原核微生物菌群的空间分异增强秸秆-猪粪混合发酵效率

秸秆与禽畜粪便混合发酵既可增强反应器稳定性又能提高发酵产气效率。然而关于秸秆附着菌群、发酵液菌群的时空动态变化,以及它们与产气效率、环境变量的关系仍然未被全部揭示。采用16S rRNA基因扩增子高通量测序技术,对这一问题进行了研究。结果显示,秸秆猪粪混合发酵能够改善沼气发酵的效率。原核微生物群落在空间上的差异分布可能有助于提升系统的效率。在产气高效的系统中,秸秆吸附菌群如Treponema、Clostridium Ⅲ、Alkaliflexus 和 Fibrobacter是主要的纤维素降解菌,提供底物给产酸菌。丙酸是发酵液中含量最丰富的挥发性脂肪酸（VFAs）,Pelotomaculum可能是该系统主要的丙酸氧化菌,它们与Methanoculleus、Methanosarcina和Methanosaeta协同作用通过二氧化碳/氢营养型和乙酸营养型产甲烷途径,将包括丙酸在内的VFAs最终转化成甲烷。参与氨基酸代谢的Aminobacterium和Cloacibacillus广泛分布于发酵液中,表明蛋白质是一种重要的发酵底物,说明VFAs尤其是丙酸和氨基酸的互营代谢可能是秸秆猪粪混合发酵系统的重要过程。这些结果表明,功能菌群的空间分化、稳定的秸秆降解菌群和发酵液菌群的弹性变化有助于维持秸秆猪粪混合发酵系统的稳定性和提高发酵效率。     

猪粪原料沼气工程系统中的原核微生物群落结构

采集了中国不同地区的13个猪粪原料沼气工程系统的沼液,利用16S rRNA基因扩增子高通量测序技术研究了原核微生物群落组成及多样性。结果表明,Firmicutes是猪粪原料沼气工程系统中的主导微生物,其次为Bacteroidetes、Proteobacteria和Chloroflexi。在相似的温度条件下,铵态氮与磷酸盐的比例是影响猪粪原料沼气工程系统原核微生物群落结构及多样性的主要因素。较高的铵磷比会富集Firmicutes门的菌群,尤其是Clostridium sensu stricto属;而较低的铵磷比则有利于Bacteroidetes和Proteobacteria。不同营养类型产甲烷菌对高浓度铵态氮耐受程度不同（氢营养型产甲烷菌 >Methanosarcina >Methanosaeta）,影响着产甲烷菌群落组成。产甲烷菌和互营菌的群落组成是影响沼气发酵产气效率的重要生物因素,高比例的氢型产甲烷菌和丙酸互营菌更有利于提高产甲烷效率。     

猪粪原料沼气工程系统中的原核微生物群落结构

采集了中国不同地区的13个猪粪原料沼气工程系统的沼液,利用16S rRNA基因扩增子高通量测序技术研究了原核微生物群落组成及多样性。结果表明,Firmicutes是猪粪原料沼气工程系统中的主导微生物,其次为Bacteroidetes、Proteobacteria和Chloroflexi。在相似的温度条件下,铵态氮与磷酸盐的比例是影响猪粪原料沼气工程系统原核微生物群落结构及多样性的主要因素。较高的铵磷比会富集Firmicutes门的菌群,尤其是Clostridium sensu stricto属;而较低的铵磷比则有利于Bacteroidetes和Proteobacteria。不同营养类型产甲烷菌对高浓度铵态氮耐受程度不同(氢营养型产甲烷菌MethanosarcinaMethanosaeta),影响着产甲烷菌群落组成。产甲烷菌和互营菌的群落组成是影响沼气发酵产气效率的重要生物因素,高比例的氢型产甲烷菌和丙酸互营菌更有利于提高产甲烷效率。     

沼气发酵过程研究进展

综述了沼气发酵菌群、工艺控制和处理系统方面的研究进展,指出对发酵机理缺乏了解是导致过程不稳和效率不高的主要原因,提出将来的研究重点应通过元基因组手段解析菌群相互作用和代谢网络,建立基于反应器操作、VFAs代谢、活性菌群变化和功能基因表达的多尺度过程控制手段,以及发展原料预处理、科学配伍和两相联产氢气甲烷等工艺来提高系统效率.     

降解没食子酸制备焦性没食子酸的菌种筛选及工艺条件

通过研究不同微生物菌属——肠杆菌属(Enterobacer spp.)、柠檬酸杆菌属(Citrobacter spp.)菌株在CDM培养基中经底物诱导降解没食子酸生产焦性没食子酸,筛选出产气肠杆菌(Enterobacer aerogenes)为焦性没食子酸高产菌种。对发酵温度、底物浓度、初始发酵液p H等单因素对焦性没食子酸收率的影响进行了分析,并采用Box-Behnken实验设计进行三因素三水平的响应面分析及模型修正,确定了产气肠杆菌(Enterobacer aerogenes)降解没食子酸的最佳发酵条件。结果表明,在发酵温度为32℃、底物质量分数为0.32%、初始发酵液p H=6.0时,焦性没食子酸收率最大为77.86%,优于同等条件下的化学法及其他复杂的生物法,为微生物法降解没食子酸生产焦性没食子酸的规模化生产提供参考。     

降解没食子酸生产焦性没食子酸的菌种筛选及工艺条件

通过研究不同微生物菌属——肠杆菌属（Enterobacer spp.）、柠檬酸杆菌属（Citrobacter spp.）菌株在CDM培养基中经底物诱导降解没食子酸生产焦性没食子酸,筛选出产气肠杆菌（E. aerogenes）为焦性没食子酸高产菌种。对发酵温度、底物浓度、初始发酵液pH等单因素对焦性没食子酸收率的影响进行了分析,并采用Box-Behnken实验设计进行三因素三水平的响应面分析及模型修正,确定了产气肠杆菌（E. aerogenes）降解没食子酸的最佳发酵条件。结果表明：在发酵温度为32℃、底物质量分数为0.32%、初始发酵液pH为6.0时,焦性没食子酸收率最大为77.86%,优于同等条件下的化学法及其他复杂的生物法,为微生物法降解没食子酸生产焦性没食子酸的规模化生产提供参考。     

磷酸预处理对芦苇秸秆与牛粪混合厌氧发酵的影响

为研究酸预处理对芦苇秸秆-牛粪混合厌氧发酵的影响,采用6%磷酸对芦苇秸秆进行预处理,并与牛粪混合进行厌氧发酵制沼气实验,同时对酸预处理组和对照组在厌氧发酵过程中产气量、p H、COD以及发酵前后混合原料木质纤维素变化情况进行分析。结果表明,酸预处理提高混合原料发酵的产气量,其总产气量为97.24 m L/g,比对照组的产气量13.69 m L/g高出610.3%;酸预处理组p H更接近中性,表明该系统具有更好的抵御酸化能力和稳定性;酸预处理提高了发酵体系COD的含量,促进发酵原料的降解。研究表明,芦苇秸秆可以作为发酵原料进行再利用,且磷酸预处理可以提高发酵系统缓冲能力和原料利用效率。     

玉米芯与鸡粪混合发酵提高甲烷发酵性能

为提高玉米芯和鸡粪厌氧发酵甲烷产率,研究了玉米芯和鸡粪混合发酵性能。实验结果表明,玉米芯与鸡粪最佳混合比为5∶1,沼气和甲烷产率最高,分别是200mg/g和121.2mL/g（玉米芯/鸡粪,VS,下同),与单一鸡粪厌氧发酵相比,沼气产量提高了700%,玉米芯与鸡粪混合发酵有助于更多的生物质向甲烷转化。玉米芯与鸡粪在最佳比例下混合发酵时挥发性脂肪酸（VFAs）最高达2.56g/L,乙酸在VFAs中起主导作用。适当的鸡粪添加有助于体系氨氮含量增大和甲烷菌活性提高,过多鸡粪添加不利于甲烷总产量的提高。氨氮与VFAs的中和作用促进了体系的pH稳定。底物进料量对沼气产率有明显的影响,混合底物进料量为50g/L时总产气量最高,为7800mL,对应的甲烷体积分数为68.7%,而进料量为20g/L时沼气产率和甲烷产率最高,分别为325mg/g和184.3mL/g。玉米芯与鸡粪混合发酵能够改善碳氮底物（C/N）的发酵比、提高微量金属元素含量,是甲烷产率提高的主要原因。     

餐厨垃圾与固体废物共消化产气效果研究

为研究餐厨垃圾与不同固体废物厌氧共消化产气的效果,探究餐厨垃圾/污泥共消化最佳进料方式,采用自制的全混合厌氧反应器,通过产气量和甲烷含量综合评价餐厨垃圾与不同固废(鸡粪、猪粪、玉米秸秆、麦秆、稻杆和活性污泥)共消化系统在不同配比下产气的潜力;通过产气性能和消化液的pH值、VFAs质量浓度、氨氮质量浓度、碱度综合评价进料方式对餐厨垃圾/活性污泥共消化系统的影响。结果表明:餐厨垃圾与6种不同底物混合共消化系统的产气潜力分别是活性污泥(5∶5)>鸡粪(5∶5)>玉米杆(3∶7)>麦秆(3∶7)>猪粪(1∶9)>稻杆(5∶5);餐厨垃圾/活性污泥共消化系统连续式进料的各项指标均优于序批式进料,更适合厌氧发酵产沼气。     

不同物料厌氧共发酵产甲烷特性研究

针对我国农业废弃物种类多、产量大、利用率低及单一物料厌氧发酵产气效率不高且不稳定等问题,本研究选取了典型农业废弃物牛粪、玉米秸秆和城市污水处理厂脱水污泥作为底物,两两混合进行批式厌氧共发酵实验。实验结果表明,不同底物厌氧共发酵较单物料发酵甲烷产量显著提高,底物的混合比例能够明显影响厌氧发酵的产甲烷特性,当脱水污泥与玉米秸秆以3∶1比例(以挥发性固体质量计)混合,脱水污泥与牛粪以1∶2比例混合,牛粪与秸秆以1∶1比例混合时,30天的累计甲烷产量最高,厌氧共发酵产生了协同效应,协同效应指数大于1。厌氧共发酵体系处于稳定状态,缓冲能力增强,溶解性化学需氧量、氨氮处在正常范围,没有发生氨抑制和挥发性脂肪酸的积累。     

褐煤与水稻秸秆共降解增产甲烷机理研究

以褐煤与水稻秸秆共降解为研究对象，采用高通量测序、气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)、X射线衍射仪(XRD)、核磁共振碳谱(¹³C-NMR)分析了共降解对甲烷生成过程中微生物菌群、中间代谢产物、煤与秸秆结构等的影响规律，以进一步明晰共降解增产甲烷机理。结果表明：褐煤与水稻秸秆共降解甲烷产量为388.47μmol,比二者单独降解甲烷产量之和高116.53%;共降解作用下，梭状芽孢杆菌属(Clostridium)和副梭菌属(Paraclostridium)等纤维素降解菌相对丰度显著增大，有效提高了菌群对煤和秸秆中纤维素及其衍生化合物的降解能力，同时氨氧化古菌活性增强，有利于氮循环；共降解后发酵液中有机酸含量提高，一方面有机酸为甲烷生成提供了充足底物，另一方面有机酸作用于煤结构，提高煤的生物有效性；水稻秸秆纤维素结晶度在共降解后降低幅度增大，使其更容易被水解用于产甲烷；共降解促进了褐煤芳香族化合物的降解，芳碳率下降更多。因此，水稻秸秆作为一种结构简单的碳源，能够诱导、调整甲烷生成中的微生物群落结构，增强煤中芳香碳和纤维素类有机物以及秸秆纤维素的降解，同时促进有机酸生成，...     

农业废弃物共发酵的产气潜力研究

本研究对蘑菇土、玉米秸秆、白菜单独发酵产气潜力进行测试,并三者进行了不同混合比例的共发酵实验,测定沼气产量及沼气中甲烷含量的变化。实验结果表明,秸秆和白菜比蘑菇土具有更好的产气效果;对于蘑菇土与秸秆混合组,产甲烷量均低于蘑菇土、秸秆与白菜三者混合组,表明白菜的加入提高了系统的产气潜力。     

玉米秸秆产生物燃气及其微生物群落解析

为研究玉米秸秆产沼气及其发酵过程中微生物群落变化,以预处理后的玉米秸秆为原料,采用10 L厌氧反应器进行批式中温发酵产沼气。同时取样利用454焦磷酸测序法测定发酵过程中微生物群落的变化。结果表明:该系统启动迅速,在第3 d就达到产气高峰7.78 L,料容产气率为0.97 L·L?1·d?1,46 d原料沼气产率和甲烷产率分别为236.84 ml·(g VS)?1和132.23 ml·(g VS)?1。454焦磷酸测序及分析表明系统中古菌主要为甲烷微菌纲(Methanomicrobia,占总OTU的89.63%),其次为热原体纲(Thermoplasmata,8.51%)古菌。发酵系统中共有22~29个细菌门,其中优势菌群为拟杆菌门(Bacteroidetes,平均含量46.07%)、变形菌门(Proteobacteria,平均含量20.51%)和厚壁菌门(Firmicutes,平均含量13.09%)。玉米秸秆沼气系统微生物群落结构的阐明可为秸秆沼气工程调控提供科学数据。     

秸秆与猪粪混合高固厌氧消化产气性能及关键微生物分析

高固厌氧消化（HS-AD）是处理木质纤维素类原料和其他高固含率有机原料的有效方式之一。本文以节能高效为出发点，研究秸秆和猪粪为混合原料，两者不同配比（秸秆/猪粪的质量比2∶1、1∶1和1∶2）条件下，反应器的运行情况及关键微生物变化情况。结果表明：原料的配比对高固厌氧消化的产气量有明显影响。相比于其他两组实验，秸秆和猪粪的配比为2∶1时，累计产气量最大为229.66L，最终甲烷含量稳定在60.7%左右，转化为单位VS产甲烷量为131.8mL/g VS。同时，反应过程中液相性质（pH、VFA、TIC）的变化，也说明秸秆和猪粪配比为2∶1时，运行平稳且产气较好。另外，微生物分析结果显示，秸秆和猪粪配比为2∶1的实验组，在实验启动的前期，甲烷八叠球菌（Methanosarcinaceae）的相对丰度较高，并且细菌和古菌群落的丰富度和多样性都优于其他两组。     

玉米秸秆产生物燃气及其微生物群落解析

为研究玉米秸秆产沼气及其发酵过程中微生物群落变化,以预处理后的玉米秸秆为原料,采用10 L厌氧反应器进行批式中温发酵产沼气。同时取样利用454焦磷酸测序法测定发酵过程中微生物群落的变化。结果表明：该系统启动迅速,在第3 d就达到产气高峰7.78 L,料容产气率为0.97 L·L^-1·d^-1,46 d原料沼气产率和甲烷产率分别为236.84 ml·（g VS）^-1和132.23 ml·（g VS）^-1。454焦磷酸测序及分析表明系统中古菌主要为甲烷微菌纲（Methanomicrobia,占总OTU的89.63%）,其次为热原体纲（Thermoplasmata,8.51%）古菌。发酵系统中共有22～29个细菌门,其中优势菌群为拟杆菌门（Bacteroidetes,平均含量46.07%）、变形菌门（Proteobacteria,平均含量20.51%）和厚壁菌门（Firmicutes,平均含量13.09%）。玉米秸秆沼气系统微生物群落结构的阐明可为秸秆沼气工程调控提供科学数据。     

通入外源氢提高秸秆发酵沼气中甲烷浓度的研究

沼气提纯是制备生物天然气的重要过程,实验在玉米秸秆中温连续厌氧发酵反应器中通入外源H_2,考察外源H_2通入量对秸秆产气性能、沼气组分以及发酵稳定性的影响。研究发现,当每天向每升反应器(有效容积)通入1.5 L的H_2时,反应器运行6d达到稳定,沼气中甲烷体积百分率由54%提纯到93%。由于CO_2的消耗,pH由7.17升高到8.04。此阶段实验组和对照组挥发性固体(VS)去除率分为45%和49%,没有显著性差异(P值为0.40)。乙酸浓度为(170±39) mg·L~(-1),丙酸浓度为(8±5) mg·L(-1);对照组乙酸浓度为(45±5) mg·L(-1),其他VFAs均未检测到。通入外源H_2反应器的溶解在液相的氢气(液相氢)为(2.6±1.2)μmol·L(-1),对照组液相氢浓度为(20.7±7.4)μmol·L(-1)。通入外源H_2并未对产气和VFA的降解产生严重的抑制作用。综合所研究各项结果,外源H_2可以有效地提纯沼气,对发酵和稳定性没有显著的影响。     

印染废水驯化的厌氧颗粒污泥微生物的动态变化

针对厌氧系统中功能菌群的多样性及其在代谢过程中的协同作用机制,以升流式厌氧污泥床(UASB)反应器内颗粒污泥微生物为研究对象,通过增量为20%阶段式提高实际印染废水进水比例的方法对其进行驯化,监测各阶段颗粒污泥微生物生态结构的变化。结果表明,随着进液印染废水比例的增加,毒性增强,COD去除率由92%降至约70%,比产甲烷活性由印染废水体积分数60%时的最高的0.23 mL/(g·d)降低至0.18 mL/(g·d);细菌菌群数量明显减少;产酸菌活性减弱导致古菌消化底物的缺少,进而导致古菌菌群数量减少以及甲烷产量的下降,是厌氧消化程度不高的主要原因。故如何从微生物角度强化厌氧系统中污染物降解效率是提高水处理效率的主要思路。     

嗜烃乳化菌SL-1与内源菌协同驱油的菌群作用关系研究

为了探究稠油开采过程内-外源菌的协同驱油机理,以嗜烃乳化菌Geobacillus stearothermophilus SL-1作为外源菌,考察了该菌与内源菌群的协同降黏、降烃性能。通过16S rDNA扩增子测序,探讨了内-外源菌的协同作用关系。研究结果表明,添加菌株SL-1后,稠油中的长链烷烃被显著降解,原油黏度降低约79.5%。菌群结构分析表明,菌株SL-1的加入有效激活了烃降解菌、产氢菌等采油功能菌,产气量及甲烷含量升高,同时增强了菌群结构的稳定性,进而有利于采油功能菌代谢性能的发挥。物种相关性分析表明,菌株SL-1与Pseudothermotoga、Coprothermobacter、Gelria等产氢菌呈正相关性,这些物种间的相互协同可推动烃降解及产甲烷等进程,进而有利于提高稠油的采收率。本研究为菌株SL-1在稠油开采中的现场应用提供了理论支撑。     

泥炭发酵产甲烷过程中古菌群落结构演替

以草本泥炭为原料进行厌氧发酵,利用多聚酶链式反应(PCR)-变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术对泥炭发酵产甲烷过程中古菌群落结构特征进行分析。结果表明,泥炭发酵产甲烷过程中古菌菌群均属于广古菌门(Euryarchaeota),包括甲烷鬃菌属(Methanosaeta)、甲烷绳菌属(Methanolinea)、甲烷杆菌属(Methanobacterium)和甲烷短杆菌属(Methanobrevibacter),其中甲烷鬃菌属为优势菌属;随着泥炭发酵产甲烷的进行,甲烷鬃菌属的相对丰度最高,维持在36.37%~50.00%之间,甲烷绳菌属和甲烷杆菌属的相对丰度分别升至30.00%和20.00%,而甲烷短杆菌属的相对丰度逐渐降低,发酵末期仅为10.00%;泥炭发酵产甲烷途径主要为乙酸营养代谢类型,同时伴随氢营养代谢类型,不同于以秸秆、牛粪、鸡粪、褐煤为原料的产甲烷途径。该研究表明泥炭发酵产甲烷过程中存在丰富的古菌菌群,不同发酵时期的古菌群落结构发生演替,为促进泥炭生物转化提供了新思路。     

两株红树内生真菌混合发酵液提取物抗植物病原菌活性及LC-MS研究

将混合发酵技术用于南海红树内生真菌E33和K38的培养,发酵液乙酸乙酯和正丁醇萃取物对多种植物病原菌显示强烈抑制作用,抑制率比单独发酵平均增加1～3倍。LC-MS检测显示混合发酵时代谢物种类显著增加,表明两菌发展出不同于单独发酵的代谢途径,产生了强效抗菌活性物质。