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餐厨垃圾厌氧发酵产甲烷过程微生物菌群变化特征

徐晨茗  
【摘要】:餐厨垃圾高效处置是有机固废资源化方向研究和应用的重要挑战。厌氧消化不仅可以对餐厨垃圾进行无害化处理,还可以生成甲烷实现废弃物资源化利用。但由于产甲烷过程微生物机制不清,导致厌氧消化存在运行不畅及产甲烷效率低等问题。表征餐厨垃圾厌氧消化产甲烷过程菌群结构和功能基因的变化,对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷过程的调控和高效产甲烷具有重要意义。本研究以餐厨垃圾为底物,以沼气池活性污泥为接种物,利用序批式反应器模拟厌氧发酵过程;通过对理化指标的监测并结合扫描电镜对反应前后底物形态的观察实现对反应过程的表征;进一步利用不同的分子生物技术(实时荧光定量PCR、实时反转录PCR和宏基因组技术)对不同发酵阶段的样品进行分析;在此基础上,进一步探究乙酸的添加对发酵的影响,重点考察乙酸的添加对产气量较小阶段(IIB)和产气量较大阶段(IIC)微生物的影响。主要结论如下:(1)餐厨垃圾单独发酵稳定性较差,但具有一定的自我恢复能力。通过扫描电镜观察,厌氧发酵后底物比表面积增大,促进微生物在其表面的附着。定量分析结果表明通过mcrA基因的表达量能对甲烷产量进行更为准确的描述。(2)宏基因组技术分析表明乙酸浓度不会影响发酵过程中菌群的种类,但会对各菌群的丰度分布造成较大影响。门水平下,变形菌门在IA(初始阶段)和IC(产气量较大阶段)样本中占比最大为26.2%和39.1%,IB(产气量较小阶段)中厚壁菌门占比最大为49.2%;属水平下古细菌在不同样本中占比最大的皆为甲烷鬃毛菌属,占比分别为55.9%、19.3%和21.5%。(3)糖酵解代谢的关键功能酶基因丰度为IB(12.7)IC(11.4)IA(10.3),表明产气量越大厌氧微生物对ATP的需求越高;乙酸型产甲烷途径的相关酶基因丰度远大于H2/CO2产甲烷途径的相关酶基因丰度,表明乙酸型产甲烷菌是主要贡献者;脂质代谢中,样本中缺乏EC:1.3.99.3这一关键酶基因,可能会导致后期反应失稳。硫代谢中,关键酶基因丰度最大阶段为IA(15.8),表明硫代谢越强,对产甲烷菌的表达量抑制越明显。(4)定量分析结果表明产甲烷菌的活性随着反应的进行逐渐增大,说明添加乙酸后反应处于一个缓慢但相对稳定的过程,且该浓度的乙酸对产甲烷菌的活性具有一定的促进作用。(5)高通量测序结果表明,添加乙酸后对不同发酵阶段古细菌群落的丰度产生了较大影响。IIB和IIC阶段古细菌优势种群分别为甲烷鬃毛菌属(74.0%、3.3%)和甲烷八叠球菌属(0.03%、48.0%),可以看出外加乙酸对乙酸型产甲烷菌的丰度影响十分显著,这可能是反应初期产气效率较低的原因。


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