硝酸盐/铁氧化物还原驱动的厌氧甲烷氧化过程及其功能微生物的研究

摘要

大气中甲烷浓度增长引起的温室效应是当前全球最重要的环境问题之一。微生物介导的厌氧甲烷氧化（anaerobicoxidationofmethane，AOM）过程作为水生系统中消耗甲烷的主要途径，对控制全球甲烷排放有着巨大贡献。作为自然环境中普遍存在的一类物质，硝酸盐和铁氧化物被发现可能广泛的参与到了厌氧甲烷氧化生物活动中。研究硝酸盐还原型厌氧甲烷氧化（nitrate-dependentAOM，N-AOM）过程和铁氧化物还原型厌氧甲烷氧化（iron-dependentAOM，Fe-AOM）过程，是探索全球甲烷汇中不可缺失的重要一环。在这两类厌氧甲烷氧化过程中，隶属于厌氧甲烷氧化古菌（anaerobicmethanotrophicarchaea，ANME）的ANME-2d古菌是最重要的一类功能微生物。ANME-2d古菌的代谢机制及其与共生微生物之间的相互作用是一类非常重要的科学问题；而ANME-2d古菌介导的厌氧甲烷氧化过程对环境影响因子的适应性和对厌氧废水中常见污染物的响应等则是一类非常重要的工程应用问题。然而，由于上述两个生物过程反应速度慢、功能微生物富集困难等原因，目前对它们的认识仍十分有限。　　本论文以ANME-2d古菌介导的N-AOM过程和Fe-AOM过程为主要研究对象，结合多种物理、化学和分子生物学等分析手段进行实验研究。本文的主要研究内容和目的包括：①在实验室条件下，以硝酸盐为电子受体，对N-AOM及Fe-AOM过程共同功能微生物ANME-2d古菌进行富集；并研究厌氧氨氧化（anaerobicammoniumoxidation，anammox）细菌对N-AOM生物过程的影响。②研究温度变化对N-AOM过程的影响，扩展对ANME-2d古菌的温度适应性的认识。③研究厌氧废水中常见污染物硫化氢及共存硝酸盐还原型硫氧化细菌（nitrate-reducingsulfideoxidizingbacteria，NR-SOB）对N-AOM和anammox共存体系的影响。④探索以不同类型的铁氧化物驱动厌氧甲烷氧化过程的可行性，并扩展对ANME-2d古菌代谢多样性的认识。　　通过以上几个方面的研究，得到如下结果：　　1）在以厌氧混合污泥为接种物、以甲烷作为唯一电子供体和保持厌氧环境的手段以及硝酸盐为唯一电子受体的强基质选择性的条件下，序批式反应器（sequencebatchreactor，SBR）中能富集到以ANME-2d古菌为主的混合微生物菌群，且该系统能够长期稳定运行。在亚硝酸盐基质受限的条件下，引入anammox细菌不能帮助提高系统的总氮去除速率，ANME-2d古菌介导的硝酸盐还原生成亚硝酸盐为N-AOM过程的限制性步骤。　　2）控制性变温（30-20℃）短期内会对ANME-2d古菌的活性产生抑制，但该抑制随着ANME-2d古菌对温度变化的适应而逐渐缓解。ANME-2d古菌在30℃和20℃两个温度下，表现出了近似的氮降解速率，暗示了ANME-2d古菌在20-30℃温度区间具有可能稳定的生物活性，扩展了当前实验室培养ANME-2d古菌的主流温度区间（30–35℃）。不控温条件（13–38℃）会对ANME-2d古菌的活性产生强烈的抑制效果，且该抑制经过长期培养仍难以恢复。结合生境调查结果，推测ANME-2d古菌可能是一类兼性嗜冷微生物。而ANME-2d古菌在20℃的恒定温度条件下具有的稳定氮去除速率，揭示了未来应用N-AOM工艺于中温环境下的厌氧废水处理的可能性。　　3）在研究硫化氢对N-AOM和anammox耦合体系的影响中发现，硫化氢的存在一方面会对该耦合体系存在抑制作用，该抑制效果随硫化氢浓度的升高而增强；但另一方面通过刺激NR-SOB细菌的生长，提高了系统的硝酸盐去除总量。NR-SOB过程的存在，既解毒了硫化氢对ANME-2d古菌的活性抑制，也提高了系统的硝酸盐氮去除总量和去除速率。在anammox过程受到抑制的情况下，NR-SOB细菌会取代anammox细菌，成为ANME-2d古菌的共生微生物，完成对亚硝酸盐的去除。　　4）不同类型铁氧化物为电子受体均能驱动厌氧甲烷氧化过程的发生，但不同Fe-AOM过程中微生物代谢途径存在差异。非晶型铁氧化物驱动的厌氧甲烷氧化过程，功能微生物为ANME-2d古菌和铁还原菌。（弱）晶型铁氧化物驱动的厌氧甲烷氧化过程，除上述功能微生物之外，还存在铁氧化菌等共生微生物。这些共生微生物作用下，Fe(Ⅱ)被重新氧化生成Fe(Ⅲ)，使得体系内发生了一类特殊的“铁循环”过程。其次，非晶型铁氧化物的生物可利用性可能高于（弱）晶型铁氧化物。最后，过量的铁氧化物可能会抑制ANME-2d古菌的生物活性。　　通过本文的研究工作，扩展了对ANME-2d古菌介导的厌氧甲烷氧化过程已有的认知，丰富了ANME-2d古菌利用不同电子受体完成厌氧甲烷氧化过程的代谢多样性。研究结论既有助于完善ANME-2d古菌和其共生微生物作用下的全球甲烷汇过程的知识体系，也为未来在废水处理工程中厌氧甲烷氧化生物过程的应用提供理论依据和科学指导。

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