整合宏组学分析畜禽废弃物发酵过程中微生物群落的动态变化

发布时间：2020-10-27 16:33

　　 中国作为农牧业大国,畜禽废弃物是三大主要的废弃物之一,其污染性,危害性之大,引起人们的高度重视。特别是抗药菌与抗生素抗性基因及其传播网络已成为潜在的临床威胁。本文基于整合宏组学技术,以两种辅料混合鸡粪堆肥,探究了其微生物组成、演替、以及其胞外功能酶系的动态变化过程,通过优化堆肥过程参数与工艺条件,试图实现耐药微生物的消减控制,从而实现现代化畜禽废弃物处理的减量化,无害化,和资源化。本论文开展的主要研究工作如下:(1)完成山东省部分地区生物质固体废弃物种类及处理过程的调研调研发现,多数堆肥企业采取传统的堆肥工艺,并不关注抗生素、抗药微生物及耐药基因的检测分析,这是当前畜禽废弃物处理面临的普遍问题。传统的条堆堆肥工艺未引入机械化过程,不仅占地面积大,气味明显,而且耗时较长,无法高效处理畜禽粪污。有的堆肥企业添加微生物菌剂,但由于缺乏技术支持,因此盲目性大。因此,采用整合宏组学技术,分析畜禽粪污中微生物区系的动态变化,关注致病微生物种群,从而提出合理的优化方案,将蘑菇渣或者糖渣作为辅料添加其中,优化工艺,提高工业化效率。(2)鸡粪混合金针菇渣堆肥条件优化策略初探整合宏组学研究表明,宏蛋白质组检测相比于宏基因组检测可以更快的反应生境中微生物菌群的变化规律。由于鸡粪金针菇渣混合原料含水量高,原有工艺翻堆频繁,通氧过高,难以形成有效的发酵过程。优化并减少翻堆频次后,堆肥温度能迅速提升,但未能达到60℃,因此含水率仍是限制性因素。基因组测序表明,细菌中变形菌门的含量虽有所下降,但仍旧含有大量的致病微生物,因此未达到无害化处理的要求。整合宏组学分析表明,在堆肥后期高温生境优势微生物是嗜热丝孢菌,该菌可以在高温环境环境中大量分泌木聚糖降解酶系,因此,原料复配过程中降低含水率,适时翻堆通氧,增加关键微生物促进高温期尽快到达60℃,从而实现无害化处理。(3)利用功能宏蛋白质组学技术跟踪分析鸡粪木糖渣混合堆肥中微生物的演替过程采用条堆堆肥工艺,鸡粪与木糖渣混合堆肥,温度上升速度较慢,第7天才达到60℃,宏蛋白质组分析表明,堆肥中的关键微生物群落(厚壁菌门,放线菌门)随着温度的升高逐渐成为主要的功能酶系产出菌群,而放线菌门的纤维素酶产出量大,推测混合木糖渣后有利于放线菌门的生长,从而控制甚至拮抗耐药菌的存在。进一步优化堆肥工艺,如翻堆通氧等有助于无害化过程的实现;而发酵过程添加含水量较高的污泥不利于堆肥过程,不利于嗜热微生物的形成和优势种群的建立。(4)鸡粪堆肥罐式发酵工艺优化及混合木糖渣的二次堆肥工艺探索通过90m3发酵罐工艺优化对鸡粪快速除臭,降低含水率,宏基因组分析表明微生物种群以厚壁菌门为主,表明60℃以上高温可以完成相关菌门如变形菌门中致病微生物的杀灭,而发酵后3天产物混合木糖渣,宏基因组分析表明微生物种群向着放线菌门快速演替,而宏蛋白质分析也表明主要的关键酶系(纤维素酶,蛋白酶)主要来源于放线菌门,因此,通过两步法,先进行鸡粪90m3罐式堆肥发酵,然后发酵产物混合木糖渣二次堆肥,可以完成在微生物种群有目的的定向演替,减少耐药微生物的存在,实现畜禽废弃物减量化,无害化,和资源化。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X71;X172;TQ920.1
【部分图文】：

１３０元／方，杏鲍菇渣同价位，而其他蘑菇渣的价位则更低。由此可见，大型企业??如土秀才，奥利等有固定的采购对象和路线，可能价格较低。之所用较多的??蘑菇渣，这可能因为山东是蘑菇渣产出的第二大省（图２－１），蘑菇渣价格低廉，??容易购买，且富含有机质（６０－９０％），但实际使用时效果并不好，如农户调研反??馈不好，有机质检测不合格等，这可能都是因为堆肥过程没有控制好造成的，实??际上就是没有管控好堆肥微生物，因此必须对蘑菇渣堆肥进行深入研究，从微生??物和理化等多角度出发，指导蘑菇渣堆肥无害化，资源化利用。??糖渣［７０］是另一种比较广泛使用的原料，但是木糖渣含水较高（５０％），酸性??较强，不易腐熟，是堆肥中相对难使用的原料，调研发现，各家企业对糖渣的采??购价格，含水率等指标提供了不一样的答案，因为糠醛渣、糖醇渣、糖醛渣等都??是一种工业提取废弃物

金针菇菌渣混合鸡粪槽式堆肥理化性质分析。Ａ，?Ｃ，?Ｅ，?Ｇ分别为翻堆频次未优化取??样检测的温度，含水率，ｐＨ值，电导率值，Ｂ，Ｄ．Ｆ，Ｈ分别为翻堆频次优化后样品检测的??温度，含水率，ｐＨ值，电导率值。??２７??

Ｆｉｇ．?３－２．?Ａｃｔｉｖｅ?ｚｙｍｏｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｍｉｘｅｄ?ｃｏｍｐｏｓｔ．?Ａ．?ｇｅｌａｔｉｎ?ｚｙｍｏｇｒａｐｈｙ?ｏｆ?ｐｒｅ－ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ，?Ｂ，??ｇｅｌａｔｉｎ?ｚｙｍｏｇｒａｐｈｙ?ａｆｔｅｒ?ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ??利用明胶酶谱可以检测混合堆肥中金属蛋白酶活性，图３Ａ表明从４天到１２??天的主要蛋白酶条带没有明显变化，和Ｍａｒｋｅｒ完全不相同ＣＰｒｏＡ、ＰｒｏＤ）（Ｍａｒｋｅｒ??采用解淀粉芽孢杆菌胞外蛋白酶），且迁移率大的蛋白酶种类少，１０天后蛋白酶??条带迅速减少，而此时纤维素酶活有轻微提高，推测随着温度的升高，微生物演??化为以降解纤维素为主（图３－３Ａ）。而减少了翻堆次数以后（图３－２Ｂ），蛋白酶??条带并没有发生明显变化，和纤维素酶的变化也相对一致，发酵至８－１０天，纤??维素酶活性提高，而蛋白酶仍保持相对较高的活性，另外，图３－２Ｂ中８－１２天蛋??白酶条带无论是种类还是迁移率都和０－６天相对一致，推测这可能是因为随着翻??堆的进行
【参考文献】

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1 马海霞;张丽丽;孙晓萌;张怀强;何明雄;陈冠军;王禄山;;基于宏组学方法认识微生物群落及其功能[J];微生物学通报;2015年05期

2 朱建春;张增强;樊志民;李荣华;;中国畜禽粪便的能源潜力与氮磷耕地负荷及总量控制[J];农业环境科学学报;2014年03期

3 徐智;张陇利;张发宝;梁丽娜;李季;;接种内外源微生物菌剂对堆肥效果的影响[J];中国环境科学;2009年08期

本文编号：2858767