微生物电化学系统种群互作及胞外电子传递代谢调控机制
发布时间：2022-11-01 20:42
微生物电化学系统（Microbial electrochemical systems,MESs）作为新兴的废水处理、生物修复和能源再生技术,近年来被广泛研究。MES最主要的构型包括微生物燃料电池（MFC）和微生物电解池（MEC）。MES系统的性能依赖于电极生物膜微生物群落组成。系统构型、电极材料和生态因子等影响MES的微生物群落结构及胞外电子传递代谢。电极生物膜种群互作机制和不同生态条件下胞外电子转移代谢的调控机制,仍是提高MES性能亟待解决的科学难题。本研究旨在探究MFC系统微生物基因表达在产电过程中的变化规律,解析电极微生物代谢过程中种群变化和胞外电子转移相关基因;探索铁离子对MFC系统效能和电极生物膜群落组成的影响;揭示MEC系统产氢产甲烷过程中电极微生物的群落互作关系,为MES体系的完善提供理论基础和技术支持。为了解析底物限制条件下MFC电极微生物代谢机制,利用宏转录组学揭示间歇式多阳极MFC阳极生物膜的功能基因与胞外电子转移相关基因表达差异。结果发现在底物利用不同阶段,12 h与34 h相比,功能基因下调表达的数量为9867个,上调表达的有2744个;与44 h相比,上调表达...
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 微生物电化学系统技术原理及功能微生物
1.2.1 微生物电化学系统原理
1.2.2 微生物电化学系统中微生物参与的主要代谢过程
1.2.3 电化学活性微生物的胞外电子传递机制
1.3 影响微生物电化学系统胞外电子传递的因素
1.3.1 底物对产电性能的影响
1.3.2 生态因子对电化学活性微生物的影响
1.3.3 电极条件的影响
1.3.4 电子介体促进胞外电子的转移
1.4 微生物电化学系统中微生物群落结构与种群互作关系研究
1.4.1 微生物群落结构分析方法
1.4.2 微生物种群互作及代谢调控研究进展
1.5 微生物电解池产氢产甲烷的研究现状
1.5.1 底物利用范围
1.5.2 产甲烷现状分析
1.5.3 产氢产甲烷面临的问题
1.6 本课题研究内容
1.6.1 课题来源
1.6.2 本课题研究内容
1.6.3 本课题技术路线
第2章 实验材料与方法
2.1 微生物电化学系统的构建和运行
2.1.1 多阳极微生物燃料电池反应器的构建及运行
2.1.2 空气阴极微生物燃料电池反应体系的构建
2.1.3 生物阴极微生物燃料电池反应器的构造和运行
2.2 分析和检测方法
2.2.1 气体检测
2.2.2 生物化学分析
2.2.3 电化学分析与计算
2.2.4 生物膜成像
2.3 分子生物学检测及数据处理
2.3.1 基因组DNA的提取
2.3.2 RNA提取
2.3.3 荧光定量PCR分析
2.3.4 16S rDNA测序
2.3.5 cDNA文库构建和测序
2.3.6 测序后数据处理与分析
第3章 底物利用过程中胞外电子传递代谢调控机制
3.1 引言
3.2 多阳极微生物燃料电池反应器的电化学性能
3.3 电极生物膜生长过程
3.4 微生物燃料电池的底物利用效能
3.5 基因表达水平分析
3.6 与胞外电子传递相关的微生物群落组成及变化
3.7 不同代谢通路中功能基因的表达差异
3.7.1 功能基因表达
3.7.2 胞外电子传递相关的差异功能基因分析
3.8 本章小结
第4章 铁离子对微生物胞外电子传递的影响
4.1 引言
4.2 Fe(Ⅱ)对微生物燃料电池反应器性能和电极生物膜的作用
4.2.1 Fe(Ⅱ)浓度对微生物燃料电池反应器电化学性能的影响
4.2.2 电极生物膜群落组成解析
4.3 Fe(Ⅲ)对微生物燃料电池反应器性能和电极微生物的影响
4.3.1 Fe(Ⅲ)对微生物燃料电池电化学性能的作用
4.3.2 电极微生物对Fe(Ⅲ)浓度的响应
4.4 本章小结
第5章 种群互作促进微生物电解池利用剩余污泥产氢烷
5.1 引言
5.2 Fe(0)促进微生物电解池利用剩余污泥产氢气
5.3 生物阴极微生物电解池利用碱处理剩余污泥产氢烷
5.3.1 氢烷产率及气体组成分析
5.3.2 碱处理促进微生物电解池有机物的降解
5.4 微生物电解池电极微生物的群落组成及互作关系
5.4.1 细菌群落结构及多样性
5.4.2 古菌群落结构及多样性
5.4.3 生物阴极微生物电解池的微生物功能解析
5.5 本章小结
结论
展望
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米零价铁在环境中的毒性研究进展[J]. 夏泽阳,刘爱荣. 生态毒理学报. 2017(05)
[2]不锈钢毡电极MEC甲烷原位纯化及原理[J]. 薄涛,翟洪艳,季民. 环境科学学报. 2017(11)
[3]微生物电解酿酒废水高效产甲烷[J]. 孙霞,徐占成,向元英,刘建,高平,李大平. 应用与环境生物学报. 2016(06)
博士论文
[1]三价铁离子对微生物燃料电池产电性能的影响机制[D]. 赵亚楠.江南大学 2017
[2]废水反硝化脱硫工艺功能微生物分布规律及调控机制研究[D]. 黄聪.哈尔滨工业大学 2017
[3]生物质微生物电解池强化产氢及阳极群落结构环境响应[D]. 路璐.哈尔滨工业大学 2012
[4]微生物燃料电池中多元生物质产电特性与关键技术研究[D]. 王鑫.哈尔滨工业大学 2010
[5]微生物燃料电池处理有机废水过程中的产电特性研究[D]. 尤世界.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3700067
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 微生物电化学系统技术原理及功能微生物
1.2.1 微生物电化学系统原理
1.2.2 微生物电化学系统中微生物参与的主要代谢过程
1.2.3 电化学活性微生物的胞外电子传递机制
1.3 影响微生物电化学系统胞外电子传递的因素
1.3.1 底物对产电性能的影响
1.3.2 生态因子对电化学活性微生物的影响
1.3.3 电极条件的影响
1.3.4 电子介体促进胞外电子的转移
1.4 微生物电化学系统中微生物群落结构与种群互作关系研究
1.4.1 微生物群落结构分析方法
1.4.2 微生物种群互作及代谢调控研究进展
1.5 微生物电解池产氢产甲烷的研究现状
1.5.1 底物利用范围
1.5.2 产甲烷现状分析
1.5.3 产氢产甲烷面临的问题
1.6 本课题研究内容
1.6.1 课题来源
1.6.2 本课题研究内容
1.6.3 本课题技术路线
第2章 实验材料与方法
2.1 微生物电化学系统的构建和运行
2.1.1 多阳极微生物燃料电池反应器的构建及运行
2.1.2 空气阴极微生物燃料电池反应体系的构建
2.1.3 生物阴极微生物燃料电池反应器的构造和运行
2.2 分析和检测方法
2.2.1 气体检测
2.2.2 生物化学分析
2.2.3 电化学分析与计算
2.2.4 生物膜成像
2.3 分子生物学检测及数据处理
2.3.1 基因组DNA的提取
2.3.2 RNA提取
2.3.3 荧光定量PCR分析
2.3.4 16S rDNA测序
2.3.5 cDNA文库构建和测序
2.3.6 测序后数据处理与分析
第3章 底物利用过程中胞外电子传递代谢调控机制
3.1 引言
3.2 多阳极微生物燃料电池反应器的电化学性能
3.3 电极生物膜生长过程
3.4 微生物燃料电池的底物利用效能
3.5 基因表达水平分析
3.6 与胞外电子传递相关的微生物群落组成及变化
3.7 不同代谢通路中功能基因的表达差异
3.7.1 功能基因表达
3.7.2 胞外电子传递相关的差异功能基因分析
3.8 本章小结
第4章 铁离子对微生物胞外电子传递的影响
4.1 引言
4.2 Fe(Ⅱ)对微生物燃料电池反应器性能和电极生物膜的作用
4.2.1 Fe(Ⅱ)浓度对微生物燃料电池反应器电化学性能的影响
4.2.2 电极生物膜群落组成解析
4.3 Fe(Ⅲ)对微生物燃料电池反应器性能和电极微生物的影响
4.3.1 Fe(Ⅲ)对微生物燃料电池电化学性能的作用
4.3.2 电极微生物对Fe(Ⅲ)浓度的响应
4.4 本章小结
第5章 种群互作促进微生物电解池利用剩余污泥产氢烷
5.1 引言
5.2 Fe(0)促进微生物电解池利用剩余污泥产氢气
5.3 生物阴极微生物电解池利用碱处理剩余污泥产氢烷
5.3.1 氢烷产率及气体组成分析
5.3.2 碱处理促进微生物电解池有机物的降解
5.4 微生物电解池电极微生物的群落组成及互作关系
5.4.1 细菌群落结构及多样性
5.4.2 古菌群落结构及多样性
5.4.3 生物阴极微生物电解池的微生物功能解析
5.5 本章小结
结论
展望
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米零价铁在环境中的毒性研究进展[J]. 夏泽阳,刘爱荣. 生态毒理学报. 2017(05)
[2]不锈钢毡电极MEC甲烷原位纯化及原理[J]. 薄涛,翟洪艳,季民. 环境科学学报. 2017(11)
[3]微生物电解酿酒废水高效产甲烷[J]. 孙霞,徐占成,向元英,刘建,高平,李大平. 应用与环境生物学报. 2016(06)
博士论文
[1]三价铁离子对微生物燃料电池产电性能的影响机制[D]. 赵亚楠.江南大学 2017
[2]废水反硝化脱硫工艺功能微生物分布规律及调控机制研究[D]. 黄聪.哈尔滨工业大学 2017
[3]生物质微生物电解池强化产氢及阳极群落结构环境响应[D]. 路璐.哈尔滨工业大学 2012
[4]微生物燃料电池中多元生物质产电特性与关键技术研究[D]. 王鑫.哈尔滨工业大学 2010
[5]微生物燃料电池处理有机废水过程中的产电特性研究[D]. 尤世界.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3700067
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