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城市生活垃圾好氧堆肥实验及嗜热微生物群落研究

杨恋  
【摘要】: 好氧堆肥是依靠自然界广泛分布的细菌、真菌、放线菌等微生物,在分解有机质的过程中产生热量使得堆体温度升高,促进堆体中各类物质分解的过程,是自然界微生物降解过程的强化,微生物是堆肥处理系统中的主有功能生物,而堆肥的高温期更是堆肥过程中有机质等物质迅速降解的阶段,因此充分了解该阶段中有机质等的降解情况和微生物 变化情况以及两者之间的关系,能为改进堆肥处理工艺、提高堆肥处理效率提供理论依据。本实验采用传统的培养方法对高温期微生物群落进行计数,同时利用扩增链式反应-变性梯度凝胶电泳技术(PCR-DGGE)对微生物进行了研究。 本实验分别采用园林垃圾和餐厨垃圾作为堆肥原料,进行了20d好氧堆肥,堆体经历了中温阶段、高温阶段和降温阶段三个过程,堆体高温期(≥50℃)持续了10d和8d,堆肥后期pH值基本维持在7.5~8.0之间,保持了一个微碱性环境。堆肥前后整个过程中含水量减少率分别为38.5%和40.5%,有机质减少率分别为46.3%和44.6%,而高温期有机质减少率分别占总减少量占58.3%和48.0%,高温阶段堆肥有机质的降解力度较其他阶段要大。堆体最终C/N比均接近20,基本满足堆肥稳定时C/N比的变化要求,综合各个指标推断,两个堆体在对置20d的时候基本达到稳定。堆体中纤维素降解量分别达到45.0%和41.0%,半纤维素降解量分别达到33.9%和32.3%,而两堆体木质素降解量仅达到27.0%左右;两堆体高温期纤维素的降解量分别占到了总降解量的49..0%和48.0%,半纤维素的降解分别占总降解量的68.0%和54.0%,木质素的降解分别占总降解量的65.0%和52.0%,这些数据说明在堆肥过程中,纤维素和半纤维素降解幅度较大,木质素降解幅度较小,但总体来说高温期仍是纤维素、半纤维素和木质素高速降解的一个阶段。 使用传统的培养方法和PCR-DGGE技术对好氧堆肥高温期嗜热细菌、嗜热真菌和嗜热放线菌群落结构进行了研究。分别对两堆体高温期样品进行稀释平板混菌培养,细菌总数、真菌总数和放线菌总数分别呈“升高-降低”、“降低-升高”和“升高-降低-升高”的趋势,这与高温期有机质降解率呈“下降-上升-下降-上升”的变化规律有着密切的关系。同时提取高温期样品总DNA,分别使用细菌引物对(GC-341F/907R)、真菌引物对(GC-NS7/NS8)和放线菌引物对(F243/GC-R513)从总DNA中成功扩增得到目标产物,长度分别为630bp、340bp和270bp,再对目标产物进行DGGE分离。DGGE图谱显示,两堆体高温期嗜热细菌较真菌、放线菌种类要多,但优势菌种没有真菌明显;嗜热真菌优势菌明显,但整体菌群种类不多;嗜热放线菌优势菌不及同时期嗜热真菌明显,但菌群种类比嗜热细菌少、比嗜热真菌多,这与传统培养方法获得的结果一致。DGGE图谱聚类分析结果表明,堆肥高温期对于嗜热细菌也分成两个阶段,但是没有找到统一且确切的分段规律;而高温期嗜热真菌以升温时56℃为界,嗜热放线菌以58℃为界,分成两个变化阶段,每阶段内部聚类关系较近,阶段间关系较远;低于分界温度,部分菌种不能适应高温环境而逐渐消失,高于分界温度,能适应56℃或58℃以上温度环境的菌种迅速生长.温度对高温期各类嗜热微生物种群具有明显的筛选作用。 通过将DGGE图中条带切胶测序,获得与条带序列同源性序列,再建立系统发育树可知,得到的与芽孢杆菌属亲缘关系较近的嗜热细菌,与青霉菌、曲霉菌等有较近亲缘关系的嗜热真菌,与链酶菌和诺卡氏菌等有较近亲缘关系的嗜热放线菌,都是与降解纤维素、半纤维素和木质素有关的微生物,这些微生物是堆肥高温期有机质降解的主要作用微生物。


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