲烷菌及其影响因子研究进展[J];地理科学;2011年02期
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9 张录;徐洁泉;吴衍庸;;沼气两步发酵工艺微生物生态学的研究[J];中国沼气;1989年01期
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2 崔中利;王英;滕齐辉;张斌;曹慧;;淹水和旱作稻田土壤中产甲烷菌的多样性分异[A];第四次全国土壤生物和生物化学学术研讨会论文集[C];2007年
3 刘开朗;王加启;卜登攀;李旦;赵圣国;于萍;;瘤胃甲烷调控方法评述[A];中国奶业协会年会论文集2009(上册)[C];2009年
4 何健;汪婷;梅琴;李顺鹏;;牛粪沼气发酵过程中产甲烷菌群落结构的RFLP分析[A];沼气产业化发展研讨会论文选编[C];2005年
5 刘园园;王士长;;PCR-DGGE技术在水牛瘤胃产甲烷古菌多样性探索中的应用[A];第四届第十次全国学术研讨会暨动物微生态企业发展战略论坛论文集(下册)[C];2010年
6 汪婷;何健;赵子如;李顺鹏;;牛粪沼气发酵过程中物质转化、微生物生理群变化及产甲烷菌多样性研究[A];沼气产业化发展研讨会论文选编[C];2005年
7 邓晓;李勤奋;;稻鸭复合生态种养对产甲烷菌种群数量的影响[A];中国环境保护优秀论文集(2005)(下册)[C];2005年
8 田建卿;田建卿;王艳芬;东秀珠;吴宁;陈槐;;高原湿地甲烷产生的生物学机制及其分子生态学研究[A];中国青藏高原研究会2006学术年会论文摘要汇编[C];2006年
9 左剑恶;邢薇;孙寓姣;;利用分子生物技术对厌氧颗粒污泥中微生物种群结构的研究[A];中国农村能源行业协会第四届全国会员代表大会新农村、新能源、新产业论坛生物质开发与利用青年学术研讨会论文集[C];2006年
10 王存良;;沼气池快速启动方法探讨[A];可再生能源开发利用研讨会论文集[C];2008年
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1 况叶;日本期待收获巨量天然气[N];地质勘查导报;2010年
2 记者 郑晓春;以开发出有机废料处理技术[N];科技日报;2010年
3 记者 邵丽华;生物工程能治造纸黑液[N];中国环境报;2000年
4 杨泽霖 方炎;畜禽粪便处理方法[N];中国畜牧报;2002年
5 省农村能源办;沼气发酵的起动[N];湖南科技报;2001年
6 大荔县农技中心 韩薇 薛亚萍;人工制取沼气的条件[N];陕西科技报;2004年
7 记者 崔志坚;我纸浆黑液处理获重大突破[N];光明日报;2000年
8 程岩;利用生物治理造纸黑液技术取得突破[N];中国乡镇企业报;2000年
9 记者 吴梅兰;为草浆造纸业提供可持续发展之路[N];中国包装报;2000年
10 科宣;小小沼气“点”亮群众新生活[N];西藏日报;2008年
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1 郭嫣秋;瘤胃产甲烷菌定量检测与微生物菌群调控研究[D];浙江大学;2008年
2 裴彩霞;晋南牛和山羊瘤胃产甲烷菌多样性研究[D];南京农业大学;2008年
3 陈璟;基于代谢网络的产甲烷菌的耐热性研究[D];江南大学;2013年
4 成艳芬;厌氧真菌与产甲烷菌共培养系统的建立及其代谢与菌群变化的研究[D];南京农业大学;2008年
5 王新峰;绞股蓝皂甙对山羊瘤胃菌群及微生物发酵特性和甲烷产量的影响[D];南京农业大学;2009年
6 肖栋;水和乳化液对煤层产甲烷菌群活性影响研究[D];中国矿业大学;2010年
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8 Mbadinga Serge Maurice;高温油藏微生物群落结构及石油烃厌氧降解产甲烷体系构建研究[D];华东理工大学;2012年
9 刘鹏飞;甲烷胞菌对低氢和互营生长在转录水平的响应[D];中国农业大学;2014年
10 许科伟;污泥厌氧消化过程中乙酸累积的微生态机理研究[D];江南大学;2010年
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1 杨翠凤;猪后肠产甲烷菌群多样性及其与乙酸生成关系的研究[D];南京农业大学;2010年
2 牛爱华;低温沼气菌粉制备工艺的研究[D];内蒙古农业大学;2013年
3 张雅南;耐冷产甲烷菌的筛选及其低温下促进秸秆发酵的试验研究[D];沈阳建筑大学;2012年
4 王钦庆;造纸白泥强化生物质废物产甲烷研究[D];齐鲁工业大学;2014年
5 吕映辉;提高产甲烷菌活性的应用研究[D];山东轻工业学院;2007年
6 麻婷婷;乙酸和硫酸盐对石油烃降解产甲烷过程影响的研究[D];中国农业科学院;2014年
7 刘佳苗;引种江南桤木对崇西湿地芦苇群落土壤中产甲烷菌及甲烷氧化菌群落的影响[D];上海大学;2013年
8 朱琼琼;厌氧产甲烷反应器出水的分子光谱表征[D];安徽建筑大学;2014年
9 薛竣;不同铁源强化蓝藻产甲烷过程的研究[D];合肥工业大学;2014年
10 时昌波;铁氧化物强化纤维素类生物质产甲烷研究[D];合肥工业大学;2014年
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