碳源对厌氧菌群产甲烷活性与电子传递途径的影响研究

摘要

污水厌氧生物处理技术具有适用范围广、运行成本低、抗冲击负荷能力强、能够产生大量CH4、H2等生物质能的优点，被广泛应用于处理各种有机废水。厌氧生物处理由发酵菌和产甲烷菌协同作用完成，产酸菌与产甲烷菌可通过间接电子转移(IHT或IFT)或直接种间电子转移(DIET)的方式产生甲烷，菌群间的种间电子过程是决定有机物降解和产甲烷能否高效进行的关键。碳源为参与电子传递的厌氧微生物提供能源和多种电子供体，是影响厌氧微生物产甲烷活性、菌群结构和代谢途径的重要因素。 基于新型厌氧电子传递机制，以互营产甲烷菌群为切入点，分别运行四套不同碳源的厌氧序批式反应器(ASBR)，结合宏基因组学探究了碳源分别为胰蛋白胨(ASBR-Try)、乙酸钠/丙酸钠(ASBR-VFA)、葡萄糖(ASBR-Glu)、乙醇(ASBR-Eth)时，对厌氧微生物的种群结构、代谢途径、产甲烷活性及胞外聚合物的影响，重点分析了碳源对厌氧微生物间电子传递机制的影响，以期为实际厌氧污水工艺提供理论指导和技术支持。 通过试验研究发现，当碳源为葡萄糖时，系统内丙酸产量较高，发酵类型多为丙酸型发酵，极易出现酸化现象，产甲烷菌受抑制，甲烷产量减少，产甲烷活性不高。当碳源为蛋白质和乙醇时，胞外聚合物中腐殖质含量较多，腐殖质可能作为电子中介体在细胞电子传递过程中起到了重要作用，提高了微生物的产甲烷活性。碳源为乙酸钠/丙酸钠时，核黄素主要存在于溶解性微生物产物（SMP）中，当碳源为乙醇时，核黄素主要集中在紧密结合型胞外聚合物（TB-EPS）中。核黄素可能参与了电子传递，且与细胞内膜联系更紧密的TB-EPS 中的核黄素更有利于促进产甲烷间的电子传递活性；从微生物菌属水平看，不同碳源驯化条件下的产甲烷菌差别很大。当碳源为蛋白胨和乙酸钠/丙酸钠时主要产甲烷菌为Methanosarcina，在古菌中相对丰度分别为88%和93%。当葡萄糖和乙醇为碳源时主要产甲烷菌为Methanosarcina和Methanobacterium，在古菌中的相对丰度分别为55%、58%、44%、41%。 宏基因组学结果显示，蛋白胨驯化出的Methanosarcina主要的产甲烷途径包括乙酸途径和氢营养型途径两种；碳源为乙酸钠/丙酸钠时驯化出的Methanosarcina产甲烷途径主要是乙酸营养型产甲烷途径；Methanosarcina 在碳源为葡萄糖的反应器中主要的产甲烷方式为乙酸营养型产甲烷途径；在乙醇反应器中Methanosarcina主要的产甲烷途径则是氢营养型产甲烷途径，并且在乙醇的刺激下，可驯化出导电菌属Geobacter。ASBR-Eth 中与导电菌毛pili和细胞色素C的相关基因分别有45%和15%来自于Geobacter，ASBR-Eth中与pili相关的基因还约有20%来自于Desulfovibrio。Geobacter可能利用菌毛将电子直接传递给了 Methanosarcina。推测 ASBR-Eth 降解乙醇为乙酸产甲烷的过程可能部分由DIET完成。

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