碱度对甲烷发酵系统主要功能菌群代谢的影响与机制

摘要

沼气发酵或厌氧消化可在处理废弃生物质和有机废水的同时，回收沼气、有机肥等能源和资源，得到了越来越广泛的应用。甲烷发酵是由多种在生理生态特性上存在显著差异的微生物类群共同参与下完成的，并受发酵系统控制条件的显著影响。碱度作为影响甲烷发酵过程的一个重要生态因子，可以平衡产酸发酵菌群和产甲烷菌群在酸碱环境需求上的差异，对维持系统的高效稳定运行具有重要意义。然而，在厌氧生物处理过程中，碱度对各类微生物类群代谢机制的研究还不够深入。本文以葡萄糖及其发酵中间产物丁酸、丙酸、乙酸和H2/CO2为底物，研究了碱度对产酸发酵、产氢产乙酸、同型产乙酸和产甲烷等主要功能菌群代谢特征的影响，探索了以碱度强化主要菌群功能作用的调控方法，以期为厌氧生物处理系统或甲烷发酵系统效能的提高和调控提供参考。
　　研究表明，尽管葡萄糖产酸发酵的优势微生物（Clostridium quinii等）没有明显变化，但碱度的变化可以导致产酸发酵类型的改变。在碱度为598.45~2111.41mg/L时，其发酵类型为丁酸型发酵；当碱度为4073.37~7026.35mg/L时，其发酵类型则表现为丙酸型发酵。碱度为3621.39~4860.95mg/L时，能够显著提高丙酸厌氧氧化速率和产甲烷速率，主要功能菌群为Syntrophobacter sulfatireducens等。丁酸甲烷发酵的适宜碱度为7030.15~9143.29mg/L，优势细菌为Clostridiumamygdalinum等，但在此条件下的乙酸转化会受到抑制，累计产甲烷量降低。乙酸的降解速率及其产甲烷量速率随碱度的升高而降低，Methanosarcinamazei是主要的乙酸营养型产甲烷，Methanobacterium formicicum是主要的氢营养型产甲烷菌。较低的气相H2含量和较高的系统碱度，有利于H2/CO2的甲烷转化，当H2含量较高时，则需要适当降低系统碱度以提高H2/CO2的甲烷转化率。对于H2/CO2的甲烷转化，主要功能细菌包括Clostridium propionicum和Clostridiabacterium等，主要的氢营养型产甲烷菌为M.formicicum。
　　欲维持甲烷发酵系统中产酸发酵和产甲烷代谢的平衡，将系统碱度调控为2111mg/L左右比较适宜。在该碱度条件下，产酸发酵为以丁酸和乙酸为主要液相末端产物的丁酸型发酵，且丁酸和乙酸的产甲烷速率最高。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及来源

1.2 甲烷发酵的过程与阶段性

1.3 甲烷发酵的主要菌群及生理生态关系

1.4 影响挥发酸甲烷发酵的环境因子

1.5 碱度对甲烷发酵系统的影响及调控作用

1.6 目的意义与主要研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 实验仪器设备及试剂

2.3 实验方法

2.4 样品采集与化学分析

2.5 微生物群落多样性分析

2.6 数据分析

第3章 碱度作用下葡萄糖及产酸发酵中间产物的甲烷发酵特征

3.1 引言

3.2 葡萄糖的甲烷发酵

3.3 丙酸转化与产甲烷特征

3.4 丁酸转化与产甲烷特征

3.5 乙酸的甲烷转化特征

3.6 同型产乙酸作用及产甲烷特征

本章小结

第4章 碱度作用下甲烷发酵系统的微生物群落解析

4.1 引言

4.2 葡萄糖甲烷发酵系统的微生物群落结构

4.3 丙酸甲烷发酵系统的微生物群落结构

4.4 丁酸甲烷发酵系统的微生物群落结构

4.5 乙酸甲烷发酵系统的微生物群落结构

4.6 氢气/二氧化碳甲烷发酵系统的微生物群落结构

4.7 甲烷发酵系统主要菌群功能的碱度调控策略分析

本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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