厌氧消化过程中温度对产甲烷代谢途径及微生物群落结构变化的影响研究

发布时间：2020-06-15 04:03

【摘要】：工业革命以来,随着人类活动的不断增强,CO_2和CH_4等温室气体在大气中的浓度增加,加剧了全球气候变暖以及极端气候事件的发生,其中甲烷气体对全球变暖的贡献在主要温室气体中排第二位,对气候变化有着深远的影响。甲烷气体的排放主要来源于农业生产活动、有机废弃物以及能源的利用,其中人类生活产生的有机废弃物因不合理的堆放和填埋,生成的甲烷气体直接排放到大气中,产生的碳排放量对气候变暖的贡献不可忽略。另外,人们日常生活中产生的有机废弃物给环境带来的有机污染也是当前人们需要解决的环境问题之一。因此,研究人类生活废弃物在不同的环境下,甲烷的转化差异和生成机制,对于解决有机废弃物造成的环境污染问题,以及定量估算甲烷的排放量,控制温室气体排放,减缓温室效应具有重要的意义。本试验采用稳定碳同位素比值分析方法,揭示甲烷生成代谢途径的演变,采用微生物分子学技术监测甲烷生成代谢过程中微生物群落结构的变化。最后,分析甲烷生成代谢途径与代谢过程中微生物群落变化之间的内在关系,以此明确甲烷生成代谢机制。由于温度是影响有机质降解的一项重要参数,因此本研究通过设置不同的温度条件,探讨了温度对人类生活中产生的有机废弃物产甲烷的影响。主要研究结论如下:1、在不同环境条件下,人类生活产生的有机废弃物生成甲烷时的甲烷转化率差异显著,将温度分别控制在25℃、35℃和40℃对十字花科芸薹属的废弃蔬菜和人类日常生活中产生的餐厨垃圾进行厌氧消化实验,研究温度对厌氧环境中有机物降解的产气特性得出:两种有机物原料在35℃条件下,其总产气量、TS/VS产气率、稳定时期的CH_4平均含量,以及总CH_4量均高于25℃和40℃条件下的实验组,说明在厌氧消化降解有机质时,将温度设置为35℃时产气效果较好;相同温度条件下,对比两种有机物原料的产气潜力,发现餐厨垃圾厌氧分解产气过程中的各项指标高于蔬菜有机质,产气效果更好;另外还发现,在以餐厨垃圾作为原料进行厌氧消化实验,将温度控制在40℃时,系统中挥发性有机酸含量(VFA)一直处于较高水平,日产气量较低。2、通过对两类有机废弃物在不同环境下产甲烷时气体中的碳同位素研究发现,甲烷生成过程中碳同位素的流动变化导致了不同甲烷代谢途径对产甲烷总量的贡献的变化,并且在同一系统中厌氧消化阶段不同,甲烷代谢途径对产甲烷总量的贡献也发生着变化。主要表现为:蔬菜在发酵前期阶段,甲烷的生成代谢途径中的CO_2还原途径比重最大,该途径对产甲烷总量的贡献在25℃、35℃、40℃条件下所占的比重分别为50.82%、35.69%和84.66%;餐厨垃圾作为发酵原料时,系统进入到稳定产甲烷期CO_2还原途径的贡献较大,CO_2还原途径对产甲烷总量的贡献在各温度条件下所占比重分别为46.12%、30.40%和36.89%,整个发酵过程中贡献率始终小于50%。各实验组在厌氧消化过程中CO_2还原途径对产甲烷总量的贡献,随着时间的变化,除了蔬菜在发酵前期贡献率为84.66%,其他均小于50%,说明各实验组在产甲烷过程中主要以乙酸裂解途径产甲烷为主导途径。3、为了进一步研究有机废弃物在甲烷生成过程中的甲烷转化机制,对系统中微生物群落结构多样性组成进行了研究,发现:(1)微生物群落结构组成随着温度的改变而发生变化,温度变化越大,微生物群落多样性差异越大。(2)各实验组的优势菌主要有拟杆菌目(Bacteroidales)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)、梭菌目(Clostridiales)三类,且在不同的发酵阶段相对丰度都大于10%,且温度的改变对主要优势菌的影响不大;各实验组的亚优势菌主要有Synergistales、Pseudomonadales、Spirochaetales、Selenomonadales、Enterobacteriales、Burkholderiales等,且温度的改变对亚优势菌的影响较大。(3)在各实验组中检测到了甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)和甲烷微菌目(Methanomicrobiales),其中甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)为主要的产甲烷古生菌,属水平上检测到的甲烷杆菌属(Methanobacterium)、甲烷短杆菌属(Methanobrevibacter)、第七产甲烷菌属(Methanomassiliicoccus)、甲烷挑选菌属(Methanoculleus)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)所占比重均大于10%,为主要的优势菌。在餐厨垃圾为原料的实验中,25℃条件下检测到甲烷杆菌目(Methanobacteriales),在其他实验组未被检测到;在餐厨垃圾为原料的实验中,40℃条件下检测到第七产甲烷菌目(Methanomassiliicoccales),其他实验组中未被检测到。4、微生物群落结构的变化会影响系统中日产气量、甲烷含量、碳同位素分馏,微生物群落结构多样性越丰富,日产气量越大,甲烷含量则降低;温度的改变影响着系统中产气情况、产甲烷代谢途径以及微生物群落结构多样性差异,但在本研究所设置的温度范围内,产气情况、产甲烷代谢途径和微生物群落结构并没有随着温度的变化呈现显著的规律性变化,原因是本研究所设置的温度跨度不大,且都在中温范围内;在同一系统中,随着发酵时间的延长,微生物物种的相对丰度发生了变化,厌氧消化过程中产气特性与甲烷代谢途径随发酵时间的延长呈现出规律性演替。
【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q938;X701
【图文】：

甲烷排放量,二氧化碳

图 1.1 二氧化碳和甲烷排放量[6-7]另外，《京都议定书》中规定了清洁发展机制（Clean DevelopmentMechanism，CDM），由发达国家提供资金和技术，帮助发展中国家在境内开展碳减排项目，其中碳减排量计算方法学是 CDM 项目的主要内容之一[9]。碳减排量计算过程涉及众多指标控制，尤以甲烷转化因子(MCF)最为关键，MCF 变化的实质是由微生物介导的产甲烷贡献率的差异性造成的。MCF 是指有机质中总能量转化为 CH4的百分比，是温室气体排放量计算的重要参数。文献研究[10]表明 MCF 值会受到温度、滞留时间、管理方式等非生物因子的影响，同时所有非生物因子影响的实质是其能够导致不同代谢途径的产 CH4贡献率发生改变。因此，研究不同环境下甲烷转化的差异和机制，对于揭示 MCF 变化规律，明确碳减排计算过程中的控制指标，指导节能减排，控制温室气体排放具有重要意义。1.2 国内外研究进展

生化代谢,产甲烷,途径,乙酰辅酶A

第 1 章绪论乙酸激酶和磷酸转乙酰酶，CoA-SH 转化为乙酰-CoA 和磷酸，乙酸转化为乙酰辅酶 A 需要 Methanosarcina spp.中 ATP 的一个富含能量的磷酸键。Methanosaetaspp.利用乙酰-CoA 合成酶通过 2 分子的 ATP 催化乙酸转为乙酰辅酶 A[35]，乙酰辅酶A再由一氧化碳脱氢酶-乙酰辅酶A催化，CO脱氢酶复合体催化乙酰辅酶A的断裂，生成甲基基团、羧基基团和辅酶 A，这些物质暂时与酶结合，然后羧基基团氧化形成 CO2，产生的电子转移给铁氧化蛋白，甲基转移给 H4SPT 生成甲烷[38]。

【参考文献】