NH4+-N对填埋场覆盖土层CH4氧化特性的影响机制

摘要

针对CH4氧化活性的影响因素—NH4+-N（既可以作为甲烷氧化菌的氮源，促进甲烷氧化菌的生长和活性表达，又能与CH4竞争甲烷单加氧酶(methanemonooxygenase，MMO)的活性位点，抑制甲烷氧化菌的活性）的问题，本文采用甲烷氧化菌（Methylosinus sporium）和垃圾生物覆盖土(waste bio-cover soil，WBS)为材料，研究了NH4+-N对甲烷氧化菌活性和种群结构的影响，探究了CH4氧化过程中碳、氮的归趋，并综合分析了NH4+-N浓度对体系温室效应潜能（global warmming potential，GWP）变化的影响。得到如下结果:
　　(1) Methylosinus sporium能够氧化NH4+-N，生成NO3--N和NO2-N;由于NH4+-N的氧化，培养液的pH值出现了显著下降，且甲烷氧化菌生长量越大，pH值下降幅度也越大。
　　(2)在氮浓度相同的条件下(0.14gl-1)，与NO3--N相比，NH4+-N作为氮源有利于Methylosinus sporium的生长;高浓度NH4+-N(0.25-0.5 g l-1)会抑制Methylosinus sporium的CH4氧化活性，这种抑制作用随着NH4+-N的转化会得到缓解;低浓度NH4+-N能够促进甲烷氧化菌分泌胞外多聚物(extr acelluar po lymericsubstances，EPS)。
　　(3) NH4+-N对WBSCH4氧化活性的促进/抑制作用受到NH4+N浓度的影响。100-300mgkg-1NH4+-N的添加促进了WBS CH4氧化活性;而当NH4+-N的添加量为600-1200mgkg-1时，则对WBS CH4氧化活性具有抑制作用。实验组CH4氧化活性都出现了先升高后迅速下降并维持在低水平的状态，这可能与体系后期氮元素缺乏或EPS的分泌有关。
　　(4)300-1200mgkg-1NH4+-N的添加显著地提高了WBS中N2O的排放量，且N2O的排放量随着NH4+-N浓度增大而增大。实验前后主要温室气体(CH4、CO2和N2O)GWP分析表明300-600mgkg-1NH4+-N的添加可以削弱WBS氧化CH4过程中排放气体的GWP，而较低(100 mgkg-1)或较高（1200mgkg-1）浓度NH4+-N的添加将增强WBSCH4氧化过程中排放气体的GWP。这表明实际在工程中利用NH4+-N来提高CH4氧化活性的同时，应考虑体系中硝化、反硝化反应和N2O的产生量，选择适当的参数，以削弱体系温室气体排放的GWP。
　　(5)Ⅰ型甲烷氧化菌Methylocaldum、Methylococcaceae和Methylobacter以及Ⅱ型甲烷氧化菌Methylocystis和/或Methylosinus是WBS中的优势甲烷氧化菌。NH4+-N的添加有利于Methylobacter成为优势甲烷氧化菌，而氮缺乏的环境有助于Ⅱ型甲烷氧化菌Methylosinus成为优势甲烷氧化菌。NH4+-N、C/N值、NO3--N、总氮（total nitrogen，TN）、胞外多糖（extracellular polysaccharide，ECPS）、总有机碳（total organic carbon，TOC）和胞外蛋白（extracellular protein，ECP）的含量都会影响WBS中甲烷氧化菌的种群结构，其影响大小依次为:NH4+-N＞C/N＞NO3--N＞TN＞ECPS＞TOC＞ECP，其中NH4+-N和C/N值对甲烷氧化菌种群结构的变化有显著性影响（p=0.024和0.032）。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 填埋场CH4的排放

1．2 覆盖土层CH4氧化作用

1．3 NH4+-N对CH4氧化的影响

1．3．1 NH4+-N对CH4氧化的影响

1．3．2 NH4+-N对CH4氧化的影响机理

1．4 NH4+-N对甲烷氧化菌种群结构的影响

1．4．1 好氧甲烷氧化菌

1．4．2 甲烷氧化菌的硝化和反硝化作用

1．4．3 NH4+-N对甲烷氧化菌种群结构的影响

1．5 研究目的及意义

2 NH4+-N对Methylosinus sporium的生长及其CH4氧化性能的影响

2．1 材料和方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 甲烷氧化菌培养基

2．1．3 甲烷氧化菌的培养和OD600测定

2．1．4 细菌EPS的提取方法

2．1．5 气体浓度测定

2．1．6 含氮化合物和pH值测定

2．1．7 数据分析

2．2 结果和讨论

2．2．1 甲烷氧化菌的生长曲线

2．2．2 CH4氧化活性

2．2．3 含氮化合物浓度的变化

2．2．4 EPS分泌量的变化

2．2．5 pH值变化

2．2．6 CH4和NH3氧化过程的电子转移

2．3 小结

3 NH4+-N对WBS中CH4氧化过程中温室气体排放的影响

3．1 材料和方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验微生态环境

3．1．3 土壤样品分析方法

3．1．4 EPS的提取与测定

3．1．5 CH4氧化活性测定

3．2 结果与讨论

3．2．1 CH4氧化活性的变化

3．2．2 CH4氧化过程中主要气体的产生／消耗速率

3．2．3 含氮化合物和TOC含量的变化

3．2．4 EPS含量的变化

3．2．5 碳元素平衡分析

3．2．6 氮元素平衡分析

3．2．7 GWP的变化

3．3 小结

4 NH4+-N对WBS中甲烷氧化菌种群结构的影响

4．1 材料与方法

4．1．1 土壤DNA提取和q-PCR实验

4．1．2 T-RFLP分析

4．1．3 克隆文库和系统发育树构建

4．2 结果与讨论

4．2．1 甲烷氧化菌的种群结构

4．2．2 NH4+-N添加对甲烷氧化菌丰度的影响

4．2．3 NH4+-N添加对甲烷氧化菌多样性的影响

4．2．4 环境因子对甲烷氧化菌种群结构的影响

4．3 小结

5．结论与展望

5．1 主要结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

攻读硕士期间研究成果与个人荣誉